南屯煤礦通風阻力測定與分析

張英超，劉美娜，時東文

（1.兗礦能源集團股份有限公司南屯煤礦，山東 鄒城 273515；2.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

0 引 言

南屯煤礦位于山東省鄒城市西北部，建成投產(chǎn)時間在1973 年12 月左右，煤炭年設(shè)計產(chǎn)量大約為150 萬t。煤礦經(jīng)改擴建，2009 年產(chǎn)量為363 萬t。煤礦采用為走向長壁與傾斜長壁采煤相結(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。

礦井通風系統(tǒng)是向井下各作業(yè)場所提供新風和排污風的各個通風網(wǎng)絡(luò)、動力和控制設(shè)施的總稱。礦井通風系統(tǒng)是礦山系統(tǒng)極為重要的一部分[1]。生產(chǎn)時期，礦井通風系統(tǒng)主要通過利用通風機動力的方式使得新鮮風流進入礦井，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)地點溫度，為井下工作人員安全生產(chǎn)提供保障；通過通風設(shè)施聯(lián)動的方式，在重大風險來臨時能調(diào)節(jié)新鮮風流到礦井各處，保障平穩(wěn)運行，降低事故危害。合理的礦井通風系統(tǒng)設(shè)計和選擇，能夠極大程度保障礦井安全高效運行以及提高礦井的抗災(zāi)害能力。礦井通風系統(tǒng)受各因素條件限制，并且在各因素之中存在著對立性和不可公度性[2]。

在后續(xù)的開采過程中，南屯煤礦通風系統(tǒng)具有主要用風地點分散廣、跨度大的特點，造成礦井通風系統(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系統(tǒng)大調(diào)整所帶來的供風困難問題，如果不提早進行通風系統(tǒng)優(yōu)化及改造，即將可能出現(xiàn)供風不足、接續(xù)無法正常進行等問題，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)[3]。因此，需要定期進行通風阻力測定工作，為優(yōu)化通風阻力提供精確數(shù)據(jù)，以更好的促進煤礦生產(chǎn)。

1 礦井通風現(xiàn)狀概況

南屯煤礦通風方法采用抽出式和一翼對角混合式與中央并列通風方式。在礦井通風系統(tǒng)布置中，主井、副井、混合井為進風巷，白馬河風井和中央風井為回風巷。根據(jù)當前礦井風量需求，在中央風井架設(shè)一臺2K60-528 型軸流式通風機，電動機型號為異步Y(jié)560-10 型，轉(zhuǎn)速分別為800 kW 和594 r/min，并另架設(shè)一臺備用；在白馬河風井架設(shè)一臺2K60-528 型軸流式通風機，電動機型號為YX450-8 型，轉(zhuǎn)速分別為400 kW 和745 r/min，并另架設(shè)一臺備用。

2021 年3 月初礦井總進風量14 639 m3/min，總回風量14 986 m3/min，總有效風量13 122 m3/min，風機實際排風量15 481 m3/min，礦井實際需要風量13 903 m3/min，有效風量率89.6%。

2 測定方案

2.1 測定路線

根據(jù)南屯煤礦當前的生產(chǎn)實際、巷道布局和通風現(xiàn)狀，從通風阻力測定要求和目的出發(fā)，選定2 條長度較長、風量較大的測定主線，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)狀和通風系統(tǒng)布局的基礎(chǔ)上，根據(jù)所要測定的目的和要求，在通風系統(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、風量大等特點的路線作為本次計算的主要測量路線，同時附加了8 條輔助測量路線。2 條主要測量路線為：

1）九采區(qū)主測通風路線(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 回風下山→東翼總回風下山→東翼煤層總回風巷→回風下山→中央風井)；

2）三采區(qū)主測通風路線(副井→南石門→南翼西大巷→-260 運輸上山→三采東區(qū)3下煤橫貫→3304 運順→三采總回風大巷→-290 回風巷→白馬河風井）。

2.2 測點布置原則

根據(jù)本次通風阻力測定工作的要求，在現(xiàn)場考察工作面及巷道的分布、工況條件，在選定測點后，需在通風系統(tǒng)示意圖上按照編號，順序標定測點位置。在確定測點時，一般需要遵守以下原則及注意事項：

1）測點處能夠形成穩(wěn)定風流，巷道斷面相對平整，測點前后5 m 內(nèi)形成完整支護，無堆積物；

2）測點位置盡可能靠近標高控制點；

3）測點的選擇主要考慮了風流交匯和分叉處以及局部阻力突變和阻力較大的地點；

4）測點處應(yīng)保持風流相對穩(wěn)定。

在實測過程中，還應(yīng)該結(jié)合礦井內(nèi)實際狀況，調(diào)整測點位置及數(shù)量，使得測點布置能夠滿足測定需要，為礦井通風阻力優(yōu)化提供足量的原始數(shù)據(jù)。

2.3 測定儀器及方法

此次通風阻力測定所用各種設(shè)備儀表見表1。

表1 礦井通風阻力測定所用儀器設(shè)備

利用逐點測量法，使用精密氣壓計作為主要設(shè)備，將其放置在井口作為基點氣壓計，監(jiān)測地壓變化。另一種氣壓計根據(jù)提前選取的井下各個測點的位置進行測量，作為測點氣壓計。基準點氣壓計每5 min 記錄數(shù)據(jù)一次，測點氣壓計在測點位置時隔5 min 或10 min 為基準記錄數(shù)據(jù)一次。二者測定的數(shù)據(jù)在時間上保證相對應(yīng)，主要原因是二者能夠在地壓量化的基礎(chǔ)上反應(yīng)對測點數(shù)據(jù)的影響，以確保結(jié)果的可靠性和準確性。各測點的風壓在被測量的同時，測點的巷道斷面參數(shù)，風速以及氣相條件同時進行測量。在按照順序測量所有測點后，返回井口時需重檢儀表數(shù)據(jù)，檢查儀表誤差。此時測量完成，記錄各測點的原始數(shù)據(jù)。

3 測定參數(shù)

1）空氣密度。通過風扇濕度計和精密氣壓計得到各個測點的計算所需數(shù)據(jù)，主要包括測點的干濕球溫度和各測點的大氣壓力數(shù)值，通過以下公式計算各測點的風流空氣密度

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

2）巷道斷面積。測點巷道斷面積按下式計算：

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度(m)；HL為巷道全高(m)。

3）測點風速

測點的真實風速主要根據(jù)下式利用所測點的表速換算而來：

式中：V為測點風速 (m/s)；S為巷道斷面積(m2)；0.4 為人體側(cè)面積(m2)；α、b分別為風表校正系數(shù)；x萬表速(m/min)。

4）測點速壓

5）測點間風量的確定

如圖1 所示，任意二測點間流過的風量主要由以下原則進行確定：

圖1 風量測定測點布置圖

在兩測點之間無分叉路線(圖A)，風量由兩測點平均值來表示，即：

風流分叉點前的測點(圖B)，取后測點的風量作為巷道的風量，即：

風流分叉點后的測點(圖C)，取前測點的風量作為巷道的風量，即：

6）兩測點間巷道的阻力計算

在精密氣壓計使用過程中，測點間的靜壓差主要由以下公式計算：

兩測點的位壓差：

兩測點的速壓差：

則兩測點間的通風阻力為：

式中：Bi、B i+1精密氣壓計在巷道前后測點i,i+1 上的讀數(shù)數(shù)據(jù)(mmH2O)；B'i、B'i+1與B i、B i+1相對應(yīng)的基點氣壓計的讀數(shù)(mmH2O)；Z i、Zi+1測點i、i+1的標高 (m)；ρ i、ρi+1測點i、i+1 的空氣密度(kg/m3)。

7）巷道風阻、百米風阻計算

巷道風阻計算公式為：

百米風阻計算公式為：

式中：L i，i+1為測點i，i+1 間巷道的長度(m)。

8）礦井通風總阻力的計算

將進風井口與吸風口之間各巷道所測得的通風阻力相加即為該礦井的總通風阻力，如下所示：

式中：n為進風井口與吸風口之間巷道總數(shù)。

4 通風分析

4.1 阻力計算結(jié)果

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

表2 中央風井主測通風路線阻力解算結(jié)果統(tǒng)計表

表3 白馬河風井主測通風路線阻力解算結(jié)果統(tǒng)計表

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

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

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

3）該礦部分回風巷道風速較大。建議及時清理回風通道內(nèi)雜物，加大通風區(qū)段。

4.2 礦井等積孔與風阻

礦井等積孔與風阻的計算公式為：

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

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

4.3 誤差分析

誤差檢驗作為測量判斷所做工作有效性和可靠性的重要檢驗方式。通風阻力誤差主要根據(jù)風機房水柱計算所得的理論阻力與實測阻力比較所得的相對誤差。

礦井通風系統(tǒng)通風阻力的理論阻力值可按下式計算[6]：

式中：Hr為通風阻力的理論值(Pa)；Hc為水柱計讀數(shù)(Pa)；Hvf為風硐內(nèi)測壓斷面的速壓(Pa)；Hn為系統(tǒng)自然風壓(Pa)。測定誤差主要由下式計算：

式中：δ為相對誤差(%)小于5%；Hs礦井通風阻力實測值（Pa）。

南屯礦通風系統(tǒng)的通風阻力測定結(jié)果見表4。

表4 南屯煤礦通風系統(tǒng)通風阻力測定結(jié)果檢驗表

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

但在通風阻力測定過程中，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，主要原因為：

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

2）部分標高測量值不精確，使得測點阻力值與真實值有較大差異；

3）井下生產(chǎn)及其他活動影響部分測點的參數(shù)；

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

5 結(jié) 語

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

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

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