塔山煤礦通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定與分析

邵良杉 張興國 翁旭澤 馬恒

（1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)系統(tǒng)工程研究所，遼寧葫蘆島 125105；2、同煤集團(tuán)塔山煤礦，山西大同 037042）

1 引言

塔山煤礦有限公司是大同煤礦集團(tuán)公司為開發(fā)大同煤田石炭二疊系煤層而新建的一座特大型的現(xiàn)代化礦井。塔山井田位于山西省大同煤田東翼中東部邊緣地帶，口泉河兩側(cè)，鵝毛口以北、七峰山西側(cè)，距大同市30km，距離同煤集團(tuán)公司所在地17km。礦井于2003年開工建設(shè)，2006年試生產(chǎn)，2008年通過國家整體驗(yàn)收，2009年達(dá)產(chǎn)。井田走向長度24.3 km，傾向?qū)挾?1.7 km，面積170.9km2。塔山礦設(shè)計(jì)開采煤層為石炭二疊系山4#、2#、3#、5#、8#層。井田劃分為4個(gè)分區(qū)、8個(gè)盤區(qū)，地質(zhì)儲(chǔ)量50.7億t，工業(yè)儲(chǔ)量47.6億t，可采儲(chǔ)量30.7億t，按設(shè)計(jì)能力1 500萬噸/年計(jì)算，礦井服務(wù)年限為140年。前期開采的一、二盤區(qū)中，4#、2#遭受煌斑巖破壞無開采價(jià)值，僅開采3～5#合并層和8#煤層；后期開采的盤區(qū)中，自上而下分別開采山4#、2#、3#、5#、8#煤層。

礦井采用平硐立井混合式開拓，盤區(qū)布置皮帶、輔助運(yùn)輸和回風(fēng)三條大巷，工作面為皮運(yùn)巷、回風(fēng)巷、頂板高抽巷三巷布置，采用單一走向長壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤工藝進(jìn)行回采。

目前礦井有一盤區(qū)、二盤區(qū)和雁崖礦擴(kuò)區(qū)三個(gè)生產(chǎn)盤區(qū)。一、二盤區(qū)主采煤層為3-5#合并層，共布置15個(gè)生產(chǎn)隊(duì)組。雁崖礦擴(kuò)區(qū)主采山4#層，由同煤集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司負(fù)責(zé)開采。

經(jīng)過通風(fēng)系統(tǒng)改造，礦井目前已形成了一盤區(qū)、二盤區(qū)和雁崖礦擴(kuò)區(qū)三臺(tái)主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)。全礦共有“六進(jìn)三回”九個(gè)井筒。其中主平峒、副平峒、一盤區(qū)進(jìn)風(fēng)立井、二盤區(qū)進(jìn)風(fēng)立井、雁崖礦擴(kuò)區(qū)進(jìn)風(fēng)立井以及雁崖礦擴(kuò)區(qū)輔助運(yùn)輸平硐進(jìn)風(fēng)，一盤區(qū)回風(fēng)立井、二盤區(qū)回風(fēng)立井、雁崖礦擴(kuò)區(qū)回風(fēng)立井回風(fēng)。如圖1所示。

圖1 塔山礦通風(fēng)系統(tǒng)簡

礦井進(jìn)風(fēng)量48 126 m3/min；回風(fēng)量48693 m3/min；有效風(fēng)量46 882 m3/min；有效風(fēng)量率97.3%，采掘配風(fēng)量23 010 m3/min，采掘配風(fēng)率46.5%。全礦井配風(fēng)合格率達(dá)到100%。各采掘工作面及峒室都實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立通風(fēng)，不存在微風(fēng)、無風(fēng)區(qū)域。

一盤區(qū)主要通風(fēng)機(jī)選用ANN3600/2000N型軸流式風(fēng)機(jī)2臺(tái)；二盤區(qū)和雁崖礦擴(kuò)區(qū)主要通風(fēng)機(jī)均選用ANN3200/1600B型軸流式風(fēng)機(jī)2臺(tái)。三個(gè)盤區(qū)主用通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)工況合理、負(fù)壓穩(wěn)定。

礦井通風(fēng)阻力對礦井通風(fēng)、礦井安全生產(chǎn)暨經(jīng)濟(jì)效益有著重要影響。因此，在礦井設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程中，要合理選擇巷道參數(shù)，力爭最低通風(fēng)阻力，取得最好的安全性和生產(chǎn)效益。礦井通風(fēng)阻力測定是煤礦通風(fēng)技術(shù)管理工作重要內(nèi)容之一。其目的是，了解礦井通風(fēng)系統(tǒng)中通風(fēng)阻力大小和分布情況，為改善礦井通風(fēng)狀況、降低阻力從而為降低能耗提供依據(jù)。通過實(shí)測礦井巷道的摩擦阻力系數(shù)和風(fēng)阻值，為礦井的通風(fēng)設(shè)計(jì)、改造和調(diào)節(jié)風(fēng)壓及控制火災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

因此《煤礦安全規(guī)程》第119條規(guī)定，“新井投產(chǎn)前應(yīng)必須進(jìn)行一次礦井通風(fēng)阻力測定，以后每三年至少進(jìn)行一次。礦井轉(zhuǎn)入新水平生產(chǎn)或改變一翼通風(fēng)系統(tǒng)后，必須重新進(jìn)行礦井通風(fēng)阻力測定”。

2 通風(fēng)阻力測定方法選擇

在礦井通風(fēng)阻力測定過程中，因多種干擾因素的影響，使測定值存在一定誤差，如果測定方法選擇得當(dāng)，可以在滿足精度的情況下提高測定速度，并能給測定工作帶來方便。常用的幾種測定方法如下：比值校正法、同步法、基點(diǎn)法、逐點(diǎn)測量法［1-6］。

2.1 比值校正法

在地而井口附近設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，測定地而氣壓在一定時(shí)間△t內(nèi)的變化量與△p0，由此對井下測點(diǎn)i的靜壓在同一時(shí)間內(nèi)的變化值進(jìn)行校正。此法需對風(fēng)流流動(dòng)的熱力過程進(jìn)行校正，訓(xùn)一算誤差較大。適用于淺井測定。

2.2 同步法

用兩臺(tái)等精度和型號(hào)相同的氣壓訓(xùn)一在風(fēng)道的起點(diǎn)和末點(diǎn)上約定時(shí)間同時(shí)讀數(shù)，使一臺(tái)的讀數(shù)作為另一臺(tái)的修正。該方法的測定精度較高，適用于井下局部區(qū)域阻力測定。

2.3 基點(diǎn)法

用兩臺(tái)氣壓計(jì)，一臺(tái)井上，一臺(tái)井下。井上的一臺(tái)固定在入風(fēng)井口的基點(diǎn)上，監(jiān)測地而大氣壓的變化，井下的一臺(tái)沿測定路線巡回測定。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測定方便，省時(shí)省力，數(shù)據(jù)處理工作簡單，缺點(diǎn)是誤差較大。其測定結(jié)果能夠滿足一般性要求。

2.4 逐點(diǎn)測量法

用3臺(tái)氣壓計(jì)，一臺(tái)固定在入風(fēng)井口的基點(diǎn)上，作為大氣壓力變化校正用，將另外兩臺(tái)氣壓計(jì)攜至井下測點(diǎn)，沿著預(yù)定的測定路線逐點(diǎn)測定。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測定精度高，適用于測定時(shí)間長、范圍大的礦井。

2.5 傾斜壓差計(jì)法

傾斜壓差計(jì)法是在巷道中①和②兩測點(diǎn)各安置一根皮托管，如圖2所示。皮托管布置于巷道中心，為消除速壓，需將尖部迎向風(fēng)流，管軸與風(fēng)向平行；在末點(diǎn)②安放傾斜壓差計(jì)；同時(shí)，用風(fēng)表在①和②兩測點(diǎn)分別量出表速，還需同時(shí)用濕度計(jì)和氣壓計(jì)在兩測點(diǎn)附近分別測出風(fēng)流的干、濕球溫度和風(fēng)流的絕對靜壓，從而測算出兩測點(diǎn)的空氣密度。將以上測得的基本數(shù)據(jù)與兩測點(diǎn)的凈斷面積、周長、兩測點(diǎn)的距離，連同井巷名稱、形狀、支護(hù)方式等填入阻力測量記錄表中。此時(shí)壓差計(jì)所測得的讀值是兩測點(diǎn)之間的靜壓差和勢能差。

圖2 壓差計(jì)測量示意

3 塔山?jīng)r通風(fēng)阻力測定

為了掌握全礦井的通風(fēng)阻力分布情況，須對全礦井各個(gè)采區(qū)的通風(fēng)阻力進(jìn)行測定，塔山煤礦通風(fēng)阻力測試采用了傾斜壓差計(jì)法、精密氣壓計(jì)的同步法以及精密氣壓計(jì)的基點(diǎn)法混合測試，發(fā)揮各自測試方法的優(yōu)勢。

傾斜壓差計(jì)測量方法在鋪設(shè)膠皮管的工作量較大，費(fèi)時(shí)較多，但在測定過程中無需測點(diǎn)標(biāo)高，測量精度高，數(shù)據(jù)整理也較簡單。若測量區(qū)段內(nèi)能夠鋪設(shè)膠皮管，我們均采用這種測量方法。根據(jù)礦井巷道的類型，支護(hù)形式，斷面大小，選取阻力測定段巷道，將測定段的阻力轉(zhuǎn)化為類型、支護(hù)形式、斷面大小相同的巷道的百米風(fēng)阻，并以此對標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)阻及阻力系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。在斷面規(guī)則巷道中由于巷道斷面變化小，在壓差計(jì)法皮托管兩端的速壓差非常小，可以忽略不計(jì)。在斷面變化較大的測段還是要求測算速壓。

精密氣壓計(jì)測定的基點(diǎn)法是在地面設(shè)置一臺(tái)基準(zhǔn)精密氣壓計(jì)，本次是在塔山煤礦主平硐井口設(shè)置的基準(zhǔn)精密氣壓計(jì)，利用另一臺(tái)精密氣壓計(jì)在井下進(jìn)行測試，再消除大氣壓的變化。在測試過程中，精密氣壓計(jì)還用于測定所有構(gòu)筑物兩側(cè)的壓差。

氣壓計(jì)的測量方法則不需要鋪設(shè)膠管和靜壓管，省時(shí)省力，操作簡便，但這種測量需要測點(diǎn)的準(zhǔn)確標(biāo)高，測量精度較差，對國內(nèi)數(shù)十個(gè)礦井的測試中，由于測定井巷的測點(diǎn)標(biāo)高不準(zhǔn)確和大氣壓變化的影響，精密氣壓計(jì)儀器本身性能等因素而導(dǎo)致測量誤差較大。故只有在無法收放膠皮管的巷道、井筒、阻力比較大的巷道、構(gòu)筑物等測量段中我們才采用氣壓計(jì)法。

3.1 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

當(dāng)井下實(shí)測工作結(jié)束后，須將實(shí)測數(shù)據(jù)認(rèn)真、仔細(xì)地整理、計(jì)算。

（1）空氣密度計(jì)算

式中，P——空氣的壓力，Pa；

T——空氣的絕對溫度，T＝273.15+t，K；

φ——空氣的相對濕度，%；

PS——飽和水蒸汽分壓力，Pa。

（2）風(fēng)量計(jì)算

式中，S——測點(diǎn)處巷道斷面積，m2；

V——測點(diǎn)處的平均風(fēng)速，V=V表（S-0.4）/S，m/s。

（3）通風(fēng)阻力計(jì)算

①傾斜壓差計(jì)法

用下式計(jì)算兩測點(diǎn)間的壓差h1-2：

式中，h1-2——測段間的壓差或阻力，Pa；

hd——傾斜壓差計(jì)斜管液面的末讀數(shù)，mm；

h0——傾斜壓差計(jì)斜管液面的初始讀數(shù)，mm，本次測定h0=0；

K——標(biāo)于弧形板上的斜管傾斜系數(shù)；

C——壓差計(jì)的精度校正系數(shù)；

δ——酒精的比重；

ρ1、ρ2——井巷測段始末點(diǎn)密度，kg/m3；

V1、V2——井巷測段始末點(diǎn)風(fēng)速，m/s。

②基點(diǎn)法

式中，hr1-2——測段間的壓差或阻力，Pa；

ρ1、ρ2——井巷測段始末點(diǎn)空氣的密度，kg/m3；

V1、V2——井巷測段始末點(diǎn)的風(fēng)速，m/s；

P1、P2——?dú)鈮河?jì)讀數(shù)；

Δp——地面大氣壓變化值。

③同步法

式中，hr1-2——測段間的壓差或阻力，Pa；

ρ1、ρ2——井巷測段始末點(diǎn)空氣的密度，kg/m3；

V1、V2——井巷測段始末點(diǎn)的風(fēng)速，m/s；

P1、P2——1#氣壓計(jì)在測段內(nèi)的始末點(diǎn)讀數(shù)；

P1′、P2′——2#氣壓計(jì)對應(yīng)1#氣壓計(jì)讀數(shù)時(shí)刻的讀數(shù)；

（4）巷道風(fēng)阻計(jì)算

巷道標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)阻值：

式中，ρ0——井下空氣密度的標(biāo)準(zhǔn)值，ρ0=1.2 kg/m3；

R1-2——兩斷面間空氣密度的平均值，kg/m3；

（5）巷道百米風(fēng)阻計(jì)算

式中，Rr——所測平直巷道的摩擦風(fēng)阻，Ns2/m8；

L1-2——兩測點(diǎn)間的距離，m。

（6）摩擦阻力系數(shù)計(jì)算

式中，L——巷道測段的長度，m；

U——巷道周界，m。

巷道摩擦阻力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值：

3.2 通風(fēng)阻力測定的精度檢驗(yàn)與誤差分析

3.2.1 通風(fēng)阻力測量的數(shù)據(jù)處理原則

（1）測段間的風(fēng)量、斷面積和周長取兩測點(diǎn)的平均值進(jìn)行計(jì)算；

（2）由于本次測阻持續(xù)時(shí)間長，每天風(fēng)量都變化，甚至同一天內(nèi)，某一測段由于鄰近巷道風(fēng)門的開啟或車輛通行，風(fēng)量發(fā)生變化，可能造成節(jié)點(diǎn)風(fēng)量不平衡，測段風(fēng)量取兩測點(diǎn)的平均值；

（3）實(shí)測數(shù)據(jù)明顯有誤的，按同一條巷道其他測段的結(jié)果類推。風(fēng)量較小的測段，壓力差太小，讀數(shù)誤差較大，本測段不具有類推性；

（4）存在有局部阻力的測段不可類推。

3.2.2 通風(fēng)阻力測定的精度檢驗(yàn)

由于儀表精度、測定技巧和其它各種因素的影響，測定時(shí)總會(huì)發(fā)生各種誤差。如果誤差在允許范圍以內(nèi)，則測定結(jié)果是可用的。為此，必須對測定結(jié)果進(jìn)行檢查校驗(yàn)。

（1）風(fēng)量檢驗(yàn)

根據(jù)流體連續(xù)特性，在空氣密度近似不變時(shí)，流進(jìn)匯點(diǎn)或閉合風(fēng)路的風(fēng)量應(yīng)等于流出匯點(diǎn)或閉合風(fēng)路的風(fēng)量。則在重要的風(fēng)流匯合點(diǎn)檢驗(yàn)流入和流出該匯點(diǎn)的風(fēng)量，其誤差不應(yīng)超過風(fēng)表的允許誤差值。

（2）阻力檢驗(yàn)

根據(jù)閉合風(fēng)路中兩個(gè)不同方向的風(fēng)流阻力應(yīng)當(dāng)平衡的原則，在檢驗(yàn)阻力時(shí)，閉合回路經(jīng)計(jì)算的誤差如符合精度限值，則阻力測量工作符合要求。

由于儀表精度、測定技巧和其它各種因素的影響，測定時(shí)總會(huì)發(fā)生各種誤差。為此，必須對測定結(jié)果進(jìn)行檢查校驗(yàn)。

根據(jù)上述原理對主要節(jié)點(diǎn)的風(fēng)量平衡閉合及主要回路的風(fēng)壓平衡閉合進(jìn)行了檢驗(yàn)，基本滿足節(jié)點(diǎn)及回路平衡定律。

3.2.3 測試誤差分析

部分巷道風(fēng)量太小，導(dǎo)致測試誤差及少部分巷道無測試數(shù)據(jù)。如果風(fēng)量太小，當(dāng)150 m巷道的阻力小于0.1mmH2O即0.98 Pa時(shí)，通風(fēng)參數(shù)超出儀表量程，不能測試。

通風(fēng)系統(tǒng)非定常，給測試數(shù)據(jù)整理帶來極大困難。造成非定常的原因主要是巷道行人或行車頻繁導(dǎo)致通風(fēng)斷面變化而風(fēng)速無法穩(wěn)定。非定常導(dǎo)致不能通過測阻的辦法得到礦井通風(fēng)阻力分布，只能通過計(jì)算的辦法。

3.3 礦井阻力分析

通過系統(tǒng)地對塔山礦進(jìn)行通風(fēng)阻力測試，獲得塔山礦各盤區(qū)的礦井總阻力。

（1）經(jīng)一盤區(qū)8107工作面通風(fēng)線路的阻力分析以經(jīng)一盤區(qū)8107工作面的通風(fēng)線路為例，礦井總阻力2 350 Pa。具體通風(fēng)線路為：

盤道進(jìn)風(fēng)立井→盤道進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷Ⅱ→1070輔運(yùn)巷→2107巷→8107工作面→5107巷→5107回風(fēng)繞道（風(fēng)門）→1070回風(fēng)巷→盤道回風(fēng)聯(lián)巷Ⅲ→盤道回風(fēng)巷→盤道回風(fēng)立井。

表1 一盤區(qū)進(jìn)風(fēng)、用風(fēng)、回風(fēng)段阻力大小及所占比例

對于經(jīng)一盤區(qū)8107工作面通風(fēng)線路而言，進(jìn)風(fēng)區(qū)段阻力比例為9.04%，用風(fēng)區(qū)段的阻力為78.72%，回風(fēng)區(qū)段阻力12.23%，用風(fēng)區(qū)段所占阻力偏大，這是由于1070回風(fēng)巷風(fēng)量較大、線路較長引起的，其他各段所占比例較小?？傮w上，由于通風(fēng)線路較長，巷道斷面較大，因此，通風(fēng)阻力總體分布均勻。

（2）經(jīng)二盤區(qū)8212工作面通風(fēng)線路的阻力分析

以經(jīng)二盤區(qū)8212工作面的通風(fēng)線路為例，礦井總阻力2 258 Pa。具體通風(fēng)線路為：

副平硐→1070輔運(yùn)巷→輔助進(jìn)風(fēng)巷→二盤區(qū)輔運(yùn)巷→2212巷→8212工作面→5212巷→5212巷回風(fēng)繞道（風(fēng)門）→二盤區(qū)回風(fēng)巷→回風(fēng)聯(lián)巷→二盤區(qū)回風(fēng)立井。

表2 二盤區(qū)進(jìn)風(fēng)、用風(fēng)、回風(fēng)段阻力大小及所占比例

對于二盤區(qū)經(jīng)8212工作面通風(fēng)線路而言，進(jìn)風(fēng)區(qū)段阻力比例為16.92%，用風(fēng)區(qū)段的阻力為73.72%，回風(fēng)區(qū)段阻力9.36%，用風(fēng)區(qū)段所占阻力偏大，這是由于二盤區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)由于布置有瓦斯抽放管路，導(dǎo)致回風(fēng)巷內(nèi)有效斷面較小，并且這段回風(fēng)巷內(nèi)風(fēng)量較大，從而引起通風(fēng)阻力較大，其他各段所占比例較小?？傮w上，由于通風(fēng)線路較長，整體上巷道斷面較大，因此，通風(fēng)阻力總體分布均勻。

（3）經(jīng)三盤區(qū)8102工作面通風(fēng)線路的阻力分析

以經(jīng)三盤區(qū)8102工作面的通風(fēng)線路為例，礦井總阻力2 196 Pa。具體通風(fēng)線路為：

雁崖進(jìn)風(fēng)立井→進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷-Ⅱ→進(jìn)風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷→進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷-Ⅰ→山4號(hào)層輔運(yùn)巷→東翼輔運(yùn)巷→2102巷→8102工作面→5102巷→5102巷回風(fēng)繞道（風(fēng)門）→東翼回風(fēng)巷→山4號(hào)層回風(fēng)巷→回風(fēng)聯(lián)巷-Ⅰ→雁崖回風(fēng)立井。

表3 三盤區(qū) 進(jìn)風(fēng)、用風(fēng)、回風(fēng)段阻力大小及所占比例

對于經(jīng)三盤區(qū)8102工作面通風(fēng)線路而言，進(jìn)風(fēng)區(qū)段阻力比例為9.61%，用風(fēng)區(qū)段的阻力為28.47%，回風(fēng)區(qū)段阻力61.92%，回風(fēng)區(qū)段所占阻力偏大，這是由于東翼8102工作面距離雁崖擴(kuò)區(qū)回風(fēng)井較遠(yuǎn)，并且東翼回風(fēng)巷與山4號(hào)層回風(fēng)巷風(fēng)量較大、線路較長，其他各段所占比例較小?？傮w上，由于通風(fēng)線路較長，巷道斷面較大，因此，通風(fēng)阻力總體分布均勻。

4 通風(fēng)系統(tǒng)測試總結(jié)及建議

根據(jù)測算結(jié)果可以看出：

（1）塔山煤礦有效風(fēng)量為693.29 m3/s，礦井總進(jìn)風(fēng)量為793.90 m3/s，有效風(fēng)量率為693.29/793.90×100%=87.33%。建議通過進(jìn)一步加強(qiáng)通風(fēng)管理，減少漏風(fēng)，可以進(jìn)一步提高有效風(fēng)量率，減少通風(fēng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（2）一盤區(qū)盤道回風(fēng)立井實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量為290.42 m3/s，阻力2 350 Pa，等積孔為7.13 m2；二盤區(qū)回風(fēng)立井實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量為289.53 m3/s，阻力2 258 Pa，等積孔為7.25 m2；雁崖礦擴(kuò)區(qū)回風(fēng)立井實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量為254.78 m3/s，阻力2 196 Pa，等積孔為6.47 m2。三個(gè)系統(tǒng)的等積孔較大，通風(fēng)阻力較小，各系統(tǒng)通風(fēng)容易。符合“煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件AQ 1028-2006”的要求。

（3）礦井巷道斷面規(guī)整，維護(hù)良好，可以保證正常的生產(chǎn)通風(fēng)。