礦井通風阻力影響因素的案例分析

摘 要：通過對通風阻力影響因素的分析，了解井巷各參數在通風總阻力計算中的權重。結合工程實際，在確定摩擦阻力系數的前提下，對五種工況的井巷通風阻力進行對比解算，分析風機選型的決定因素及實際可操作性，最后確定該風區的通風形式及風井場地的位置，即在風區中央新建一對進、回風立井，以滿足通風要求。

關鍵詞：通風阻力；摩擦阻力系數；風機選型；風井場地

1 通風阻力

1.1 影響因素

井巷通風阻力是指風流在井巷中運動時，由于空氣的粘滯性和慣性以及井巷壁面等對風流的阻滯、擾動作用而形成的阻力。通風阻力分為摩擦阻力及局部阻力。

1.1.1 摩擦阻力

摩擦阻力主要是由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面間的摩擦所導致，故也叫沿程阻力。大多數礦井通風井巷風流處于完全紊流狀態[1]，該狀態下，井巷摩擦阻力計算公式為：

hf=？琢·L·U·Q2/S3 （1）

式中：hf-摩擦阻力，Pa；？琢-摩擦阻力系數，kg/m；L-井巷長度，m；U-井巷斷面凈周長，m；Q-井巷的風量，m3/s；S-井巷的凈斷面積，m2。

在計算井巷的摩擦阻力時，只需了解井巷長度、凈斷面積、凈周長、支護形式和通過的風量等參數，其中摩擦阻力系數可通過查表法確定。

由公式（1）可知，井巷摩擦阻力hf與摩擦阻力系數a、井巷長度L、巷道凈周長U和斷面積Q2成正比，與S3成反比關系。同一段巷道內，風量及斷面積，對其摩擦阻力的影響較大。故在設計中，增加主要進、回風巷的斷面積能有效減小礦井的摩擦阻力，同時也能保證巷道風速不超標。摩擦阻力系數a與巷道本身斷面形狀、支護形式等有關，在通風設計中，a的賦值具有特定性，且不宜輕易變化。但是，巷道功能不同，其摩擦阻力系數便有較大差異。比如回風大巷（順槽）比膠運、輔運、進風大巷（順槽）的摩擦阻力系數要小。因此，采區布置中井筒、工作面順槽與大巷的相對位置，對礦井通風的摩擦阻力有一定的影響。

1.1.2 局部阻力

局部阻力是由于井巷斷面、方向變化以及分岔或匯總等原因，造成均勻流動氣體在局部地區受到影響，而引起風流速度場發生變化和產生渦流等現象而形成的能量損失。

由于局部阻力產生風流速度場分布的變化比較復雜，故對此的計算一般采用經驗公式。在井巷通風阻力計算中，可根據井下巷道復雜程度，將得出的摩擦阻力值乘以一定的系數，作為局部阻力計算值。

1.2 摩擦阻力系數確定

紊流狀態下，摩擦阻力計算式：

式中，即摩擦阻力系數，單位為kg/m3，或Ns2/m4。其中，？姿為無因次系數（沿程阻力系數），其值通過實驗求得；？籽為空氣密度。

摩擦阻力系數？琢在阻力平方區是風道相對糙度和空氣密度的函數。由于井巷斷面大小、支護形式及材料的多樣性，不同井巷的相對糙度差別很大。對于砌碹和錨噴巷道，壁面糙度可用尼古拉茲試驗[1]的相對糙度概念來比擬，只考慮斷面方向的相對糙度。前人通過大量試驗和實測所得的、在標準狀態（ρ0=1.2kg/m3）條件下的各類井巷的摩擦阻力系數，即所謂標準值α0值，可通過“井巷摩擦阻力系數α值表”查得。[2]

一般情況下，鋪設膠帶運輸機巷道的α值要比只作通風行人巷道的α值大30～40%。輔助運輸巷、井底車場巷道等可通過查表、經驗對比、實測等方法確定[3]。

2 工程案例

2.1 概況

高河礦井位于山西省長治市長治縣和長子縣，設計生產能力6.00Mt/a。井田南北長約13.4km，東西寬約4.9km，面積66.68km2。3號煤層設計可采儲量為318.89Mt。

高河礦井采用立井、單水平開拓方式，開采水平標高為+450m，礦井達產時有五個立井，在工業場地布置主立井、副立井和中央回風立井。礦井采用分區式通風系統，抽出式通風方式。礦井達產時有兩個通風分區，即在工業場地內布置主、副立井和中央回風立井，主、副立井進風，中央回風立井回風，服務于主、副立井兩側的東一盤區；在礦井工業場地外的西南部小莊村附近布置一對小莊進、回風立井，擔負南翼大巷西側采區的通風任務。工業場地回風立井所需風量370m3/s，最大通風阻力3425a；小莊風井場地回風立井所需風量330m3/s，最大通風阻力2570Pa。高河礦井通風分區現狀見圖1。

2.2 問題提出

《煤炭工業礦井設計規范》規定，高瓦斯礦井應采用對角式或分區式通風。高河礦為高瓦斯礦井，礦井通風分區現狀圖可以看出，中央風井、鮑村風井及小莊風井分別負責井田中部、北部、中西部盤區的通風，且各盤區通風阻力符合《規范》中“礦井后期通風負壓不宜超過3920Pa”的要求[4]。

根據高河礦生產計劃，需準備井田南翼采區，以滿足礦井接替需求，在后期開采過程中，該采區需布置兩個綜采工作面。南翼采區南北長4.1km，東西寬4.8km，采區范圍較大。

原酒村風井初步設計，計劃在南翼采區中北部的酒村建一個風井場地，即酒村風井場地，內設一對進、回風立井，以滿足該采區生產通風的要求。該工況下，酒村風井通風容易時期負壓1420.2Pa，通風困難時期負壓2086.8Pa，回風立井負壓值較合理。

但鑒于目前煤炭形勢及當地征地困難等實際情況考慮，礦方提出借助小莊甚至中央進、回風井，減少酒村風井數量或減小風井場地面積，甚至取消酒村風井場地建設的想法。

3 工程設計

3.1 通風形式

若取消酒村風井的建設，根據工程實際情況以及井巷摩擦阻力計算公式可知，理論上酒村風區的通風任務可由小莊風井，甚至中央風井承擔。決定風井場地建設必要與否的重要因素，就是通風解算的負壓值。負壓值過大，對風機選型及效率等方面影響較大。從通風線路上分析，小莊風區與酒村風區相鄰，經測量，小莊風井距酒村風區2.9km，而中央風井為酒村風區供風的通風線路要比小莊風井長，因此，對酒村風區通風解算時，先計算小莊風井為其供風的通風阻力值，若該工況下的計算值不合理，便無需再考慮中央風井供風的通風結算。

另外，在考慮小莊風井為酒村風區供風的同時，也考慮在酒村風井場地建設一個井筒，以節約場地面積，和將酒村風井場地移至井田南部邊界外，以及將酒村風區通風總風量減少這三種情況。

因此，本次工程設計從以下幾個工況條件下進行解算。

工況1：小莊進、回風井（兩個工作面）；

工況2：小莊進風井+酒村回風井（中部場址、兩個工作面）；

工況3：小莊回風井+酒村進風井（中部場址、兩個工作面）；

工況4：小莊進風井+酒村回風井（南部場址、兩個工作面）；

工況5：小莊進、回風井（一個工作面）。

3.2 通風解算

為提高計算精度和保證對比可信度，我們采用專業通風軟件對上述工況進行解算，各工況下同一巷道的摩擦阻力系數賦值相同。

經解算，各工況下負壓值見表1。

表1中，摩擦阻力為軟件解算得到的井巷摩擦阻力值，總負壓為考慮局部阻力和自然負壓之后的井巷總負壓值。

4 結束語

風機選型時，主要根據井巷總負壓的最小值與最大值。在小莊風區范圍內，由于工作面位置不同，其負壓值也會不一樣，便會產生負壓最大值與最小值，即容易時期與困難時期，這也就決定了風機的型號及功率。小莊風井設計時，所選的風機原則上只相對于該風區范圍內特定風量及負壓值區間是合理的。由上表解算結果可知，無論是否建設酒村風井場地，或者只在酒村風井場地設一個井筒，其總負壓值都大于5839.2Pa，而該值也遠超過小莊風區通風的最大負壓值。

實際生產中，小莊回風井的通風機可能無法承擔酒村風區的通風任務。若考慮通過更換風機來提高小莊回風立井的通風能力，可能會出現井下斷風、局部巷道風速過高、風機效率過低等不安全、不合理情況。而只在酒村風井場地設置一個回風立井，會導致通風線路過長、采區接替困難等問題。

綜上，利用小莊風井或者中央風井分擔酒村風區的部分或者全部通風任務是不可行的，酒村風井場地建設很有必要，而且須同時開拓一對進、回風立井，以滿足酒村風區的通風需求。分區式獨立通風，還能保證采區的正常接替，無論是在管理上，還是在安全上都更有保障。

參考文獻

[1]張國樞.通風安全學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[2]楊加偉.淺談礦井通風阻力產生的原因及降低阻力的方法[J].采礦技術，2010，3（2）.

[3]國家安全生產監督管理總局.MT/T 440-2008.礦井通風阻力測定方法[M].煤炭工業出版社，2010.

[4]中華人民共和國建設部&中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50215-2005.煤炭工業礦井設計規范[S].中國計劃出版社，2007.

作者簡介：江威（1986，9-），男，安徽省合肥市，職務：設計工程師，學歷：研究生，畢業學校：中國礦業大學（北京），主要從事礦井設計工作。