回風大巷示蹤氣體測試礦井外部漏風率的最短采樣檢測距離研究

蘭錦江，劉彥青，王俊峰，張 浪，雷殿志，王 飛

(1.烏審旗蒙大礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017305；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；4.中煤西北能源有限公司技術管理部，內蒙古 鄂爾多斯 017307)

《煤礦安全規程》第158條規定：“主要通風機必須安裝在地面，裝有通風機的井口必須封閉嚴密，其外部漏風率在無提升設備時不得超過5%，有提升設備時不得超過15%”。礦井外部漏風率直接反映地面主通風機風量的有效利用率，礦井外部漏風率增大會導致主通風機能耗增大，減小外部漏風率對于礦井通風系統具有重要意義。礦井外部漏風率測試方法主要包括風量直接測定法、示蹤氣體法、瓦斯等值法、精密測風儀表法、漏風路線風阻法、風機房水柱計法等[1]，部分學者[2-4]采用風量直接測定法實測了礦井外部漏風率及漏風源分布情況，但該方法受當前巷道風量測試方法及技術裝備制約，測試精度偏低；孟璋等[5]采用瓦斯等值法實測了礦井外部漏風率，該方法受瓦斯濃度檢測技術制約，瓦斯濃度檢測精度僅為0.02%，測試精度偏低；還有學者[6-8]采用示蹤氣體法實測了工作面采空區漏風規律，SF6示蹤氣體濃度檢測精度能夠達到10-9m3/m3級別。綜上所述，采用示蹤氣體法測試礦井外部漏風率是現階段準確性最高的方法，示蹤氣體采樣檢測位置處巷道風流中示蹤氣體是否分布均勻會直接決定礦井外部漏風率測試結果的準確性，從示蹤氣體釋放位置到風流中示蹤氣體達到均勻分布狀態所在巷道位置之間的巷道長度稱為示蹤氣體最短采樣檢測距離。對于回風立井系統而言，只能選擇與回風立井相連的回風大巷內進行示蹤氣體采樣檢測，回風大巷通常會布置一些風門風窗等通風設施或者風流匯入巷道岔口，不含示蹤氣體的風流進入回風大巷會影響回風大巷風流中示蹤氣體的彌散過程，不利于回風大巷風流中示蹤氣體達到均勻分布狀態，示蹤氣體采樣檢測過程中應該避開風門風窗這類漏風點和風流匯入巷道岔口，這樣會導致能夠進行示蹤氣體采樣檢測的巷道長度縮短，與“示蹤氣體法中采樣檢測距離越遠，測試結果準確性越高”的測試特點相矛盾，準確計算示蹤氣體采樣檢測有效長度有限的回風大巷內示蹤氣體最短采樣檢測距離對于準確測試礦井外部漏風率具有重要的指導價值。

1 納林河二號礦井工程概況

納林河二號礦井位于鄂爾多斯高原東南部，為低瓦斯礦井，礦井采用抽出式通風方法，礦井通風方式為分區式，一號回風井總回風量為中央一號回風大巷和中央二號回風大巷風量之和，二號回風井總回風量為3-1上回風大巷東西兩段風量之和。

2 礦井外部漏風率測試方案制定及研究問題提出

2.1 漏風率測試方案制定及測試誤差分析

礦井地面主通風機外部漏風位置包括回風井防爆門、風硐與風機風道接口、回風井風硐等，在地面主通風機葉片之前的回風立井、風硐、風機風道處于負壓狀態，在地面主通風機葉片之后的風機風道、風機擴散塔處于正壓狀態，礦井地面主通風機主要外部漏風量為回風井防爆門漏風量和回風井風硐漏風量，漏風方向為外界向回風井內和風硐內漏風，如圖1所示。

圖1 回風立井、風硐、風機風道漏風機制示意圖Fig.1 Air leakage mechanism of return-air vertical shaft,air roadway and fan air duct

按式(1)計算多回風巷型回風立井地面主通風機外部漏風率，測試方法包括風量測試法和示蹤氣體測試法。對于多回風巷型回風立井，根據質量守恒定律可知回風巷內示蹤氣體流量等于風機風流示蹤氣體流量，分別在與回風井相連的每條回風巷內釋放示蹤氣體，實測該回風巷示蹤氣體濃度和風機擴散塔出口示蹤氣體濃度，按式(2)計算得到主通風機外部漏風率。

(1)

(2)

示蹤氣體法測試誤差主要原因是回風立井各回風大巷風量與風機風量比值的測試時間不同步，測試時間間隔可能達到數小時，在數小時之內除通風系統巷道貫通、通風設施故障之外，通風系統風量不會發生大幅度變化。通風網絡風量由通風網絡風阻和地面主通風機決定，數小時之內地面大氣壓波動會使通風網絡中所有巷道分支風量以相同的比例增加或減小，地面大氣壓波動理論上對回風立井的各回風巷風量與風機風量比值影響可以忽略；井下車輛行駛、人員活動會引起通風網絡局部區域風阻發生改變，會導致通風網絡局部區域巷道分支風量發生改變，可能會導致回風井各條回風巷風量與風機風量比值發生改變，會產生一定的測試誤差。

2.2 研究問題提出

礦井外部漏風率測試中，地面示蹤氣體濃度采樣檢測位置選擇在主通風機擴散塔出口是合理的，擴散塔出口位置示蹤氣體分布是均勻的，含示蹤氣體風流在流經風機風葉區域過程中，高速旋轉的風機風葉會使示蹤氣體與風流均勻混合，風機葉片之后風道由負壓變為正壓，含示蹤氣體風流由風機風道內會向外界漏風，不會影響示蹤氣體在風機風流中的均勻分布情況。

納林河二號礦井一號回風井和二號回風井風流均是由兩條回風大巷風流在井底匯合然后直接進入回風立井井筒，由于回風立井井筒內無法進行示蹤氣體采樣測試，井下示蹤氣體采樣檢測位置只能布置在與回風立井緊連的回風大巷內，回風大巷與進風巷之間大量的風門或風窗設施會導致與回風立井緊連的回風大巷無風流交匯區段的巷道長度范圍僅為450～580 m。為了采用示蹤氣體測試法準確測得納林河二號礦井回風立井地面主通風機外部漏風率，必須科學研究確定納林河二號礦井回風大巷實際條件下示蹤氣體的最短采樣檢測距離。基于此，筆者采用理論公式計算、CFD數值模擬計算兩種方法計算納林河二號礦井回風大巷內示蹤氣體的最短采樣檢測距離，并通過現場實測結果評判兩種回風大巷內示蹤氣體最短采樣檢測距離計算方法的現場應用可靠性。

3 回風大巷內SF6氣體最短采樣檢測距離計算研究

3.1 回風大巷內SF6氣體最短采樣檢測距離理論計算法

井下回風大巷內示蹤氣體采樣檢測位置處巷道斷面內示蹤氣體的均勻分布程度與示蹤氣體釋放位置到采樣檢測位置之間巷道距離、風速、巷道斷面尺寸等眾多因素密切相關密切。當示蹤氣體采樣檢測位置處巷道壁面處示蹤氣體濃度與巷道斷面中心處示蹤氣體濃度之比達到0.95時，認為示蹤氣體在巷道斷面內已經達到均勻分布。距釋放位置xm處巷道斷面中心處示蹤氣體濃度按式(3)計算，距釋放位置xm處距巷道壁面處示蹤氣體濃度按式(4)計算，式(5)為忽略邊界條件影響條件下距離釋放位置xm處距離巷道壁面處示蹤氣體濃度計算公式。為了保證理論公式計算結果的準確性，計算中所使用的參數通過現場測試進行取值。實測各回風大巷的風速、斷面積、周長，測試結果見表1，以巷道斷面積、巷道周長計算巷道當量半徑，根據風流中SF6氣體最佳檢測濃度(2×10-8m3/m3)、實際巷道風速、實際巷道斷面積計算SF6氣體釋放量，計算結果見表1。聯立式(3)～式(6)，求解得到各回風大巷的SF6氣體最短采樣檢測距離，計算結果見表1，根據計算結果可知中央二號回風大巷和3-1上煤層回風大巷東段的SF6氣體有效采樣檢測巷道長度小于SF6氣體最短采樣檢測距離計算結果，計算結果表明，采用示蹤氣體法無法準確測試礦井外部漏風率。

表1 SF6氣體最短采樣距離計算結果Table 1 Calculation results of the shortest sampling distance of SF6 gas

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(6)

式中：c(x,0)為距離釋放點xm處巷道中心處SF6濃度，%；c(x,r)為距離釋放點xm處巷道壁面處示蹤氣體濃度，%；c0(x,r)為忽略邊界條件影響條件下距離釋放點xm處巷道壁面處SF6濃度，%；x為距離SF6釋放位置的距離，m；r為實際巷道當量半徑，m；u為實際巷道風速，m/s；q為SF6氣體釋放量，mL/min；Dr為徑向紊流系數，取0.52[6]。

3.2 回風大巷SF6氣體最短采樣距離CFD模擬法

1) 幾何模型構建及網格劃分。以納林河二號礦井一號回風井和二號回風井的各回風大巷為現場原型建立CFD數值計算模型，利用GAMBIT建模軟件分別建立回風大巷的巷道模型，幾何建模中考慮了回風大巷內的排水管道，巷道幾何模型局部區域及網格劃分情況如圖2所示，一號回風井和二號回風井各回風大巷具體的幾何模型尺寸數據見表2。

圖2 模型局部區域及網格劃分情況Fig.2 Local area and mesh generation of geometric model

表2 回風大巷幾何模型尺寸參數Table 2 Dimension parameters of geometric modelof return air main roadway

2) 物理數學建模。聯立連續性方程、動量守恒N-S方程、能量守恒方程、組分質量守恒方程、湍流模型方程，建立巷道內SF6氣體彌散過程控制方程組，巷道內風流為紊流狀態，由于巷道為受限空間且排水管道存在使得巷道風流場邊界條件十分復雜，湍流模型采用REGk-ε模型，該模型適用于計算高應變率及流線彎曲程度大的流體流動過程。計算模型邊界條件設置見表3，邊界條件和控制方程組構成了能夠計算回風大巷SF6氣體彌散運移過程的CFD計算模型，SF6氣體釋放位置布置在距巷道底板1 m處巷道中心位置。

表3 計算模型邊界條件Table 3 Boundary conditions of calculation model

3) 數值模擬結果分析。以各回風大巷實測風速作為數值模擬中回風大巷風速條件。根據巷道風速、巷道斷面積、風流中SF6氣體最佳檢測濃度(取2×10-8m3/m3)計算SF6氣體釋放源量，保證各回風巷道斷面內SF6氣體濃度平均值為2×10-8m3/m3(即nave)。圖3為SF6氣體釋放條件下距釋放源位置不同距離處巷道斷面內SF6氣體濃度在[0.95nave，1.05nave]的分布區域，巷道斷面為同一顏色時說明巷道斷面內SF6氣體達到均勻分布狀態，距釋放源越遠，巷道斷面內顏色分布越均勻，必須在顏色分布完全均勻的巷道斷面處進行SF6氣體采樣檢測，才能保證準確測得回風大巷內風流中SF6氣體平均濃度值。

圖3 距釋放位置不同距離處巷道斷面SF6氣體平均分布濃度分布區域Fig.3 Average concentration distribution area of SF6 gas in roadway sectionat different distance from release location

巷道斷面風速場分布情況如圖4所示。由圖4可知，各回風大巷斷面內風速是非均勻分布的，這會影響SF6氣體在巷道斷面內的彌散過程。各回風大巷的最短采樣檢測距離數值模擬結果見表1，根據公式計算法得到的各回風大巷最短采樣檢測距離均小于各回風大巷的SF6氣體有效采樣檢測段巷道長度，計算結果表明，采用SF6示蹤氣體法能夠測試礦井外部漏風率。

圖4 巷道斷面風速場分布情況Fig.4 Distribution of wind speed field in roadway section

4 SF6氣體最短采樣距離計算方法的準確性驗證

為了對比分析兩種示蹤氣體最短采樣檢測距離計算方法的準確性，在地面主通風機外部漏風率現場實測過程中分別對兩種方法計算所得的最短采樣檢測距離處以及最短采樣距離向前20 m的巷道斷面內SF6氣體濃度進行實測，巷道斷面內SF6氣體濃度檢測采樣位置布置如圖5所示，SF6氣體濃度檢測結果見表4和表5。實測結果顯示，采用CFD數值模擬計算確定的四條回風大巷最短采樣檢測距離處巷道斷面內SF6氣體達到均勻分布狀態，而最短采樣距離向前20 m處巷道斷面內SF6氣體尚未達到均勻分布狀態；采用理論公式計算確定的3-1上煤層回風大巷西段最短采樣距離處巷道斷面內示蹤氣體未達到均勻分布狀態，中央一號回風大巷最短采樣距離處巷道斷面內示蹤氣體達到均勻分布狀態，其余兩條回風大巷的最短采樣檢測距離均超過各條回風大巷的示蹤氣體采樣檢測的有效長度，無法進行現場實測。實測結果表明能夠采用SF6示蹤氣體法進行礦井外部漏風率測試。

表4 最短采樣檢測距離對應的巷道斷面內SF6氣體濃度實際檢測值Table 4 Actual detection value of SF6 gas concentration in the roadway section correspondingto the shortest sampling distance calculated

表5 最短采樣檢測距離向前20 m處巷道斷面內SF6氣體濃度實際檢測值Table 5 Actual detection value of SF6 gas concentrationin roadway section 20 m ahead of the shortest samplingdistance calculated

圖5 SF6氣體檢測位置圖Fig.5 Layout of SF6 gas detection position

研究表明，示蹤氣體最短采樣檢測距離CFD數值模擬計算結果準確性明顯高于理論公式計算法，對于示蹤氣體有效采樣檢測長度有限的巷道可采用CFD數值模擬方法計算考察示蹤氣體最短采樣檢測距離，以確定能否采用示蹤氣體測試法進行礦井外部漏風率測試。以CFD數值模擬方法確定的SF6氣體最短采樣檢測距離進行礦井外部漏風率測試，一號回風井地面主通風機外部漏風率示蹤氣體法測試結果為2.62%，二號回風井地面主通風機外部漏風率示蹤氣體法測試結果為2.75%。

5 結 論

1) 以現場風速、巷道斷面尺寸等實測數據為輸入參數，采用理論公式法直接計算得到各回風大巷內SF6氣體最短采樣檢測距離，計算結果顯示一號回風立井和二號回風立井均不宜采用示蹤氣體法測試礦井外部漏風率。以現場實測數據為建模參數，構建了回風大巷SF6氣體彌散運移過程CFD數值計算模型，通過模擬各回風大巷內SF6氣體濃度場分布情況，確定了各回風大巷內SF6氣體最短采樣檢測距離，計算結果顯示一號回風立井和二號回風立井均可以采用示蹤氣體法測試礦井外部漏風率。

2) 現場實測結果顯示采用CFD數值模擬法計算確定的回風大巷最短采樣檢測距離處巷道斷面內SF6氣體均達到均勻分布狀態，理論公式法計算結果與實際之間的偏差明顯大于CFD數值模擬法計算結果，研究表明采用CFD數值模擬法能夠準確計算回風大巷內示蹤氣體的最短采樣檢測距離，采用CFD數值模擬法能夠對礦井外部漏風率示蹤氣體測試法的現場適用性進行科學論證。