基點氣壓計法在星火煤礦通風阻力測定中的應用

王健健，李瑞海，常 峰

(陜西煤礦安全裝備檢測中心有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

通風是井下各項工作開展的基礎，風流在巷道中流動時受到巷道井壁等影響會產(chǎn)生風阻，從而造成通風能量損失[1-2]。因此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，新建礦井投產(chǎn)前，必須進行一次礦井通風阻力測定，隨后每3年至少測定一次，礦井轉(zhuǎn)入新水平生產(chǎn)或改變一翼通風系統(tǒng)后，必須重新進行礦井通風阻力測定[3-4]。陜西星火煤礦位于陜西省韓城市新城區(qū)西北約5 km處，行政區(qū)劃隸屬陜西省韓城市板橋鄉(xiāng)和西莊鎮(zhèn)管轄。礦井采用“一斜井兩立井”的混合開拓方式，共有3個井筒，即主立井、副斜井和回風立井，可采煤層為2、3、11號煤，目前首采面為2號煤層。礦井通風方式為中央并列抽出式，在回風立井井口安裝2臺FBCDZ-No-26型礦用防爆抽出式對旋軸流式通風機，其中1臺工作，1臺備用，配用功率2×355 kW。

為全面了解星火煤礦通風系統(tǒng)擴建、改造后的現(xiàn)狀，陜西煤礦安全裝備檢測中心有限公司同星火煤礦有關人員密切配合，于 2020年9月，對其通風系統(tǒng)進行了檢驗和測定，全面了解通風系統(tǒng)現(xiàn)狀，以期為其后期制定各種通風安全措施提供基礎數(shù)據(jù)。

1 阻力測定

1.1 基點氣壓計法測定原理

基點氣壓計法測定礦井通風阻力，是采用精密氣壓測量得出測點間的絕對靜壓差、動壓差和位能差，它們之和為兩測點巷道的通風阻力[5-6]。假設兩測點所在巷道斷面分別為 1、2，則單位體積流體能量方程為

(1)

測定時，用1臺精密氣壓計測出其絕對靜壓p1、p2；用風表測出平均風速v1、v2；用干、濕溫度儀測出氣溫t1、t2和相對濕度φ1、φ2。然后根據(jù)各斷面的絕對靜壓值、氣溫值和相對濕度值，計算各斷面的空氣密度ρ。各斷面基礎數(shù)據(jù)測得后，代入式(1)即可得到測段1-2的通風阻力。但只用1臺精密氣壓計測量測點1、2的絕對靜壓p1、p2時，不能同時進行，然而在這一段時間內(nèi)，地面大氣壓力可能發(fā)生了變化，給測值的精確度帶來嚴重的影響。因此使用2臺溫度漂移特性基本一致的精密氣壓計，其中1臺置于基點監(jiān)測大氣壓的變化，另1臺沿測點逐點測量測點絕壓等參數(shù)。這時兩測點的絕對靜壓差為

p1-2=(p1-p2)-(p01-p02)

(2)

式中，p1-2為兩測點間的絕對靜壓差，Pa；p01-p02為基點監(jiān)測的絕對靜壓差，Pa。

1.2 測定方法及儀器

礦井通風阻力測定是礦井通風技術管理工作的主要組成部分，也是掌握生產(chǎn)礦井通風現(xiàn)狀的重要手段，它為礦井通風系統(tǒng)改造設計、調(diào)整及強化礦井的通風系統(tǒng)管理提供了科學依據(jù)，為災變時期控制風流提供了必要的技術參數(shù)[7-8]。阻力測定方法采用基點氣壓計法，選用2臺(編號記為Ⅰ、Ⅱ)精度符合要求的氣壓計(CFZZ6)，在副斜井井口地面選定基點，校對好2臺儀器，并記錄各自初始讀數(shù)，Ⅰ號儀器由測試人員攜帶，按照預先確定的通風阻力測定線路，逐點測定、記錄各測點的參數(shù)。同時，為了消除地面大氣壓力變化對測定數(shù)據(jù)的影響，將Ⅱ號儀器布置在副斜井井口作為基點[9-10]，由測試人員每隔5 min測定，并記錄大氣壓數(shù)值一次，以對井下測點氣壓變化進行校正，提高測定精度。測定儀器見表1。

表1 阻力測定儀器Table 1 Instruments for resistance measurement

1.3 測定路線及測點布置

礦井風阻測定路線選取沿主流風流方向，風路最長的通風線路[11]。測點應布置在標高明晰，風流分、匯點之前和局部阻力較大地點前后以及典型巷道的首末，盡量避免布置在巷道斷面不規(guī)則，風流不穩(wěn)定的三岔口[12]。根據(jù)上述原則并結(jié)合礦井實際情況，具體確定的礦井通風阻力測定主線路為副斜井井口(基點)→副斜井→390石門→240軌道大巷→3號煤膠帶大巷→2101運巷→2101工作面→2101回巷→2號煤盤區(qū)專用回風大巷→總回風巷→回風立井→風機→大氣。

1.4 通風參數(shù)測定及計算

1.4.1 測點空氣密度的計算

空氣密度的計算見式(3)

(3)

式中，ρi為測點處空氣密度，kg/m3；P0為測點處空氣的絕對靜壓，Pa；φ為空氣相對濕度，%；psh為測點溫度為t℃時，空氣的絕對飽和水蒸汽壓力，Pa；t為空氣溫度，℃；i為測點編號。

1.4.2 參數(shù)測定

用激光測距儀測量出各測點的巷道參數(shù)，然后按巷道形狀為梯形、半圓拱、三心拱等用公式計算出巷道的凈斷面及周長。按預定線路對各測點采用人工、風表法測風，實測的平均風速按風表校正曲線校正后，再乘以測風校正系數(shù)，換算成測點的真實風速，再由平均風速和斷面積計算各測點處的風量。根據(jù)各測段井巷參數(shù)、風量及阻力，按照相應的公式計算出井巷風阻R，百米風阻R100和摩擦阻力系數(shù)α等。

2 結(jié)果及分析

2.1 通風阻力計算

2.1.1 測段間的通風阻力

測段間的通風阻力的計算見式(4)

hij=kⅠ(pⅠi-pⅠj)-kⅡ(pⅡi-pⅡj)+

(4)

2.1.2 系統(tǒng)總阻力

系統(tǒng)總阻力的計算見式(5)

(5)

式中，hr為系統(tǒng)總阻力，Pa；hij為測段間的通風阻力，Pa；n為進風井口到風機吸風口處測段數(shù)。

2.1.3 通風阻力計算結(jié)果

通過實測取得全部原始數(shù)據(jù)后進行整理與計算，得出實測阻力等通風參數(shù)情況，見表2。從計算結(jié)果可見，該礦井實測總回風量為6 663 m3/min，實測總阻力為1 581 Pa，表明該礦井通風阻力滿足AQ1028—2006《煤礦井工開采通風技術條件》對礦井通風系統(tǒng)風量和系統(tǒng)通風阻力的要求[13]。

表2 星火煤礦礦井通風阻力測定Table 2 Measurement table of mine ventilation resistance in Xinghuo Coal Mine

2.2 通風阻力分布情況及分析

實測出全部原始數(shù)據(jù)后進行整理與計算，得出通風阻力分布情況，見表3及圖1。可以看出，用風段通風阻力占礦井通風總阻力的26.46%，進風段占 27.56 %，回風段占45.99 %，礦井通風系統(tǒng)阻力分布基本合理。

圖1 通風阻力分布Fig.1 Resistance distribution diagram

表3 星火煤礦礦井通風阻力分布Table 3 Distribution of mine ventilation resistance in Xinghuo Coal Mine

2.3 等積孔

礦井等積孔的計算見式(6)

(6)

式中，Q為實測風量，111.06 m3/s；hr為實測礦井通風總阻力，取1 581.61 Pa。代入相關數(shù)據(jù)，得礦井等積孔A為3.32 m2>2 m2，表明現(xiàn)階段該礦井通風難易程度屬于容易。

2.4 測定精度分析

在本次礦井通風阻力測定中，實測該礦井通風系統(tǒng)從副斜井井口(基點)→副斜井→240軌道大巷→3號煤膠帶大巷→2101運巷→2101工作面→2101回巷→2號煤盤區(qū)專用回風大巷→總回風巷→回風立井→風機→大氣的一條主干測線，其精度檢驗如下

(7)

式中，δ為相對誤差，%；hr為從進風井口至回風井口通風系統(tǒng)主測線上實測通風總阻力，取1 581.61 Pa；Φ為精度指標，一般取Φ=5%；h為依據(jù)通風機房水柱計、自然風壓計算的通風總阻力，其計算公式如下

h=hf-hv±hn

(8)

式中，hf為測定當日風機房U型水柱計讀數(shù)，1 520 Pa；hv為U型水柱計靜壓測孔的斷面處的速壓，27.16 Pa；hn為通風主干測線上的自然風壓，116.86 Pa。計算得h=1 609.7 Pa。

根據(jù)上述公式，代入相關數(shù)據(jù)得：δ=1.7%；因δ<5%。所以，測定結(jié)果有效。

3 結(jié)論

(1)全礦井通風阻力的測定結(jié)果表明，井下通風系統(tǒng)完善、合理、可靠，各用風點通風狀況良好，測定結(jié)果為礦井通風安全技術管理提供了可靠的基礎資料。

(2)采用基點氣壓計法對星火煤礦通風阻力進行測定，礦井通風系統(tǒng)總阻力為1 581.61 Pa，雖然回風段巷道阻力較大，但該礦井剛優(yōu)化調(diào)整了通風系統(tǒng)，更換安裝了2臺FBCDZ-No-26主通風機，根據(jù)主通風機性能工況分析，具有很大的潛在能力。

(3)部分巷道存在積水，碼放有物料、雜物，巷道斷面不規(guī)則，建議主要通風巷道不得隨意停放車輛，堆積材料，巷內(nèi)及時排水，堆積的物料要及時清除或排列整齊，盡量少堵塞井巷斷面，減小通風阻力，優(yōu)化通風系統(tǒng)，保障通風安全。