礦井深部接續(xù)通風(fēng)方案設(shè)計(jì)研究

【摘要】目前，越來(lái)越多礦井開(kāi)始進(jìn)行深部資源的開(kāi)采，進(jìn)入深部水平的接續(xù)。隨著礦井的發(fā)展，礦井的產(chǎn)能和用風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的增加，深部水平的需風(fēng)量加大，很多礦井通風(fēng)阻力已超出規(guī)范的要求，因此礦井深部水平通風(fēng)系統(tǒng)的研究越來(lái)越重要。本文從主要風(fēng)路方面研通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】負(fù)壓；深部水平；通風(fēng)阻力

一、前言

目前，我省很多國(guó)有煤礦已經(jīng)接續(xù)開(kāi)采深部水平，如雞西、鶴崗、七臺(tái)河等地區(qū)很多礦井已經(jīng)開(kāi)采三水平，有些礦井開(kāi)采垂深已達(dá)千米。隨著煤礦企業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)能力在不斷提高，同時(shí)，煤礦安全生產(chǎn)對(duì)井下用風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)也在提高，所以在開(kāi)采深部水平時(shí)，往往在風(fēng)量上有所增加，同時(shí)礦井通風(fēng)阻力也有超出規(guī)范要求的情況。因此，在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)水平開(kāi)拓巷道通風(fēng)風(fēng)速超標(biāo)，礦井負(fù)壓過(guò)大的情況。

要研究通風(fēng)方案，應(yīng)該從通風(fēng)阻力產(chǎn)生的計(jì)算原理出發(fā)，尋找降低通風(fēng)阻力的方法。

二、通風(fēng)阻力的計(jì)算原理

摩擦阻力是風(fēng)流在井巷中作沿程流動(dòng)時(shí)，由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力?？捎孟率絹?lái)計(jì)算：（Pa）

λ——無(wú)因次系數(shù)，即摩擦阻力系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得。

d——圓形風(fēng)管直徑，非圓形管用當(dāng)量直徑；

實(shí)際流體在流動(dòng)過(guò)程中，沿程能量損失一方面（內(nèi)因）取決于粘滯力和慣性力的比值，用雷諾數(shù)Re來(lái)衡量；另一方面（外因）是固體壁面對(duì)流體流動(dòng)的阻礙作用，故沿程能量損失又與管道長(zhǎng)度、斷面形狀及大小、壁面粗糙度有關(guān)。其中壁面粗糙度的影響通過(guò)λ值來(lái)反映。

當(dāng)流體在圓形管道中作層流流動(dòng)時(shí)，從理論上可以導(dǎo)出摩擦阻力計(jì)算式：

用當(dāng)量直徑de=4S/U代替d，代入阻力通式，則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式：對(duì)上式，令：

則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式寫為：

對(duì)于已給定的井巷，L、U、S都為已知數(shù)，故可把上式中的α、L、U、S 歸結(jié)為一個(gè)參數(shù)Rf：：

Rf為巷道的摩擦風(fēng)阻，其單位為：kg/m7或N.s2/m8。

Rf=f（ρ，ε，S，U，L）。在正常條件下當(dāng)某一段井巷中的空氣密度ρ一般變化不大時(shí)，可將Rf看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)。

則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式寫為：

此式就是完全紊流下的摩擦阻力定律。

三、降低通風(fēng)阻力的一般方法

從上述可以看出，降通風(fēng)阻力的方法可以從兩個(gè)方面來(lái)考慮，一是從巷道本身的性質(zhì)出發(fā)，改變巷道斷面（Rf）的方式，二是從巷道內(nèi)的風(fēng)量（Q2）大小出發(fā)，降低巷道風(fēng)量大小。根據(jù)公式，可從以下方面：

1.降低a

Rf與a成正比，而a主要決定于巷道粗糙度，因此降低a，就應(yīng)盡量使巷道光滑，降低摩擦阻力系數(shù)。

2.擴(kuò)大巷道斷面S

因Rf與S3成反比，所以擴(kuò)大巷道斷面有時(shí)成為降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又與風(fēng)量的平方成正比，因此在采用這種措施時(shí)，可考慮其它巷道的擴(kuò)大。

3.減少周界長(zhǎng)U

Rf與U成正比，在斷面積相等的條件下，選用周長(zhǎng)較小的拱形斷面比周長(zhǎng)較大的梯形斷面好。

4.減少巷道長(zhǎng)L

Rf與L成正比，進(jìn)行開(kāi)拓設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)在滿足開(kāi)采需要的條件下，盡可能縮短風(fēng)路的長(zhǎng)度。

5.避免巷道內(nèi)風(fēng)量過(guò)大

摩擦阻力與風(fēng)量的平方成正比。巷道內(nèi)的風(fēng)量如果過(guò)大，摩擦阻力就會(huì)大大增加。因此，對(duì)于給定通風(fēng)巷道，可考慮增加配風(fēng)巷道，使通風(fēng)巷道風(fēng)量減少。

四、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中降低通風(fēng)阻力的方法

從通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，在新水平設(shè)計(jì)時(shí)，新水平巷道斷面設(shè)計(jì)時(shí)已考慮了風(fēng)量與風(fēng)速的要求，一般可滿足通風(fēng)要求。所以在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減少已有巷道通風(fēng)阻力是重中之重。

對(duì)于已有通風(fēng)巷道，因摩擦阻力系數(shù) 是按相應(yīng)規(guī)定選取，該因素相對(duì)固定；斷面周界長(zhǎng)U，由于是給定巷道，此因素相對(duì)固定；道長(zhǎng)L在通風(fēng)方案設(shè)計(jì)時(shí)已考慮了降低風(fēng)路長(zhǎng)度的因素，此因素也相對(duì)固定；因此，已有巷道在不能滿足通風(fēng)要求時(shí)，有2種措施，一是擴(kuò)大已有巷道斷面，二是增加配風(fēng)巷道，從而減少巷道通風(fēng)風(fēng)量。

為方便說(shuō)明問(wèn)題，現(xiàn)通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)兩種措施進(jìn)行對(duì)比?，F(xiàn)假設(shè)某通風(fēng)巷道為采區(qū)主要進(jìn)風(fēng)巷道，為錨噴支護(hù)，其斷面為7.4m2，長(zhǎng)度500.0m，通風(fēng)阻力系數(shù)按其通過(guò)風(fēng)量為60.0m3/s，風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到8.1m/s，超過(guò)了規(guī)程的規(guī)定。分別采用擴(kuò)大巷道斷面新掘配風(fēng)巷道兩種方案，通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

如采用擴(kuò)大斷面方案，巷道風(fēng)量為60.0m3/s，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：

如采用增加配風(fēng)巷道的方案，由于配風(fēng)巷道起到了分風(fēng)作用，原始巷道與配風(fēng)巷的風(fēng)量進(jìn)行了自然分配，增加配分風(fēng)巷后，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：

五、結(jié)論

對(duì)于深部接續(xù)的礦井，其上部風(fēng)路通常采用原有巷道，這些巷道有時(shí)不能滿足通風(fēng)要求。通過(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，增設(shè)配風(fēng)巷道對(duì)于降低巷道通風(fēng)阻力較明顯，可得出以下結(jié)論：

1、在新水平、新采區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，其斷面設(shè)計(jì)已經(jīng)對(duì)通風(fēng)進(jìn)行了校核。

2、對(duì)于已有通風(fēng)巷道，在不能滿足通風(fēng)要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮利用已有的其它巷道做為配風(fēng)巷。

3、在有條件時(shí)，可考慮新掘一條配風(fēng)巷。

4、如無(wú)配風(fēng)巷可用，在無(wú)新掘配風(fēng)巷的條件下可考慮擴(kuò)大巷道斷面。

此外，巷道降低摩擦阻力，還應(yīng)同時(shí)結(jié)合井巷的其它用途與經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行綜合考慮。如斷面過(guò)大，不但不經(jīng)濟(jì)，也不好維護(hù)，可選用新施工配風(fēng)巷。