南屯煤礦通風(fēng)阻力測(cè)定與分析

張英超，劉美娜，時(shí)東文

（1.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司南屯煤礦，山東 鄒城 273515；2.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

0 引 言

南屯煤礦位于山東省鄒城市西北部，建成投產(chǎn)時(shí)間在1973 年12 月左右，煤炭年設(shè)計(jì)產(chǎn)量大約為150 萬(wàn)t。煤礦經(jīng)改擴(kuò)建，2009 年產(chǎn)量為363 萬(wàn)t。煤礦采用為走向長(zhǎng)壁與傾斜長(zhǎng)壁采煤相結(jié)合的采煤方法。目前主要開采的煤層為3 上層、3 下層，工作面類型分別為綜放工作面和綜采工作面。在開采過程中發(fā)現(xiàn)，所開采的煤炭在一定條件下容易自然發(fā)火，自然發(fā)火期為90～180 d。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是向井下各作業(yè)場(chǎng)所提供新風(fēng)和排污風(fēng)的各個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)力和控制設(shè)施的總稱。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦山系統(tǒng)極為重要的一部分[1]。生產(chǎn)時(shí)期，礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要通過利用通風(fēng)機(jī)動(dòng)力的方式使得新鮮風(fēng)流進(jìn)入礦井，并在礦井中穩(wěn)定提供井下工作人員所需要的新鮮風(fēng)流；在此基礎(chǔ)上稀釋瓦斯煤塵等礦井有害氣體粉塵，降低井下作業(yè)地點(diǎn)溫度，為井下工作人員安全生產(chǎn)提供保障；通過通風(fēng)設(shè)施聯(lián)動(dòng)的方式，在重大風(fēng)險(xiǎn)來臨時(shí)能調(diào)節(jié)新鮮風(fēng)流到礦井各處，保障平穩(wěn)運(yùn)行，降低事故危害。合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選擇，能夠極大程度保障礦井安全高效運(yùn)行以及提高礦井的抗災(zāi)害能力。礦井通風(fēng)系統(tǒng)受各因素條件限制，并且在各因素之中存在著對(duì)立性和不可公度性[2]。

在后續(xù)的開采過程中，南屯煤礦通風(fēng)系統(tǒng)具有主要用風(fēng)地點(diǎn)分散廣、跨度大的特點(diǎn)，造成礦井通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性增大、可靠性降低。礦井剩余服務(wù)年限內(nèi)根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)安排，可能面臨幾次階段性的通風(fēng)系統(tǒng)大調(diào)整所帶來的供風(fēng)困難問題，如果不提早進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及改造，即將可能出現(xiàn)供風(fēng)不足、接續(xù)無(wú)法正常進(jìn)行等問題，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)[3]。因此，需要定期進(jìn)行通風(fēng)阻力測(cè)定工作，為優(yōu)化通風(fēng)阻力提供精確數(shù)據(jù)，以更好的促進(jìn)煤礦生產(chǎn)。

1 礦井通風(fēng)現(xiàn)狀概況

南屯煤礦通風(fēng)方法采用抽出式和一翼對(duì)角混合式與中央并列通風(fēng)方式。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)布置中，主井、副井、混合井為進(jìn)風(fēng)巷，白馬河風(fēng)井和中央風(fēng)井為回風(fēng)巷。根據(jù)當(dāng)前礦井風(fēng)量需求，在中央風(fēng)井架設(shè)一臺(tái)2K60-528 型軸流式通風(fēng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為異步Y(jié)560-10 型，轉(zhuǎn)速分別為800 kW 和594 r/min，并另架設(shè)一臺(tái)備用；在白馬河風(fēng)井架設(shè)一臺(tái)2K60-528 型軸流式通風(fēng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YX450-8 型，轉(zhuǎn)速分別為400 kW 和745 r/min，并另架設(shè)一臺(tái)備用。

2021 年3 月初礦井總進(jìn)風(fēng)量14 639 m3/min，總回風(fēng)量14 986 m3/min，總有效風(fēng)量13 122 m3/min，風(fēng)機(jī)實(shí)際排風(fēng)量15 481 m3/min，礦井實(shí)際需要風(fēng)量13 903 m3/min，有效風(fēng)量率89.6%。

2 測(cè)定方案

2.1 測(cè)定路線

根據(jù)南屯煤礦當(dāng)前的生產(chǎn)實(shí)際、巷道布局和通風(fēng)現(xiàn)狀，從通風(fēng)阻力測(cè)定要求和目的出發(fā)，選定2 條長(zhǎng)度較長(zhǎng)、風(fēng)量較大的測(cè)定主線，能夠包含采煤工作面，并另選8 條線路。

在結(jié)合了南屯煤礦所處的生產(chǎn)現(xiàn)狀和通風(fēng)系統(tǒng)布局的基礎(chǔ)上，根據(jù)所要測(cè)定的目的和要求，在通風(fēng)系統(tǒng)各巷道中選擇了包括工作面在內(nèi)的2 條具有路現(xiàn)長(zhǎng)、風(fēng)量大等特點(diǎn)的路線作為本次計(jì)算的主要測(cè)量路線，同時(shí)附加了8 條輔助測(cè)量路線。2 條主要測(cè)量路線為：

1）九采區(qū)主測(cè)通風(fēng)路線(副井→北石門→東大巷→九采主軌下山→九采一分區(qū)南部軌道巷→93上24 軌順→九采-350 回風(fēng)下山→東翼總回風(fēng)下山→東翼煤層總回風(fēng)巷→回風(fēng)下山→中央風(fēng)井)；

2）三采區(qū)主測(cè)通風(fēng)路線(副井→南石門→南翼西大巷→-260 運(yùn)輸上山→三采東區(qū)3下煤橫貫→3304 運(yùn)順→三采總回風(fēng)大巷→-290 回風(fēng)巷→白馬河風(fēng)井）。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置原則

根據(jù)本次通風(fēng)阻力測(cè)定工作的要求，在現(xiàn)場(chǎng)考察工作面及巷道的分布、工況條件，在選定測(cè)點(diǎn)后，需在通風(fēng)系統(tǒng)示意圖上按照編號(hào)，順序標(biāo)定測(cè)點(diǎn)位置。在確定測(cè)點(diǎn)時(shí)，一般需要遵守以下原則及注意事項(xiàng)：

1）測(cè)點(diǎn)處能夠形成穩(wěn)定風(fēng)流，巷道斷面相對(duì)平整，測(cè)點(diǎn)前后5 m 內(nèi)形成完整支護(hù)，無(wú)堆積物；

2）測(cè)點(diǎn)位置盡可能靠近標(biāo)高控制點(diǎn)；

3）測(cè)點(diǎn)的選擇主要考慮了風(fēng)流交匯和分叉處以及局部阻力突變和阻力較大的地點(diǎn)；

4）測(cè)點(diǎn)處應(yīng)保持風(fēng)流相對(duì)穩(wěn)定。

在實(shí)測(cè)過程中，還應(yīng)該結(jié)合礦井內(nèi)實(shí)際狀況，調(diào)整測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)量，使得測(cè)點(diǎn)布置能夠滿足測(cè)定需要，為礦井通風(fēng)阻力優(yōu)化提供足量的原始數(shù)據(jù)。

2.3 測(cè)定儀器及方法

此次通風(fēng)阻力測(cè)定所用各種設(shè)備儀表見表1。

表1 礦井通風(fēng)阻力測(cè)定所用儀器設(shè)備

利用逐點(diǎn)測(cè)量法，使用精密氣壓計(jì)作為主要設(shè)備，將其放置在井口作為基點(diǎn)氣壓計(jì)，監(jiān)測(cè)地壓變化。另一種氣壓計(jì)根據(jù)提前選取的井下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置進(jìn)行測(cè)量，作為測(cè)點(diǎn)氣壓計(jì)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)氣壓計(jì)每5 min 記錄數(shù)據(jù)一次，測(cè)點(diǎn)氣壓計(jì)在測(cè)點(diǎn)位置時(shí)隔5 min 或10 min 為基準(zhǔn)記錄數(shù)據(jù)一次。二者測(cè)定的數(shù)據(jù)在時(shí)間上保證相對(duì)應(yīng)，主要原因是二者能夠在地壓量化的基礎(chǔ)上反應(yīng)對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的影響，以確保結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓在被測(cè)量的同時(shí)，測(cè)點(diǎn)的巷道斷面參數(shù)，風(fēng)速以及氣相條件同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。在按照順序測(cè)量所有測(cè)點(diǎn)后，返回井口時(shí)需重檢儀表數(shù)據(jù)，檢查儀表誤差。此時(shí)測(cè)量完成，記錄各測(cè)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)。

3 測(cè)定參數(shù)

1）空氣密度。通過風(fēng)扇濕度計(jì)和精密氣壓計(jì)得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算所需數(shù)據(jù)，主要包括測(cè)點(diǎn)的干濕球溫度和各測(cè)點(diǎn)的大氣壓力數(shù)值，通過以下公式計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)流空氣密度

式中：ρ為空氣密度（kg/m3）；P為空氣絕對(duì)靜壓（kPa）；Ps為飽和水蒸汽絕對(duì)分壓(kPa)；φ為空氣相對(duì)濕度(%)；T空氣絕對(duì)溫度（K）。

2）巷道斷面積。測(cè)點(diǎn)巷道斷面積按下式計(jì)算：

梯形或矩形巷道：

半圓拱巷道：

三心拱巷道：

式中：SL為巷道斷面積(m2)；BL為巷道寬度或腰線長(zhǎng)度(m)；HL為巷道全高(m)。

3）測(cè)點(diǎn)風(fēng)速

測(cè)點(diǎn)的真實(shí)風(fēng)速主要根據(jù)下式利用所測(cè)點(diǎn)的表速換算而來：

式中：V為測(cè)點(diǎn)風(fēng)速 (m/s)；S為巷道斷面積(m2)；0.4 為人體側(cè)面積(m2)；α、b分別為風(fēng)表校正系數(shù)；x萬(wàn)表速(m/min)。

4）測(cè)點(diǎn)速壓

5）測(cè)點(diǎn)間風(fēng)量的確定

如圖1 所示，任意二測(cè)點(diǎn)間流過的風(fēng)量主要由以下原則進(jìn)行確定：

圖1 風(fēng)量測(cè)定測(cè)點(diǎn)布置圖

在兩測(cè)點(diǎn)之間無(wú)分叉路線(圖A)，風(fēng)量由兩測(cè)點(diǎn)平均值來表示，即：

風(fēng)流分叉點(diǎn)前的測(cè)點(diǎn)(圖B)，取后測(cè)點(diǎn)的風(fēng)量作為巷道的風(fēng)量，即：

風(fēng)流分叉點(diǎn)后的測(cè)點(diǎn)(圖C)，取前測(cè)點(diǎn)的風(fēng)量作為巷道的風(fēng)量，即：

6）兩測(cè)點(diǎn)間巷道的阻力計(jì)算

在精密氣壓計(jì)使用過程中，測(cè)點(diǎn)間的靜壓差主要由以下公式計(jì)算：

兩測(cè)點(diǎn)的位壓差：

兩測(cè)點(diǎn)的速壓差：

則兩測(cè)點(diǎn)間的通風(fēng)阻力為：

式中：Bi、B i+1精密氣壓計(jì)在巷道前后測(cè)點(diǎn)i,i+1 上的讀數(shù)數(shù)據(jù)(mmH2O)；B'i、B'i+1與B i、B i+1相對(duì)應(yīng)的基點(diǎn)氣壓計(jì)的讀數(shù)(mmH2O)；Z i、Zi+1測(cè)點(diǎn)i、i+1的標(biāo)高 (m)；ρ i、ρi+1測(cè)點(diǎn)i、i+1 的空氣密度(kg/m3)。

7）巷道風(fēng)阻、百米風(fēng)阻計(jì)算

巷道風(fēng)阻計(jì)算公式為：

百米風(fēng)阻計(jì)算公式為：

式中：L i，i+1為測(cè)點(diǎn)i，i+1 間巷道的長(zhǎng)度(m)。

8）礦井通風(fēng)總阻力的計(jì)算

將進(jìn)風(fēng)井口與吸風(fēng)口之間各巷道所測(cè)得的通風(fēng)阻力相加即為該礦井的總通風(fēng)阻力，如下所示：

式中：n為進(jìn)風(fēng)井口與吸風(fēng)口之間巷道總數(shù)。

4 通風(fēng)分析

4.1 阻力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，可以得出中央風(fēng)井和白馬河風(fēng)井的通風(fēng)阻力相關(guān)數(shù)據(jù)，見表2 和表3。

表2 中央風(fēng)井主測(cè)通風(fēng)路線阻力解算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表3 白馬河風(fēng)井主測(cè)通風(fēng)路線阻力解算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合上述結(jié)果和礦井實(shí)況，在通風(fēng)優(yōu)化過程中應(yīng)注意[4]：

1）回風(fēng)巷道是礦井通風(fēng)的高阻力區(qū)段，在整條路線中占比較大；主要原因是通風(fēng)距離長(zhǎng)，彎道多;

2）加強(qiáng)礦山通風(fēng)防范設(shè)施管理，提高通風(fēng)調(diào)節(jié)裝置的穩(wěn)定性，減少通風(fēng)門漏風(fēng)，確保通風(fēng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠；

3）該礦部分回風(fēng)巷道風(fēng)速較大。建議及時(shí)清理回風(fēng)通道內(nèi)雜物，加大通風(fēng)區(qū)段。

4.2 礦井等積孔與風(fēng)阻

礦井等積孔與風(fēng)阻的計(jì)算公式為：

式中：A為礦井等積孔(m2)；Q為礦井總回風(fēng)量(m3/s)；h為礦井通風(fēng)阻力(Pa)；R風(fēng)阻(N·s2/m8)。

經(jīng)測(cè)量研究，93.855 m3/s 為中央風(fēng)井總排風(fēng)量，1 238.8 Pa 為總通風(fēng)阻力；69.506 5 m3/s 為白馬河風(fēng)井排風(fēng)量，1390.1 Pa 為通風(fēng)阻力。經(jīng)過計(jì)算，中央風(fēng)井等積孔為3.17 m2，風(fēng)阻為0.14 N·s2/m8；白馬河風(fēng)井等積孔為2.22 m2，風(fēng)阻為0.29 N·s2/m8。礦井通風(fēng)難易程度為容易[5]。

4.3 誤差分析

誤差檢驗(yàn)作為測(cè)量判斷所做工作有效性和可靠性的重要檢驗(yàn)方式。通風(fēng)阻力誤差主要根據(jù)風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)算所得的理論阻力與實(shí)測(cè)阻力比較所得的相對(duì)誤差。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力的理論阻力值可按下式計(jì)算[6]：

式中：Hr為通風(fēng)阻力的理論值(Pa)；Hc為水柱計(jì)讀數(shù)(Pa)；Hvf為風(fēng)硐內(nèi)測(cè)壓斷面的速壓(Pa)；Hn為系統(tǒng)自然風(fēng)壓(Pa)。測(cè)定誤差主要由下式計(jì)算：

式中：δ為相對(duì)誤差(%)小于5%；Hs礦井通風(fēng)阻力實(shí)測(cè)值（Pa）。

南屯礦通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果見表4。

表4 南屯煤礦通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果檢驗(yàn)表

相較于其他氣壓計(jì)，本次測(cè)定使用的精密氣壓計(jì)，精度及穩(wěn)定度較高。表4 給出了測(cè)定結(jié)果與理論通風(fēng)阻力的相對(duì)誤差在5%范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為測(cè)定結(jié)果是有效的，能夠?yàn)榈V井通風(fēng)阻力優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

但在通風(fēng)阻力測(cè)定過程中，受礦井客觀條件、人為因素、儀表因素影響，結(jié)果仍存在一定誤差，主要原因?yàn)椋?/p>

1）在識(shí)別巷道斷面形狀時(shí)，普遍采用最相似原則，因此斷面識(shí)別有出入；部分巷道不穩(wěn)定風(fēng)流導(dǎo)致的數(shù)據(jù)與真實(shí)值存在較大差別，獲取的風(fēng)速參數(shù)不準(zhǔn)確；

2）部分標(biāo)高測(cè)量值不精確，使得測(cè)點(diǎn)阻力值與真實(shí)值有較大差異；

3）井下生產(chǎn)及其他活動(dòng)影響部分測(cè)點(diǎn)的參數(shù)；

4）下一步將對(duì)每條巷道及阻力分布進(jìn)行分析，找出高阻力區(qū)，并提出合理的優(yōu)化方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

1） 南屯煤礦中央風(fēng)井通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果為1 238.8 Pa，等積孔為3.17 m2，排風(fēng)量為93.855 m3/s；白馬河風(fēng)井通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果為1 390.1 Pa，等積孔為2.22 m2，排風(fēng)量為69.506 5 m3/s。通風(fēng)難易程度均為容易。

2）礦井回風(fēng)段通風(fēng)阻力所占比例較大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)距離較長(zhǎng)，存在較多拐彎，部分回風(fēng)巷存在較多雜物。

3）通過進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算，制定了現(xiàn)階段、中期和遠(yuǎn)期優(yōu)化方案，并采取了一系列通風(fēng)保障技術(shù)措施，提高了礦井未來不同生產(chǎn)時(shí)期的通風(fēng)能力。