礦井外部漏風(fēng)率精準(zhǔn)測(cè)算方法的研究與應(yīng)用

戴子棟

(河南能源化工集團(tuán)永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600)

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)日常管理中，礦井外部漏風(fēng)率是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，該指標(biāo)既影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)是否合理運(yùn)行，也是衡量礦井主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況是否良好和通風(fēng)管理水平是否到位的判定依據(jù)[1]。礦井外部漏風(fēng)是指新鮮風(fēng)流經(jīng)地表裂縫或風(fēng)井附近的通風(fēng)設(shè)施漏入風(fēng)硐，并經(jīng)主要通風(fēng)機(jī)排出地表的風(fēng)量。《煤礦安全規(guī)程》第158條規(guī)定：“主要通風(fēng)機(jī)必須安裝在地面，裝有通風(fēng)機(jī)的井口必須封閉嚴(yán)密，其外部漏風(fēng)率在無(wú)提升設(shè)備時(shí)不得超過(guò)5%，有提升設(shè)備時(shí)不得超過(guò)15%”[2]。因此，減小外部漏風(fēng)率、提高礦井的有效風(fēng)量，才能保證礦井通風(fēng)安全工作的順利開(kāi)展。

目前，有多種測(cè)定方法可以測(cè)定礦井外部漏風(fēng)，針對(duì)具體礦井，需要對(duì)比各種測(cè)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，參考礦井通風(fēng)系統(tǒng)、外部漏風(fēng)通道、參數(shù)測(cè)定方法、主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況等現(xiàn)場(chǎng)因素來(lái)制定具體實(shí)施方案[1，3-5]。因此，選擇適用于本礦的外部漏風(fēng)測(cè)試方法，是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行外部漏風(fēng)測(cè)定時(shí)首先要解決的問(wèn)題。

1 礦井外部漏風(fēng)率測(cè)算方法

1.1 礦井通風(fēng)概況

陳四樓煤礦位于永城市陳集鎮(zhèn)境內(nèi)，主采二2煤層，2015年礦井升級(jí)為煤與瓦斯突出礦井。根據(jù)2016年瓦斯等級(jí)鑒定報(bào)告，瓦斯相對(duì)涌出量為2.26m3/t，絕對(duì)涌出量為12.46m3/min，煤層自燃等級(jí)為Ⅲ類不易自燃，煤塵爆炸危險(xiǎn)性鑒定結(jié)論為無(wú)爆炸危險(xiǎn)性。陳四樓煤礦礦井目前有5個(gè)井筒，通風(fēng)方式為兩翼對(duì)角式，主、副井及中央風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，南風(fēng)井、北風(fēng)井排風(fēng)，通風(fēng)方法為抽出式。南、北風(fēng)井均裝有FBCDZ№28/2×355型對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)2臺(tái)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。

1.2 測(cè)算方法選取

目前，礦井外部漏風(fēng)率測(cè)算方法有風(fēng)表直接測(cè)定法、瓦斯等值法、示蹤氣體法、精密測(cè)風(fēng)儀表法、漏風(fēng)路線風(fēng)阻法、風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)法[6]。通過(guò)對(duì)以上各種測(cè)定礦井外部漏風(fēng)量的方法進(jìn)行對(duì)比和分析，參考陳四樓礦主要通風(fēng)機(jī)及附屬設(shè)施的實(shí)際布置位置，本次外部漏風(fēng)測(cè)定采用風(fēng)表直接測(cè)定法。

以陳四樓煤礦為例，其外部漏風(fēng)主要來(lái)自風(fēng)硐、防爆門、閘閥、備用風(fēng)機(jī)本身及其附屬裝置的裂隙流入風(fēng)機(jī)的風(fēng)流。如果把整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)流當(dāng)做理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，礦井外部漏風(fēng)率的理論計(jì)算公式為：

式中：

C-表示礦井外部漏風(fēng)率；

Qt-表示主要通風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量，m3/min；

Q1-表示礦井總回風(fēng)量，m3/min。

由于在主要通風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口的風(fēng)流相對(duì)穩(wěn)定處比較容易直接測(cè)定Qt，所以正確測(cè)算外部漏風(fēng)率的關(guān)鍵是必須首先正確地測(cè)算出Q1。

對(duì)于井筒深度較大的立井，其井筒上口處的風(fēng)量才是礦井的總回風(fēng)量Q1，而直接使用礦井井下測(cè)量的總回風(fēng)量就會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏離真實(shí)值。

因此，在計(jì)算礦井外部漏風(fēng)率時(shí)，Q1值應(yīng)當(dāng)使用回風(fēng)井上口測(cè)得的風(fēng)量值。而實(shí)際上這個(gè)Q1值在井口上部并沒(méi)有合適的位置測(cè)量。

圖1 考察礦井外部漏風(fēng)率的通風(fēng)示意圖

在圖1中，對(duì)于深度較大的回風(fēng)井，由于其上、下兩端的風(fēng)流狀態(tài)變化較大，所以其風(fēng)流就不能視為理想氣體。流體力學(xué)中的風(fēng)流連續(xù)性方程不能成立，即Q1≠Q(mào)2。必須將回風(fēng)井看作是礦井通風(fēng)系統(tǒng)中與井下其他所有巷道不同的一條特殊巷道?？紤]到在回風(fēng)井中的風(fēng)流流動(dòng)是一個(gè)熱力變化過(guò)程，應(yīng)根據(jù)熱力學(xué)的基本原理來(lái)考察其狀態(tài)參數(shù)的變化。由于空氣從井下總回風(fēng)道至風(fēng)井上口與外界無(wú)熱量交換，可看作是一個(gè)絕熱膨脹過(guò)程，有以下方程成立:

式中：

Q2-回風(fēng)井下口的風(fēng)量，即井下總回風(fēng)量，m3/s；

T1-回風(fēng)井上口空氣溫度，K；

T2-回風(fēng)井下口空氣溫度，K；

n-絕熱指數(shù)，礦井空氣屬雙原子氣體，取1.4。

1.3 計(jì)算礦井外部漏風(fēng)率基本參數(shù)測(cè)定

采用風(fēng)表風(fēng)速法測(cè)定北風(fēng)井、南風(fēng)井總回風(fēng)量及主要通風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量，即北風(fēng)井、南風(fēng)井井上、下約定在同一時(shí)間分別測(cè)定井下總回風(fēng)量及主要通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量，南北風(fēng)井地面測(cè)點(diǎn)為風(fēng)硐內(nèi)，井下測(cè)點(diǎn)為南北翼總回風(fēng)巷。同時(shí)測(cè)定北風(fēng)井、南風(fēng)井井上、下溫度。要求各測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)定三次，且測(cè)定誤差在2%之內(nèi)，取其平均值為該巷道的平均風(fēng)速，同時(shí)測(cè)定測(cè)風(fēng)斷面的巷道斷面積，按下式計(jì)算井下總回風(fēng)量及主要通風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量。

式中：

Q-巷道內(nèi)風(fēng)量，m3/s；

S-測(cè)風(fēng)點(diǎn)處巷道斷面，m2；

V-巷道的平均風(fēng)速，m/s。

2 礦井外部漏風(fēng)率計(jì)算

2.1 根據(jù)熱力學(xué)方程計(jì)算礦井外部漏風(fēng)率

（1）北風(fēng)井外部漏風(fēng)率計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和計(jì)算，北風(fēng)井T1北=295K，T2北=298K，Q2北=176.73m3/s。

因此根據(jù)公式（2）變形得：Q1北=177.45m3/s。

根據(jù)公式（1）得：C北=1.25%。

（2）南風(fēng)井外部漏風(fēng)率計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和計(jì)算，南風(fēng)井T1南=295K，T2南=298K，Q2南=170m3/s。

因此根據(jù)公式（2）變形得：Q1南=170.69m3/s。

根據(jù)公式（1）得：C南=1.12%。

由此測(cè)得北風(fēng)井外部漏風(fēng)量為2.25m3/s，外部漏風(fēng)率為1.25%，南風(fēng)井外部漏風(fēng)量為1.93m3/s，外部漏風(fēng)率為1.12%。

2.2 根據(jù)理想氣體方程計(jì)算礦井外部漏風(fēng)率

（1）北風(fēng)井外部漏風(fēng)率計(jì)算

使用理想氣體方程時(shí)，不考慮氣體膨脹變化，北風(fēng)井Q1北’=Q2北’=176.73m3/s。

根據(jù)公式（1）得：C北’=1.65%。

（2）南風(fēng)井外部漏風(fēng)率計(jì)算

使用理想氣體方程時(shí)，不考慮氣體膨脹變化，南風(fēng)井Q1南’=Q2南’=170m3/s。

根據(jù)公式（1）得：C南’=1.52%。

由此測(cè)得北風(fēng)井外部漏風(fēng)量為2.96m3/s，外部漏風(fēng)率為1.65%，南風(fēng)井外部漏風(fēng)量為2.62m3/s，外部漏風(fēng)率為1.52%。

表1 風(fēng)量測(cè)定表

2.3 兩種方法測(cè)算的外部漏風(fēng)率比較

表2 誤差分析表

通過(guò)上述計(jì)算，明顯看出直接根據(jù)理想氣體方程計(jì)算礦井外部漏風(fēng)率比考慮氣體熱力學(xué)變化情況測(cè)算的礦井外部漏風(fēng)率要大，且兩種方法測(cè)得的外部漏風(fēng)率誤差在30%以上。可見(jiàn)，井筒深度較大時(shí)，使用理想狀態(tài)方程測(cè)算的外部漏風(fēng)率是不準(zhǔn)確的。

3 結(jié)論

（1）為提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的管理水平，本文以陳四樓礦為例，在礦井外部漏風(fēng)率測(cè)定過(guò)程中，選定適合礦井的測(cè)算方法，測(cè)定了礦井外部漏風(fēng)率。對(duì)于其他井筒深度較大的立井，精確測(cè)算礦井的外部漏風(fēng)率具有參考意義。

（2）根據(jù)陳四樓礦主要通風(fēng)機(jī)及附屬設(shè)施的實(shí)際布置位置，選定該礦測(cè)定礦井外部漏風(fēng)率的方法為風(fēng)表直接測(cè)定法。通過(guò)測(cè)定的礦井外部漏風(fēng)率基本參數(shù)，采用熱力學(xué)方程和理想氣體方程分別進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析誤差率，充分考慮了井筒深度、溫度對(duì)風(fēng)量的影響，采用熱力學(xué)方程計(jì)算的外部漏風(fēng)率較為準(zhǔn)確。

（3）最終測(cè)定并計(jì)算，陳四樓礦外部漏風(fēng)率：北風(fēng)井為1.25%，南風(fēng)井為1.12%。