煤礦通風(fēng)系統(tǒng)安全檢測(cè)及其優(yōu)化

＊趙振國

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)通風(fēng)部 山西 037000）

引言

由于煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)安全性會(huì)對(duì)煤礦開采安全產(chǎn)生直接影響，現(xiàn)階段的各大煤礦開采企業(yè)已經(jīng)加強(qiáng)了對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重視，并且在進(jìn)行煤礦開采之前均會(huì)對(duì)既有的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面的檢測(cè)，以期提升通風(fēng)系統(tǒng)的安全性和可靠性，保障井下作業(yè)安全。從現(xiàn)階段的煤礦開采現(xiàn)狀來看，井下作業(yè)的深度加大，難度加大，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的要求也更為復(fù)雜。如何保障通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性成為煤礦開采行業(yè)需要解決的重點(diǎn)問題，要想保障井下作業(yè)安全，則需積極進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。因此，研究煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全檢測(cè)和系統(tǒng)優(yōu)化方法具有積極意義。

1.煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全檢測(cè)

(1)對(duì)通風(fēng)阻力的測(cè)定

常用的通風(fēng)阻力測(cè)定方法有壓差計(jì)法，氣壓計(jì)逐點(diǎn)測(cè)定法和觀測(cè)點(diǎn)測(cè)定法。其中的壓差計(jì)法指的是，通過在相鄰的兩個(gè)測(cè)定點(diǎn)裝設(shè)壓差計(jì)和皮托管的方式進(jìn)行壓差測(cè)定。在裝設(shè)皮托管時(shí)，應(yīng)使其處于風(fēng)流相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，并且與風(fēng)流方向相平行。在安裝皮托管之前應(yīng)保持皮托管的通暢性，謹(jǐn)防出現(xiàn)疊加和被雜物堵塞的現(xiàn)象，當(dāng)皮托管內(nèi)部的空氣溫度與巷道溫度相同后便可安裝皮托管，并在壓差計(jì)上的讀數(shù)穩(wěn)定后，便可明確兩個(gè)側(cè)定點(diǎn)的通風(fēng)阻力差。這種測(cè)定方法存在測(cè)定結(jié)果精度高的優(yōu)勢(shì)，但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定過程中十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力，會(huì)增加很多工作量，因此不適合大范圍應(yīng)用，在針對(duì)局部通風(fēng)阻力進(jìn)行測(cè)定時(shí)可優(yōu)先選用；血壓計(jì)逐點(diǎn)測(cè)定法則是借助氣壓計(jì)完成對(duì)測(cè)定點(diǎn)靜壓差的測(cè)量，并且得出動(dòng)壓差和位壓差，依據(jù)得出的數(shù)據(jù)運(yùn)算出通風(fēng)阻力；雙側(cè)點(diǎn)測(cè)定法是指，采用兩臺(tái)精密度較高的氣壓計(jì)，放置在測(cè)點(diǎn)1的位置，記錄讀數(shù)后將一臺(tái)氣壓計(jì)留在原處，另一臺(tái)氣壓計(jì)移至第二個(gè)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)讀取兩臺(tái)儀器的讀數(shù)。再將第一臺(tái)氣壓計(jì)移至第二個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行讀數(shù)，以此類推，直至完成所有測(cè)點(diǎn)的測(cè)定。這種測(cè)量方法可以有效避免氣壓計(jì)誤差問題對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，但并未考慮到氣壓變化的影響，致使最終測(cè)得的結(jié)果還會(huì)存在一定的誤差[1]。

(2)對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的測(cè)定

針對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量的主要目的是了解井下通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的性能，檢測(cè)其能否滿足井下通風(fēng)需求。常用的風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)定方法包括風(fēng)表法、靜壓管測(cè)量法和靜壓差測(cè)量法，具體如下：

風(fēng)表測(cè)量法可以被細(xì)分為人工測(cè)量和傳感器測(cè)量兩種。采用人工測(cè)量時(shí)，需要由專業(yè)的測(cè)風(fēng)人員手持式風(fēng)速儀（見圖1）在巷道內(nèi)勻速走動(dòng)，并記錄風(fēng)表讀數(shù)，繪制出風(fēng)表曲線，結(jié)合斷面風(fēng)的面積和風(fēng)表的讀數(shù)可以計(jì)算出該區(qū)域的風(fēng)量。此種操作方法的優(yōu)勢(shì)在于所使用的測(cè)量設(shè)備較少，缺點(diǎn)在于操作流程較為復(fù)雜，且存在較大的誤差，每次測(cè)量所消耗的時(shí)間也較長，很難提供準(zhǔn)確的風(fēng)量值，目前已經(jīng)很少應(yīng)用此種測(cè)量手段。

圖1 手持式風(fēng)速儀

傳感器測(cè)量法則是借助專用的風(fēng)速傳感器來測(cè)定區(qū)域內(nèi)的風(fēng)量。主要測(cè)量方法為將風(fēng)斷面劃分為多個(gè)小區(qū)域，并且在每個(gè)區(qū)域內(nèi)均裝設(shè)一個(gè)風(fēng)速傳感器。通過風(fēng)速傳感器可測(cè)得區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速。此種測(cè)量風(fēng)速的方法適用于對(duì)離心式風(fēng)機(jī)風(fēng)量的測(cè)量。風(fēng)速傳感器的布局方法如圖2。

圖2 風(fēng)速傳感器的布局圖

均壓管測(cè)量法，主要適用于對(duì)圓形風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量的測(cè)量，在其他特殊巷道中也可使用。主要測(cè)量原理為，先將測(cè)風(fēng)斷面分割成面積相等的圓環(huán)，在對(duì)圓環(huán)幾何半徑的動(dòng)壓進(jìn)行測(cè)量后根據(jù)公式求得平均風(fēng)速和斷面風(fēng)量。計(jì)算公式如下：

采取靜壓差測(cè)量法時(shí)是基于力學(xué)理論，根據(jù)流體在管道中的流速變化和阻力因素來判斷流體轉(zhuǎn)化量，通過測(cè)定其流體能量的轉(zhuǎn)化能力來分析巷道風(fēng)量。尤其是對(duì)于巷道截面變化幅度較大的風(fēng)量測(cè)量工作中，可以基于能量守恒定律來確定流體總量是否發(fā)生變化。在流體由大截面向小截面端流動(dòng)時(shí)，流體流動(dòng)的過程需要遇到一定的阻力，此時(shí)的流體靜壓將由大變小，而速壓則恰恰相反。根據(jù)這一原理，在對(duì)旋風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行測(cè)定時(shí)，可分別引出兩個(gè)壓力輸入至壓差傳感器中，利用讀數(shù)和公式測(cè)得風(fēng)機(jī)的風(fēng)速與風(fēng)量。該種測(cè)量風(fēng)量的方法雖然與傳感器測(cè)量法存在相同之處。但采取靜壓測(cè)量法時(shí)的測(cè)量操作較為簡(jiǎn)便，無須使用大量的風(fēng)表安裝機(jī)架，減少了風(fēng)速測(cè)量的工作量，且所測(cè)得的數(shù)據(jù)也相對(duì)穩(wěn)定。靜壓差測(cè)量原理圖見圖3。

圖3 靜壓差測(cè)量原理圖

2.煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化策略

首先，需要建立起相對(duì)完善的通風(fēng)體系。即根據(jù)煤礦生產(chǎn)需求和井下作業(yè)要求對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。總結(jié)前期的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以將通風(fēng)系統(tǒng)劃分為四種類型，主要包括一般型、排瓦斯型、防火型和降溫型。而在進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采取并聯(lián)形式和串聯(lián)形式。但實(shí)際上，當(dāng)前的井下作業(yè)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，通常是以混合型為主。具體進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)煤層走向以及井下作業(yè)的空間環(huán)境要求，參照煤層走向示意圖來設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)，明確在通風(fēng)系統(tǒng)的特定位置需要設(shè)置幾個(gè)風(fēng)機(jī)，并且結(jié)合前期的經(jīng)驗(yàn)，利用風(fēng)量和風(fēng)速計(jì)算公式來明確井下作業(yè)巷道中所需的通風(fēng)等級(jí)，依據(jù)此制定合理的通風(fēng)體系。

其次，需要提升通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)變能力。在井下作業(yè)的過程中，為了提升煤炭運(yùn)輸效率，通常會(huì)形成一整條運(yùn)輸帶。在此種狀況下，一旦某個(gè)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)問題便可能引發(fā)較為嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)，致使火災(zāi)大范圍蔓延。為此，在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，也需要保障每個(gè)巷道的獨(dú)立性。可以根據(jù)井下作業(yè)的巷道分布規(guī)律和回巷分布規(guī)律設(shè)置多個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)備，且對(duì)于風(fēng)機(jī)設(shè)備的安裝位置應(yīng)提高重視，避免風(fēng)機(jī)工作過程中造成相互影響的現(xiàn)象。在日常運(yùn)行中，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)設(shè)備應(yīng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，增強(qiáng)井下通風(fēng)效率。而當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，則能通過單獨(dú)控制風(fēng)機(jī)來降低火情影響范圍[3]。

最后，科學(xué)控制風(fēng)阻。從前期的煤礦通風(fēng)工作來看，巷道結(jié)構(gòu)、通風(fēng)路徑均會(huì)對(duì)風(fēng)速和風(fēng)量產(chǎn)生直接影響，這主要是由于巷道結(jié)構(gòu)過窄的情況下會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)阻，且通風(fēng)路徑設(shè)置不當(dāng)也會(huì)增加風(fēng)阻率。因此，在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)要對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行綜合考慮，盡可能通過減少巷道摩擦阻力的方式來控制風(fēng)組率，提高風(fēng)速與風(fēng)量，達(dá)成良好的通風(fēng)效果。

3.結(jié)語

從上文研究中不難看出，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)效果產(chǎn)生直接影響的因素有很多，主要包括風(fēng)機(jī)性能，巷道阻力和通風(fēng)路徑等。為了進(jìn)一步提升煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全性，在對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到各類因素對(duì)通風(fēng)效果的影響，綜合考慮后優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且科學(xué)選用風(fēng)機(jī)類型，盡可能為采礦工人創(chuàng)造安全的作業(yè)環(huán)境，提高采礦效率的同時(shí)，也能保障相關(guān)作業(yè)人員的人身安全。