煤礦通風(fēng)巷道斷面風(fēng)速測定與變化規(guī)律研究

＊武翰杰

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司 山西 047100）

在煤礦的生產(chǎn)工作中會產(chǎn)生大量的有害氣體和粉塵，而這些氣體和粉塵在封閉的地下若無外力干擾無法離開施工現(xiàn)場，因此，為了保障生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行，必須為地下作業(yè)場所提供通風(fēng)保障。而低通風(fēng)巷道進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測能夠掌握到可靠的風(fēng)速、風(fēng)力、變化規(guī)律等各項數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也是安全技術(shù)人員分析地下作業(yè)場所安全與否的憑證。若無法掌握風(fēng)速、風(fēng)力等數(shù)據(jù)就無法實現(xiàn)通風(fēng)的正常保障，即使勉強支撐起通風(fēng)巷道，也會因沒有根據(jù)實際數(shù)據(jù)開展正常保障而埋下安全隱患。其次，若不能掌握氣流的變化規(guī)律，為了采集風(fēng)力數(shù)據(jù)只能在礦井巷道中增加風(fēng)速傳感器的布置，但這樣一來不僅加大了資金和人力的投入，也會更多的占用本來應(yīng)作為運輸和行人的巷道內(nèi)空間，可謂“得不償失”。

1.通風(fēng)巷道內(nèi)斷面風(fēng)速的特點

(1)通風(fēng)巷道約光滑，低風(fēng)速區(qū)域越小

對錨噴、工字鋼等四種巷道斷面進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，巷道中低風(fēng)速區(qū)域最小的位置是通風(fēng)巷道墻壁表面最光滑的平整壁面支護巷道，以分析線為準(zhǔn)，計算氣流邊界至風(fēng)速達(dá)到80%的中心點，這個距離僅為17%。而通風(fēng)巷道壁面最為粗糙的是錨網(wǎng)錨桿支護巷道，以汾西縣為準(zhǔn)，計算氣流邊界至風(fēng)速達(dá)到80%的中心點，百分比驟然升至61%，是四種材料中低風(fēng)速區(qū)域最大的。

(2)氣流邊層流速較低

在對通風(fēng)巷道進(jìn)行氣流監(jiān)測時不難發(fā)現(xiàn)，巷道中的氣流流動時，即使同處于同一斷面，但風(fēng)速的分布是不均勻的。主要原因在于：當(dāng)巷道中有氣流流過時，會因壓力、氣體流速的影響，在巷道的邊緣形成一層十分薄的低流速層。而與之相反，在通風(fēng)巷道內(nèi)流動除邊層以外的氣流在流動時風(fēng)速較快，邊層以外的氣流風(fēng)速遠(yuǎn)高于邊層氣流的風(fēng)速，并且這種現(xiàn)象會隨著氣流的流動向軸心方向進(jìn)一步擴大[1]。

2.通風(fēng)巷道斷面風(fēng)速測定方法

(1)近似法測風(fēng)速

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機械設(shè)備的應(yīng)用也越來越普及，但在小型煤礦中仍不足以支持購買除生產(chǎn)機械以外的機械設(shè)備，因此，誕生了不依靠機械設(shè)備，完全以人為基礎(chǔ)進(jìn)行的測風(fēng)速方法。首先，近似法測風(fēng)速需要兩名測量人員的配合，由一名測量人員站在通風(fēng)巷道的上風(fēng)位置（如圖1所示），釋放具有氣味或者能夠形成煙霧的氣體，氣體會隨著通風(fēng)巷道一直流動至第二名測量人員的位置，當(dāng)?shù)诙藛T聞到氣味或看到煙霧，立即發(fā)出信號停止計時，此時，測量人員已經(jīng)掌握了距離以及時間兩個數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單的計算即可得到風(fēng)速數(shù)據(jù)。

圖1 近似法測風(fēng)速圖

(2)精確法測量風(fēng)速

為了提高風(fēng)速數(shù)據(jù)的精確性，在進(jìn)行風(fēng)速測量時測量人員常使用風(fēng)表，風(fēng)表根據(jù)其結(jié)構(gòu)件的不同，分為杯式和葉式兩種。使用該方法測量風(fēng)速需要測量人員進(jìn)入到巷道內(nèi)，以背向巷道的方向站立，在測量期間要保持風(fēng)表與風(fēng)流方向垂直，而后根據(jù)巷道斷面的實際情況，手持風(fēng)表進(jìn)行勻速運動。運動路線分為a、b、c三種（如圖2所示），需要測量人員根據(jù)現(xiàn)場實際情況和需要進(jìn)行選擇，其中a路線的測量結(jié)果最為準(zhǔn)確，而b、c兩種路線分別適合在斷面較大以及斷面較小兩種情況下使用，當(dāng)測量結(jié)束后應(yīng)立即關(guān)閉風(fēng)表[2]。此時，根據(jù)風(fēng)表的讀數(shù)和時間，測量人員只需進(jìn)行簡單計算即可得出風(fēng)表速度，而后再參照風(fēng)表的矯正曲線就能得到真正的風(fēng)速數(shù)據(jù)。

圖2 風(fēng)表在巷道斷面上的移動路線圖

3.巷道斷面風(fēng)速的分布規(guī)律

礦井巷道的形狀不僅相同，但其總體上更多趨向于圓形，如上文所訴，通風(fēng)巷道的表面上存在一層極薄的低流速層，而低流速層上又分布著風(fēng)速遠(yuǎn)大于低流速層的紊流風(fēng)流，這種現(xiàn)象是隨著氣流的流動而沿著軸心方向擴大的。為便于研究，將大于低流速層的那部分氣流稱為紊流風(fēng)速，若想求得巷道風(fēng)速只需將邊界風(fēng)速與紊流風(fēng)速的均值相加即可。

在進(jìn)行研究其間，根據(jù)數(shù)據(jù)可以得知，若想保證礦井通風(fēng)的質(zhì)量，需要保持通風(fēng)巷道的光滑，提高邊層風(fēng)區(qū)的流速，斷面風(fēng)速分布也較粗糙的巷道更為均勻，在通風(fēng)中能夠高效的排出煙塵。與之相反，在粗糙的巷道中，邊層風(fēng)區(qū)流速低，斷面風(fēng)速分布較為紊亂，因此，排煙塵能力較差[3]。

4.實際操作

為了保證研究的質(zhì)量，在盡可能滿足研究條件選擇礦山進(jìn)行分析測量，影響研究的主要因素為：風(fēng)流是否穩(wěn)定、研究現(xiàn)場周圍是否存在明顯干擾、斷面是否整齊等，在規(guī)劃測量路線時，共選擇A、B兩條測量線路，其中A路線距離地板1.5m不變，從巷道右?guī)脱厮椒较蜻_(dá)中心位置，B路線距離巷道右?guī)?.0m距離不變，從地板眼豎直方向達(dá)中心位置。根據(jù)測量結(jié)果顯示，以邊界為起始，以中心速度為結(jié)尾，風(fēng)速會因測量位置的變化而逐漸增大。并且風(fēng)速的變化是一個較為急促的過程，風(fēng)速會在靠近巷道壁面距離較近時陡然提升，并且隨著氣流遠(yuǎn)離巷道壁面，風(fēng)速的增大也在逐步提高，這個值在達(dá)到巷道中心時到達(dá)最大。據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示，相關(guān)系數(shù)的總體分布在0.783至0.956之間，在前一次的研究數(shù)據(jù)中顯示，與此次研究數(shù)據(jù)有一定出入，主要原因在于：此次研究所選通風(fēng)巷道的壁面較為整潔，技術(shù)人員為了提高通風(fēng)效果在修建通風(fēng)巷道時采用全水泥材料，并在水泥的基礎(chǔ)上涂抹油漆進(jìn)行通風(fēng)效果的進(jìn)一步提升。而前一次研究所選的通風(fēng)巷道，壁面粗糙，受通風(fēng)巷道支護影響較大，因此兩次研究之間的數(shù)據(jù)有出入。在實際研究中，數(shù)據(jù)的精確與否，影響因素是測量儀器的精密程度以及礦井下的實際風(fēng)流，在時間的變化下，風(fēng)流的數(shù)據(jù)也會產(chǎn)生變化，為實際操作研究造成影響[4]。

5.研究煤礦通風(fēng)巷道斷面風(fēng)速測定與變化規(guī)律的意義

(1)為井下施工人員提供通風(fēng)保障

隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展，當(dāng)前的礦井通風(fēng)保障早已不再是簡單運算即可得到的結(jié)果，為了高質(zhì)量的保障礦井下的通風(fēng)需要，必須得到精密的數(shù)據(jù)。井下危害最大的莫過于粉塵和有害氣體，其中有害氣體的代表即為瓦斯，煤炭是遠(yuǎn)古時代的產(chǎn)物，是由遠(yuǎn)古時期的植物遺體在深埋地下后，經(jīng)過高溫高壓的逐漸變化而產(chǎn)生的。在產(chǎn)生反應(yīng)的過程中，植物遺體會釋放以甲烷為主的可燃?xì)怏w，但又因氣體深埋地下無處排出而充斥在煤層中，隨著人們的采煤工作，瓦斯也會被釋放至施工人員能夠接觸到的位置，當(dāng)囤積瓦斯的濃度過高會造成中毒甚至爆炸的問題。因此，通風(fēng)保障是井下安全生產(chǎn)的首要條件，而研究風(fēng)速數(shù)據(jù)以及風(fēng)速的變化規(guī)律能夠為通風(fēng)管理工作提供全面的數(shù)據(jù)支持，讓通風(fēng)工作更為科學(xué)化。

(2)為施工人員提供更舒適的工作環(huán)境

在煤礦的井下施工中，施工人員常常需要在地下千百米的位置進(jìn)行作業(yè)，正常情況下空氣很難抵達(dá)這個位置，必須借助通風(fēng)設(shè)備這一外力。在改善施工人員工作環(huán)境上，主要體現(xiàn)在兩個方面：一、為施工人員供氧，氧氣是人類生存的基本需求，施工人員在地下位置較深，正常情況下氧氣很難輸送至這個位置，必須通過通風(fēng)設(shè)備，讓地面的空氣與礦井下的空氣流動，為施工人員提供工作的必須條件。二、緩解施工場地潮濕，因位置深處地下，礦井下對陽光和溫度是一種“奢望”，同時，伴隨著底層夾雜的水流影響，導(dǎo)致礦井下的潮濕問題十分嚴(yán)重[5]。進(jìn)行必要的通風(fēng)，能夠?qū)⑼饨绺伤目諝鈳е恋V井下，通過通風(fēng)帶走一部分的潮濕空氣，減緩礦井下的潮濕情況，提升施工人員的工作環(huán)境。

6.結(jié)束語

通風(fēng)是煤礦生產(chǎn)運行的基本保障之一，通過研究表明，若想為礦井下工作場所提供更優(yōu)質(zhì)的通風(fēng)保障，在建設(shè)時應(yīng)更多得選擇建造壁面光滑、沒有障礙物影響的通風(fēng)巷道，為煤礦的生產(chǎn)和發(fā)展提供助力。