新維煤礦通風系統阻力測定及分析研究

程根銀 劉 健

(華北科技學院安全工程學院，河北省三河市，065201)

新維煤礦隸屬于四川芙蓉集團實業有限公司，2016年4月完成竣工驗收開始正式投產，設計生產能力60萬t/a，瓦斯等級鑒定為高瓦斯礦井。新維礦采用平硐開拓方式，主要開采2#、3#、7#、8#煤層。該礦采用中央并列抽出式通風，布置有+431.0 m膠帶主平硐、+431.0 m軌道副平硐、+686.05 m的排矸進風斜井、+466.0 m回風井4條井筒，主要通風機選用FBCDZ-40-N30型軸流式對旋通風機兩臺，通過電機反轉實現礦井反風，具備完整、獨立、可靠的通風系統。

礦井通風阻力測定是分析礦井通風狀況，獲取礦井阻力分布的重要途徑，可以為礦井通風系統優化和風流調節提供基礎資料和參數。目前主要的測定方法有同步法、基點法、比值校正法和逐點測量法。總結前人的經驗得出，比值校正法和基點法容易出現較大的誤差，同步法適用于井下局部區域阻力測定；逐點測量法精度高適用于大范圍的礦井。由礦井的實際情況綜上考慮選用逐點測量法進行阻力測定。

1 新維煤礦通風阻力測定

1.1 通風阻力測定路線及測點布置

根據《礦井通風阻力測定方法》，選取能反映礦井通風系統特征的最長通風路線作為主要測定路線，并選取次要路線。根據新維煤礦通風系統圖選取1條主測路線和1條輔測路線。測點需要在分風點或合風點前后選定，測點3 m內巷道要支護良好無雜物堆積，測點布置位置能夠控制主要井巷的阻力分布情況。主要內容是測定礦井通風總阻力以及計算井下主要巷道通風摩擦阻力系數。測定路線及測點布置見圖1，根據新維礦通風系統圖，共布置了36個測點，選取了1條主要測定路線和1條輔助測定路線。

圖1 新維煤礦通風阻力測定測點布置

主要測定路線(1#風井)：1(主平硐)→8(+472人行巷)→13(一盤區下車場)→7(一盤區上車場)→10(8#煤層底板運輸巷)→14(1#煤倉聯絡巷)→17(8104運輸巷)→26(8104回風巷)→27(8104回風聯絡巷)→20(底板集中回風巷)→18(2#集中回風巷)→6(一盤區集中回風巷)→2(+440 m總回風石門)。

輔助測定路線(2#風井)：3(排矸斜井)→36(+430環形車場)→5(+430運輸巷)→25(+430集中排水巷)→31(底板集中回風巷)→24(2012聯絡巷)→23(1#集中運輸巷)→25(+430集中排水巷)→26(8104回風巷)→27(8104回風聯絡巷)→19(一盤區回風聯絡巷)→6(一盤區集中回風巷)→2(+440 m總回風石門)。

1.2 使用儀器及參數計算

壓差計法逐點測量的實質是測量風流兩點間的勢能差和動能差，計算出兩點間的通風阻力。

需要測定的井下物理參數包括：相對濕度，用通風干濕溫度計測量干濕球溫度，根據干濕球溫度查表可以得到相對濕度；各測點的絕壓，需要先用空盒氣壓計測量大氣壓力；巷道斷面面積；用皮尺測得各測點的巷道斷面的幾何參數，把巷道斷面形狀分為半圓拱形、梯形、三心拱形，根據對應公式算出斷面面積；各測段的距離，用鋼卷尺測量。

各測定路線阻力值相加得到通風系統總阻力，測量中所需要的儀器見表1。

表1 通風阻力測定所需儀表儀器表

(1)計算風量時，用風速表測量各測點的風速，測兩次取平均值，空氣密度計算公式為：

(1)

式中：ρ——空氣密度；

P0——測點空氣的絕對靜壓；

φ——空氣的相對濕度；

Pω——t溫度下的飽和水蒸氣的壓力；

t——測量點空氣的干溫度。

(2)巷道風量：

Q=Sv

(2)

式中：Q——巷道風量；

S——巷道斷面面積；

v——測點的實際風速。

(3)通風阻力：

(3)

式中：hi-j——兩測點間的通風阻力；

k′,k″——氣壓計Ⅰ、Ⅱ的校正系數；

zi,zj——測點i,j的標高；

ρij——測點i,j間空氣密度的平均值；

g——重力加速度。

2 試驗數據處理分析

2.1 通風阻力匯總

根據測量的基礎數據及相關公式計算得到新維煤礦1#、2#風井的相關參數，見表2和表3。測量計算的部分巷道的阻力系數大多在正常范圍內，但由于一些巷道內堆積雜物，巷道長度測量不夠準確導致出現少數異常值。

表2 新維煤礦1#風井通風阻力匯總表

表3 新維煤礦2#風井通風阻力匯總表

由于測量過程的影響，風阻計算時總會產生誤差，采用阻力檢驗法對主干線的阻力測定進行檢驗。其檢驗公式為：

(4)

式中：hi——礦井通風總阻力；

hs——通風機風流入口處靜壓；

hN——礦井自然風壓；

∑hr——主干線各測段阻力之和；

ρc——通風機風流入口處測點斷面的空氣密度；

vc——通風機風流入口處測點斷面的平均風速。

2.2 通風阻力測定精度檢驗

由誤差阻力檢驗公式可以得到通風阻力測定精度檢驗表，見表4。

表4 通風阻力測定精度檢驗表

由表4可以看出，1#風井和2#風井通風系統阻力測定誤差分別為3.201%和2.849%，均小于5%，說明試驗測量結果精確可靠，可以指導實際工程作業。經分析，誤差產生的原因為測量巷道斷面時產生誤差影響風量計算的準確度、儀器儀表的誤差及局部地點風流不穩定等。

礦井通風系統按風流在網絡中的位置可分為進風段、用風段和回風段，根據試驗結果數據分析匯總得到新維礦兩條測定路線的阻力分布情況見表5。

表5 新維礦井下通風阻力分布情況表

分析表4數據可知，進風段風阻最小，用風段阻力其次，回風段阻力最大。進風段、用風段、回風段的阻力分配比為24.72∶33.07∶42.21，井下各系統分布相對合理。目前需要對巷道進行定期維護，維持巷道斷面面積大小，避免雜物堆積，減少通風阻力，為礦井提供良好的通風。

2.3 礦井等積孔計算

礦井等積孔的計算公式為：

(5)

式中：A——等積孔，m2；

Q——風量，m3/s；

φ——收縮系數；

ρ——空氣密度，kg/m3；

h——巷道阻力，Pa。

將收縮系數0.65，空氣密度1.2 kg/m3代入式(5)，礦井等積孔的計算結果見表6。

表6 礦井等積孔計算結果表

由礦井等積孔的計算結果可以看出，1#風井的總風阻小于2#風井，等積孔也小于2#風井，說明1#風井系統通風比2#礦井容易。礦井的總等積孔為3.5425 m2，結合通風阻力來看，目前新維煤礦的礦井通風屬于容易時期，通風系統風量和通風阻力滿足要求。

3 結論

(1)新維煤礦為新修建礦井，礦井范圍大，測量所需時間長。本次測量選擇了逐點測量法，從測定的精度檢驗來看，測量結果較為準確。為今后該礦的通風阻力測量提供了參考。

(2)從實測的結果來看，部分巷道的阻力偏大，可能存在誤差也可能是巷道自身原因，需要進一步核查改善。

(3)進風、用風、回風三段阻力配比比較合理，礦井通風總阻力遠小于設計規范的要求。礦井的總進風量為4582.6 m3/min，總回風量為4699.8 m3/min，礦井總等積孔為3.5425 m2。

(4)由于新維礦井下巷道較長，回風段通風阻力較大，日常生產過程中應注意加強風門等設施的檢查，做好通風管理工作。