李村礦通風(fēng)阻力測(cè)定分析

薛 松 和衛(wèi)紅 李英綺

（1.山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)系統(tǒng)工程研究所，遼寧 葫蘆島 125105）

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中不可或缺的環(huán)節(jié)，整體通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)需要為井下作業(yè)人員持續(xù)提供充足的新鮮空氣，打造一個(gè)良好的工作環(huán)境[1]。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)阻力是最為常見(jiàn)的問(wèn)題，作為測(cè)量礦井通風(fēng)的主要指標(biāo)之一，其阻力值的大小很大程度上直接影響煤礦的生產(chǎn)安全[2]。因此，對(duì)礦井通風(fēng)阻力的測(cè)定至關(guān)重要，也是調(diào)查研究礦井通風(fēng)系統(tǒng)、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、強(qiáng)化礦井通風(fēng)安全管理的主要手段[3]。

李村煤礦位于山西省長(zhǎng)子縣境內(nèi)，成立于2005年，隸屬于潞安集團(tuán)，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為300 萬(wàn)t/a[4]。李村礦井井田開(kāi)拓主要為立井開(kāi)拓，礦井現(xiàn)有5 個(gè)井筒，3 進(jìn)2 回，分別為主井、副井、中央風(fēng)井、堯神溝進(jìn)風(fēng)井、堯神溝回風(fēng)井。井下實(shí)行分區(qū)通風(fēng)，采用3 進(jìn)2 回通風(fēng)系統(tǒng)，采掘工作面均實(shí)現(xiàn)獨(dú)立通風(fēng)。礦井通風(fēng)方式為分區(qū)式通風(fēng)，礦井通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。主井、副井和堯神溝進(jìn)風(fēng)井為進(jìn)風(fēng)井，中央風(fēng)井和堯神溝回風(fēng)井為回風(fēng)井。中央風(fēng)井擔(dān)負(fù)一采區(qū)和西翼采區(qū)回風(fēng)任務(wù)，堯神溝回風(fēng)井擔(dān)負(fù)二采區(qū)回風(fēng)任務(wù)。

1 測(cè)定方案

1.1 測(cè)定布置原則

在礦井通風(fēng)阻力測(cè)定的過(guò)程中，有很多干擾因素會(huì)影響測(cè)定值的精確性[5]。因此，測(cè)點(diǎn)的選擇應(yīng)充分反映礦井巷道的實(shí)際情況，應(yīng)盡可能地選擇在巷道支護(hù)完好、斷面規(guī)整、前后無(wú)雜物、風(fēng)流穩(wěn)定的斷面內(nèi)，且應(yīng)在風(fēng)流的分岔點(diǎn)及局部阻力大的地點(diǎn)前后布置測(cè)點(diǎn)[6]。

1.2 測(cè)定路線

為了保證礦井通風(fēng)阻力測(cè)定值的準(zhǔn)確性，測(cè)定路線的選取一定要嚴(yán)謹(jǐn)且精確。根據(jù)風(fēng)阻測(cè)定路線的相關(guān)原則，所選路線需要滿足通風(fēng)線路長(zhǎng)、風(fēng)量大、能夠準(zhǔn)確反映通風(fēng)狀況此三點(diǎn)要求[7]。根據(jù)以上原則，并結(jié)合李村礦的實(shí)際情況以及通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，即由主井、副井、中央風(fēng)井、堯神溝進(jìn)風(fēng)井、堯神溝回風(fēng)井共同通風(fēng)，本次礦井通風(fēng)阻力測(cè)定路線選擇涵蓋礦井的2 條最大阻力路線。最大阻力路線具體如下：

路線1：副井—南翼軌道石門(mén)—南翼軌道大巷—一采區(qū)輔運(yùn)聯(lián)巷—一采區(qū)輔運(yùn)巷—一采區(qū)輔運(yùn)下山—1305 進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷—1305 進(jìn)風(fēng)巷—1305 工作面—1305 回風(fēng)巷—一采區(qū)回風(fēng)下山—一采區(qū)回風(fēng)巷—南翼2#回風(fēng)巷—中央風(fēng)井。

路線2：堯神溝進(jìn)風(fēng)井—二采區(qū)輔運(yùn)聯(lián)巷—二采區(qū)輔運(yùn)巷—2303 進(jìn)風(fēng)巷—2303 工作面—2303 回風(fēng)巷—二采區(qū)回風(fēng)措施巷—二采區(qū)2#回風(fēng)巷—堯神溝回風(fēng)井。

2 測(cè)定參數(shù)

在處理礦井通風(fēng)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)的過(guò)程中，使用的公式較為繁多。根據(jù)上文所選擇的測(cè)定方法，并結(jié)合文獻(xiàn)[8]中的理論基礎(chǔ)，本次通風(fēng)阻力的測(cè)量參數(shù)為氣壓（Pa）、空氣密度（kg/m3）、空氣相對(duì)濕度（%）、空氣溫度（℃）、測(cè)定平均風(fēng)速（m/s）、測(cè)段長(zhǎng)度（m）等數(shù)據(jù)。最后結(jié)合風(fēng)速、飽和水蒸氣、空氣密度、標(biāo)高、壓差等計(jì)算礦井靜壓差、位壓差、速壓差，三者相加得出通風(fēng)阻力數(shù)值[9]。各參數(shù)計(jì)算公式如下：

（1）空氣密度

其中：ρ為空氣密度，kg/m3；P0為測(cè)點(diǎn)的大氣壓力，Pa；φ為空氣相對(duì)濕度，%；Ps為測(cè)點(diǎn)溫度為t ℃時(shí)，空氣的絕對(duì)飽和水蒸氣壓力，Pa；t為空氣溫度，℃。

（2）靜壓差

其中：Δhs為兩測(cè)點(diǎn)間的靜壓差，Pa；PA、PB為兩測(cè)點(diǎn)上兩臺(tái)儀器的同時(shí)讀數(shù)值，Pa；ΔP為兩臺(tái)儀器的基準(zhǔn)及變檔差值校正，Pa。

（3）位壓差

其中：Δhz為兩測(cè)點(diǎn)間的位壓差，Pa；ZA、ZB為兩測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高，m；ρA、ρB為兩測(cè)點(diǎn)的空氣密度，kg/m3。

（4）速壓差

其中：Δhv為兩測(cè)點(diǎn)間的速壓差，Pa；ρA、ρB為兩測(cè)點(diǎn)的空氣密度，kg/m3；VA、VB為兩測(cè)點(diǎn)斷面上的平均風(fēng)速，m/s。

（5）通風(fēng)阻力

其中：hAB為兩測(cè)點(diǎn)間的通風(fēng)阻力，Pa；Δhs為兩測(cè)點(diǎn)間的靜壓差，Pa；Δhz為兩測(cè)點(diǎn)間的位壓差，Pa；Δhv為兩測(cè)點(diǎn)間的速壓差，Pa。

（6）巷道風(fēng)阻

其中：R為兩測(cè)點(diǎn)間的風(fēng)阻，N·s2/m8；h為礦井通風(fēng)阻力，Pa；q為兩測(cè)點(diǎn)間風(fēng)量的算術(shù)平均值，m3/s。

（7）巷道百米標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)阻

其中：R100為巷道百米標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)阻，N·s2/m8；R為兩測(cè)點(diǎn)間的風(fēng)阻，N·s2/m8；L為兩測(cè)點(diǎn)間的距離，m。

3 通風(fēng)分析

3.1 精度分析

通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果需進(jìn)行精度分析。井下采集數(shù)據(jù)處理后，由礦井通風(fēng)阻力、風(fēng)機(jī)裝置靜壓、自然風(fēng)壓、風(fēng)硐動(dòng)壓解算出系統(tǒng)測(cè)定誤差，誤差結(jié)果應(yīng)符合均小于5%的測(cè)定要求。測(cè)定誤差結(jié)果見(jiàn)表1。

據(jù)表1 可得，2 條主測(cè)路線的系統(tǒng)測(cè)定誤差分別為路線1：1.21%、路線2：2.28%，系統(tǒng)測(cè)定誤差全部小于5%的誤差范圍，說(shuō)明本次通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果精度高，符合測(cè)定要求。

表1 系統(tǒng)測(cè)定誤差表

3.2 三區(qū)分布

礦井進(jìn)風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)、回風(fēng)區(qū)[10]（三區(qū)）阻力分布的百分比情況直觀反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理的優(yōu)劣，衡量一個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否。新建礦井的三段比例一般為進(jìn)風(fēng)區(qū)25%、用風(fēng)區(qū)45%、回風(fēng)區(qū)30%。隨著礦井使用年限增加，因礦井開(kāi)拓、巷道變形、雜物管理不當(dāng)?shù)仍?，?dǎo)致三區(qū)分布不標(biāo)準(zhǔn)，總體來(lái)說(shuō)，回風(fēng)阻力不超過(guò)總阻力的50%為基本合理。三區(qū)分布結(jié)果如圖1。

圖1 三區(qū)分布圖

從上圖中可以看出：2 條路線進(jìn)風(fēng)區(qū)阻力占總阻力的35.78%、25.88%，用風(fēng)區(qū)的阻力所占的百分比為37.24%、39.86%，回風(fēng)區(qū)的阻力占總阻力的26.98%、34.26%。李村煤礦部分巷道較不規(guī)整，局部巷道斷面較小，通風(fēng)阻力較大，應(yīng)在巷道壁面較不規(guī)整、局部巷道斷面較小的巷道段適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)刷斷面從而降低局部阻力。總體上看礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布基本合理。

3.3 礦井有效風(fēng)量率

安全生產(chǎn)要求礦井通風(fēng)保證井下人員、機(jī)器設(shè)施的用風(fēng)需求，保證回采工作面、掘進(jìn)工作面、硐室及其他用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量需求。礦井有效風(fēng)量率[5]是風(fēng)流通過(guò)井下用風(fēng)地點(diǎn)實(shí)際風(fēng)量總和占礦井總進(jìn)風(fēng)量的比例，要求高于85%。李村礦井有效風(fēng)量率見(jiàn)表2。

表2 礦井有效風(fēng)量率表

從表2 可以得出：李村礦井2 條主路線的礦井內(nèi)部有效風(fēng)量率均高于85%，礦井總進(jìn)風(fēng)量滿足用風(fēng)需求，可以保證煤礦安全生產(chǎn)的正常運(yùn)行。礦井風(fēng)量分配見(jiàn)表3。

表3 礦井風(fēng)量分配

3.4 礦井等積孔與風(fēng)阻

礦井等積孔、風(fēng)阻計(jì)算公式：

其中：A為礦井等積孔，m2；Q為礦井總回風(fēng)量，m3/s；h為礦井通風(fēng)阻力，Pa。

李村礦井等積孔、風(fēng)阻結(jié)果見(jiàn)表4。路線1 和路線2 的等積孔分別為10.94、10.15，風(fēng)阻分別為0.012、0.014。

表4 礦井等積孔及風(fēng)阻表

依據(jù)《礦井通風(fēng)難易程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》可知，李村礦井2 條主測(cè)路線礦井等積孔均大于2 m2，風(fēng)阻均小于0.35 N·s2/m8，李村礦井為容易通風(fēng)礦井。

4 結(jié)論和建議

（1）經(jīng)計(jì)算，李村礦2 條主測(cè)路線的系統(tǒng)測(cè)定誤差均小于5%，說(shuō)明本次通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確且符合要求。

（2）整體來(lái)看，李村礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布基本合理，礦井內(nèi)部有效風(fēng)量率均高于85%且總進(jìn)風(fēng)量滿足用風(fēng)需求，通風(fēng)系統(tǒng)良好，可保證煤礦正常安全生產(chǎn)。

（3）從礦井等積孔和風(fēng)阻值看，主測(cè)路線等積孔均大于2 m2，風(fēng)阻值均小于0.35 N·s2/m8，為容易通風(fēng)礦井。

（4）針對(duì)由于局部巷道斷面較小造成通風(fēng)阻力較大的問(wèn)題，應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)刷巷道斷面，加強(qiáng)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理和日常監(jiān)測(cè)，確保通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。