淺談礦井通風阻力產生的原因及降低阻力的方法

楊加偉

(貴州省勞動保護科學技術研究院,貴州遵義市 563000)

淺談礦井通風阻力產生的原因及降低阻力的方法

楊加偉

(貴州省勞動保護科學技術研究院,貴州遵義市 563000)

礦井通風阻力對礦井通風效果及其經濟效益有嚴重的影響。合理選擇巷道參數,采取有效措施,可降低礦井通風阻力,提高礦山經濟效益。分析了礦井通風阻力產生的原因,提出了降低通風阻力的方法。

礦井通風;摩擦阻力;局部阻力;巷道參數;降阻措施

0 前 言

礦井通風阻力是影響礦井通風的重要因素,通風阻力越大,損失的能量越多。根據我國對617對井口和1023個風井的調查和統計,有40%的礦井通風阻力屬于中阻力和大阻力礦井,個別礦井的通風電耗甚至占到了礦井總電耗的50%。因此,無論是在礦井設計還是在實際生產中,都要想方設法分析阻力產生的原因及制定實施降低通風阻力的方案,以減少能量損失及降低對礦井通風的影響。本文首先分析了礦井通風阻力產生的直接原因,然后有針對性的提出降低礦井通風阻力的方法。

1 礦井通風阻力產生的原因

通常情況下礦井通風阻力分為摩擦阻力和局部阻力兩類,它們與風流的狀態有關系。一般情況下,摩擦阻力是礦井通風總阻力的主要組成部分。

1.1 摩擦阻力

風流在井巷中流動時,沿程受到井巷固定壁面的限制,引起內外摩擦,因而產生阻力,這種阻力叫摩擦阻力。

流體在運動中有層流流動和紊流流動兩種不同的狀態。層流,是指流體各層的質點相互不混合,呈流束狀,為有秩序地流動,各流束的質點沒有能量交換。質點的流動軌跡為直線或有規則的平滑曲線,并與其通道軸線方向基本平行。紊流和層流相反,流體質點在流動過程中有強烈混合和相互碰撞,質點之間有能量交換,質點的流動軌跡極不規則,除了有總流方向的流動外,還有垂直或斜交總流方向的流動,流體內部存在著時而產生、時而消失的渦流。

根據前人的實驗,水流在各種粗糙面、平直的圓內流動,當Re≤2000時,水流呈層流狀態;當Re＞2000時,水流開始向紊流過渡,故稱2000為臨界雷諾系數;當Re≥10000時,水流呈完全的紊流。把這些數值近似應用于風流,便可以大致估算出風流在各種狀態下的平均風速。例如某巷道的斷面積S=2.5m2,周長U=6.58m,風流的運動粘性系數ν=14.4×10-6m2/s。則可以估算出風流開始向紊流過渡的平均風速大約為0.019m/s。由于井巷中最低風速大都在0.95m/s以上,而且大多數井巷的斷面都大于2.5m2,故井巷風流不會出現層流狀態,多數完全是紊流,只有一小部分風流可能處于向完全紊流過渡的狀態。

在完全紊流狀態下,摩擦阻力的計算公式是:

式中:h摩——摩擦阻力,Pa;

S——巷道的斷面,m2;

U——巷道的周界,m;

L——巷道的長度,m;

Q——巷道的風量,m3/s。

對于已經確定的井巷,巷道的長度L、周長U、斷面S以及巷道的支護形式(摩擦阻力系數α)都是確定的,把L、U、S用一個參數R摩來表示,得到下式:

式中:R摩——摩擦風阻,N·S2/m8。

顯然R摩是空氣密度、巷道的粗糙程度、斷面積、斷面周長、井巷長度等參數的函數。當這些參數確定時,摩擦風阻R摩值是固定不變的。所以,可將R摩看作反映井巷幾何特征的參數,它反映的是井巷通風的難易程度。

上式就是完全紊流時摩擦阻力定律,它說明了當摩擦風阻一定時,摩擦阻力與風量的平方成正比。

1.2 局部阻力

在風流運動過程中,由于井巷邊壁條件的變化,風流在局部地區受到局部阻力物(如巷道斷面突然變化、風流分叉與交匯、斷面堵塞等)的影響和破壞,引起風流流速大小、方向和分布的突然變化,導致風流本身產生很強的沖擊,形成極為紊亂的渦流,造成風流能量損失,這種均勻穩定風流經過某些局部地點所造成的附加的能量損失,就叫做局部阻力。

井下巷道千變萬化,產生局部阻力的地點很多,有巷道斷面的突然擴大與縮小(如采區車場、井口、調節風窗、風橋、風硐等),巷道的各種拐彎(如各類車場、大巷、采區巷道、工作面巷道等),各類巷道的交叉、交匯(如井底車場、中部車場)等等。在分析產生局部阻力原因時,常將局部阻力分為突變類型和漸變類型兩種,如圖1所示。圖中a、b屬于突變類型,c、d屬于漸變類型。

圖1 巷道的漸變和突變

紊流流體通過突變部位時,由于慣性的作用,不能隨從邊壁突然變化,出現主流與邊壁脫離的現象,在主流與邊壁間形成渦流區。產生的大尺度渦流,不斷被主流帶走,補充進去的流體,又形成新的渦流,因而增加了能量損失,產生局部阻力。

2 降低礦井通風阻力的方法

2.1 降低摩擦阻力的措施

(1)減少摩擦阻力系數。礦井通風設計時盡量選用摩擦阻力系數較小的支護方式,如錨噴、砌碹、錨桿、錨鎖、鋼帶等。施工時一定要保證施工質量,應盡量采用光面爆破技術,盡可能使井巷壁面平整光滑,使井巷壁面的凹凸度不大于50mm。對于支架巷道,要注意支護質量,支架不僅要整齊一致,有時還要剎幫背頂,并且要注意支護密度。及時修復被破壞的支架,失修率不大于7%。在不設支架的巷道,一定注意把頂板、兩幫和底板修整好,以減少摩擦阻力。

(2)選擇適中的井巷風量。因為摩擦阻力與風量的平方成正比,因此在通風設計和技術管理過程中,不能隨意增大風量,各用風地點的風量在保證安全生產要求的條件下,應盡量減少。掘進初期用局部通風機通風時,要對風量加以控制。及時調節主通風機的工況,減少礦井富裕總風量。避免巷道內風量過于集中,要盡可能使礦井的總進風早分開、總回風晚匯合。

(3)選用周界較小的井巷斷面。在井巷斷面相同的條件下,圓形斷面的周長最小,拱形次之,矩形和梯形的周長較大。因此,在礦井通風設計時,一般要求立井井筒采用圓形斷面,斜井、石門、大巷等主要井巷采用拱型斷面,次要巷道及采區內服務年限不長的巷道可以考慮矩形和梯形斷面。

(4)保證井巷通風斷面。因為摩擦阻力與通風斷面積的3次方成反比,所以擴大井巷斷面能大大降低通風阻力,當井巷通過的風量一定時,井巷斷面擴大33%,通風阻力可減少一半,故常用于主要通風路線上高阻力段的減阻措施中。當受到技術和經濟條件的限制,不能任意擴大井巷斷面時,可以采用雙巷并聯通風的方法。在日常通風管理工作中,要經常修整巷道,減少巷道堵塞物,使巷道清潔、完整、暢通,保持巷道足夠斷面。

(5)減少巷道長度。因為巷道的摩擦阻力與巷道長度成正比,所以在礦井通風設計和通風系統管理時,在滿足開拓開采的條件下,要盡量縮短風路長度,及時封閉廢棄的舊巷和采空區,及時對生產礦井通風系統進行改造,選擇合理的通風方式。

(6)使用并聯風道通風。在礦井通風中,采用并聯風道,如圖2所示。采用并聯風道的礦井通風風阻可用以下公式表示:

圖2 并聯風道

式中:R并——巷道并聯后的風阻,N·S2/m8;

R1——巷道1的風阻,N·S2/m8;

R2——巷道2的風阻,N·S2/m8。

顯然,R并＜R1,R并＜R2。當主扇風機安裝葉片角度一定時,并聯風道法可以降低通風阻力,改善礦井通風系統。

2.2 降低局部阻力的措施

產生局部阻力的直接原因,是由于局部阻力地點巷道斷面的變化,引起了井巷風流速度的大小、方向、分布的變化。因此,降低局部阻力就是改善局部阻力物斷面的變化形態,減少風流流經局部阻力物時產生的劇烈沖擊和巨大渦流,減少風流能量損失,主要措施如下。

(1)最大限度減少局部阻力地點的數量。井下盡量少使用直徑很小的鐵風橋,減少調節風窗的數量;應盡量避免井巷斷面的突然擴大或突然縮小,斷面比值要小。

(2)當連接不同斷面的巷道時,要把連接的邊緣做成斜線或圓弧型(見圖3)。巷道拐彎時,轉角越小越好,在拐彎的內側做成斜線型和圓弧型。要盡量避免出現直角彎。巷道盡可能避免突然分叉和突然匯合,在分叉和匯合處的內側也要做成斜線或圓弧型。

圖3 巷道連接處

(3)減少局部阻力地點的風流速度及巷道的粗糙程度,在巷道表面粗糙的地方應適當降低風流速度以減小阻力。

(4)減少井巷正面阻力物,及時清理巷道中的堆積物,采掘工作面所用材料要按需使用,不能集中堆放在井下巷道中。巷道管理要做到無雜物、無淤泥、無片幫,保證有效通風斷面。在可能的條件下盡量不使成串的礦車長時間地停留在主要通風巷道內,以免阻擋風流,使通風狀況惡化。

3 結 論

貴州省煤礦多屬于小煤礦,設計之初由于沒有合理選擇巷道斷面、形狀及支護類型,有50%以上的礦井通風阻力屬于中阻力和大阻力礦井,個別礦井的通風電耗甚至占到了礦井總電耗的55%。近年來,貴州省對小煤礦進行了技改整合,通過合理的選擇巷道斷面、形狀及支護類型。技改驗收的統計結果顯示,原來屬于中阻力和大阻力的礦井75%以上都降低了阻力,通風電耗也普遍降低到礦井總電耗的30%以下,從而提高了經濟效益。礦井通風阻力越大,能量消耗越大,對礦井通風及經濟效益產生的影響越大,合理選擇巷道斷面、形狀、支護等參數,采取有效措施,可以降低通風阻力,減少能源損失,從而達到提高礦山企業效益的目的。

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2009-09-22)

楊加偉(1984-),男,貴州遵義人,助理工程師,主要從事煤礦安全設備檢測檢驗工作,Email:yangjiawei123@qq.com。