東灘煤礦通風阻力測定及自然風壓測定

曹懷軒 ，李繼良 ，陳 軍

（1. 兗州煤業股份有限公司東灘煤礦，山東鄒城 273500；2. 山東科技大學，山東 青島 266590）

0 引 言

東灘煤礦隸屬于兗州煤業股份有限公司，屬于國有股份制企業，位于以“孔孟之鄉，禮儀之邦”聞名于世的山東省濟寧市，歷史文化資源和經濟發展環境得天獨厚，交通發達，鐵路、公路、水路和海運條件非常便利。煤田處于兗州、曲阜、鄒城三市交界處，面積60km2，可采儲量4.4 億t。該煤礦設計生產能力400萬t/a，1989 年12 月建成投產，經多次技術改造和系統優化，核定生產能力1021.9 萬t/a。服務年限為33.9年。主要通風機為法國產HDR280- 69 型軸流式風機，電機型號為PA100G90- 70/6，葉輪直徑2.8m。當一臺風機發生故障時，另一臺風機按照設定的程序自動投入運行。風機性能優越，具有動態調整葉片角度來調整風機性能和風機葉片動態。鑒于東灘煤礦風機距今已有30 多年的歷史，設備已經老化，風葉也出現故障，有必要對煤礦的通風阻力進行測定[1]。與此同時，礦井通風阻力的測定也是礦井通風網絡計算和礦井通風能力核實的需要[2]。深井自然風壓的變化對礦井通風系統的穩定性和礦井的安全生產具有明顯的影響。了解自然風壓的變化規律及其影響因素，根據礦山實際情況合理利用和控制自然風壓。減輕自然風壓對礦井通風系統的負面影響，對礦井安全生產、防災和提高經濟效益具有重要意義[3]。

1 井田概況

本井田位于山東省鄒城、兗州、曲阜三市接壤地區，東西寬4.8km，南北長12.50km，面積約60km2。其中 3 煤、16上煤、17 煤全區可采。

井田地面標高+42.46m～+54.58 m，地勢由東北向西南逐漸降低，坡度平緩。井口標高：主、副井為+49.85 m，西風井為+48.9m，北風井為+48.8m。

本井田含煤地層主要由二疊系下統山西組和石炭系上統太原組構成。山西組和太原組為主要含煤地層，平均總厚319m，含煤27 層，平均總厚18.77m，含煤系數5.88%；共含可采與局部可采煤層7 層（2、3、6、15上、16上、17、18上2），平均煤層總厚 12.92 m，其中主采煤層為 3（局部分為 3上、3下）、16上、17 煤，共厚10.58 m，占可采總厚的82%，特別是3 煤，厚度變化小、穩定，是該礦開采的主要煤層。

2 東灘煤礦通風阻力測定

2.1 測定步驟及主要測定參數

為了測定工作的正常進行，將會配備幾名測定的人員，本次測定配備的人員及具體分工如下：

1）地面基點氣壓計讀數，1 人；

2）測定各測點風流的絕對壓力和相對壓力，1人；

3）測定各測點風速，1 人；

4）測量各測點巷道的斷面尺寸，1 人；

5）測定各測點干、濕球溫度，1 人；

6）記錄數據，1 人。

通過合理分工后，人員總數為3～4 人，其中測風員一名。

現場測定的主要參數有：絕對靜壓；兩測點間的相對靜壓；大氣壓力；風速；巷道周長及面積；兩測點的間距；干球溫度；濕球溫度。

2.2 測定路線選擇

根據通風阻力測定的相關要求和標準，結合東灘煤礦礦井實際情況，選擇了兩條進回風路線長、風量相對較大且包含采煤工作面，從而能反映通風系統特征的特點，同時選擇了多條輔測路線[4]。為了了解整個東灘礦井通風系統的阻力現狀，根據應有的實際情況，其主要測量路線如下：

1）主測路線1（6303 準備工作面通風系統）

副井口→南翼軌道大巷→南翼軌道下山→6303軌順→6303 工作面→6303 運順→南翼總回風聯→南翼總回風巷→西翼總回風巷→西回風井→西風井地面風硐。

圖1 主測路線1 測點布置示意圖

2）主測路線2（3306 工作面通風系統）。

副井口→副井底→東翼軌道石門→東翼軌道大巷→三采區行人巷→3306 軌道順槽→3306 工作面→3306 運輸順槽→2 煤軌道巷→東翼新增回風巷→東翼第一回風巷→東翼上部回風巷→東翼總回風巷→北回風井→北風井地面風硐。

圖2 主測路線2 測點布置示意圖

3 通風系統阻力測定結果

礦井通風系統通風阻力的理論阻力值可按下式計算：

式中：Hf為礦井通風阻力的理論值，Pa；HC為扇風機房“U”型水柱計讀數，Pa；Hvf為風機風硐內測壓斷面的速壓，Pa；Hn為該系統的自然風壓，Pa。

則礦井通風系統的測定誤差按下式計算：

式中：δ 為相對誤差，%，一般要求小于等于5%；Hs為礦井通風阻力的實測值，Pa。

1）西風井通風系統阻力測定。

2018 年 12 月 18 日、19 日，項目組測定成員對西風井通風系統進行了阻力測定，經過測定和計算，主測路線6303 工作面的累計總阻力為2195 Pa；測定當天，西風井風機房“U”型水柱計讀數(風硐靜壓)為2250 Pa，西風井風硐計算動壓為118 Pa，實測自然風壓(累計位壓差)為168 Pa，則理論計算的礦井通風阻力為：2250 Pa－118 Pa＋168 Pa＝2300 Pa。

按風機房“U”型水柱計讀數計算阻力誤差為：

絕對誤差：△h＝｜2300－2195｜＝105(Pa)

相對誤差：δ＝105÷2300＝4.54%＜5%

測定及計算誤差符合要求，可用于下一步的網絡解算。

2）北風井通風系統阻力測定。

2019 年 2 月 12 日 ～2 月 14 日，項目組成員進行了北風井通風系統阻力測定，經過測定和計算，主測路線3306 工作面累計總阻力為2827 Pa；測定當天，北風井風機房“U”型水柱計讀數(風硐靜壓)為2780 Pa，北風井風硐計算動壓為184 Pa，實測自然風壓(累計位壓差)為177 Pa，則理論計算的礦井通風阻力為：2780 Pa－184 Pa＋177 Pa＝2773 Pa。

按風機房“U”型水柱計讀數計算阻力誤差為：

絕對誤差：△h＝｜2773－2827｜＝54（Pa）

相對誤差：δ＝54÷2773＝1.95%＜5%

測定及計算誤差符合要求，可用于下一步的網絡解算。

4 自然風壓的測定方法及結果

間接測定法是為了測定出進、回風兩井筒空氣柱的平均密度，間接求算出自然風壓大小。為保證測定數據準確有效，在保證安全的前提下，采用多人多點定時測定溫度。同時監測和記錄地面大氣壓變化。間接法對生產影響小，可進行連續和長期觀測，得到一年的自然風壓變化曲線，此次自然風壓的測定選用間接測定法。

采用間接計算法，聯合相關巷道參數東灘煤礦全年四個季節典型月份自然風壓測定結果進行統計，如表1 所示。

表1 東灘煤礦全年不同季節自然風壓測定結果

從表1 可以看出：東灘煤礦自然風壓在冬季達到最大為177 Pa，夏季自然風壓最小值為102 Pa，自然風壓波動范圍為75 Pa。結合以上自然風壓變化規律可以得知，對于東灘煤礦這一特定礦井來說，影響其自然風壓變化的最主要因素是溫度和濕度，由溫度和濕度變化引起的空氣密度改變是導致自然風壓變化的最主要原因。

5 結 論

結合東灘煤礦現場實際情況及通風阻力計算結果，可得到以下結論：

1）東灘煤礦本次通風阻力測定，相對誤差為1.95%，精度符合通風阻力測定要求[5]。

2） 6303 工作面通風系統進風段、用風段以及回風段阻力值所占比重較為均衡，基本與供風距離成正比例關系，主要是由于該工作面供風距離較短，沒有折返路線，同時，通過現場調研發現為確保西風井系統14 采區的正常供風，6 采區存在人工增阻調風的情況。

3）3036 工作面通風系統進、回風段阻力值及所占比重偏高，而用風段距離占總距離的2.92%，阻力值僅占總阻力的5.3%，主要是由于該采區距離進回風井距離較遠，單程均超過7000 米，屬于典型的遠距離供風，尤其是回風巷，部分巷道段存在年久失修的情況，導致通風阻力大幅度提高。

4）3036 工作面通風系統回風段普遍存在“之”字型回風，例如二煤回風巷與東翼第二皮帶巷連接處、東翼第一回風巷與東翼上部回風巷交叉處等，直接導致部分巷道段局部阻力急劇增大，應該作為下一步通風系統優化的重點。

5）東灘煤礦自然風壓主要受溫度和濕度的影響，冬季自然風壓達到最大為177 Pa，夏季自然風壓最小值為102 Pa，自然風壓波動范圍為75 Pa，接下來將合理地利用和控制自然風壓，降低自然風壓對礦井通風系統的負面影