店坪煤礦巷道斷面風(fēng)流速度分布研究

喬安良

（山西焦煤集團(tuán)霍州煤電集團(tuán)安全監(jiān)察局 ，山西 霍州 031400）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司方山店坪煤礦采用斜井-立井混合開拓方式，采用中央并列式通風(fēng)，屬低瓦斯礦井，有煤塵爆炸性，自燃傾向性為Ⅱ類自燃，該礦的主要支護(hù)方式有如下幾種：錨網(wǎng)索支護(hù)、錨噴支護(hù)、平整壁面支護(hù)等。巷道內(nèi)風(fēng)流速度的分布會對粉塵及有害氣體的積聚造成影響，而不同的支護(hù)方式會對巷道內(nèi)的風(fēng)流速度的分布造成一定影響。因此為了避免不同支護(hù)方式下巷道內(nèi)粉塵及有害氣體的積聚，需要對不同支護(hù)方式下巷道中的風(fēng)流速度分布進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測并分析。

2 巷道斷面風(fēng)速分布實(shí)測方法

2.1 測量設(shè)備[1]

考慮到現(xiàn)場井下環(huán)境對監(jiān)測設(shè)備的要求，本次風(fēng)速監(jiān)測選用CFJ系列機(jī)械式風(fēng)速表（4個(gè)）、卷尺、計(jì)時(shí)器、機(jī)械手表、和支撐桿等，該系列風(fēng)速表性能突出精確度高，具有防塵、防水、防爆的功能，能夠充分滿足井下惡劣環(huán)境對實(shí)際測量的要求，重量較輕便于攜帶，體積較小不會對巷道內(nèi)的風(fēng)流分布造成影響。4個(gè)風(fēng)速表中有2個(gè)CFJ5低速風(fēng)表，適用于巷道內(nèi)風(fēng)速較低時(shí)進(jìn)行風(fēng)速測量的情況；另2個(gè)為CFJ10中速風(fēng)表，適用于巷道內(nèi)風(fēng)速較高時(shí)進(jìn)行風(fēng)速測量的情況。

2.2 測量方案設(shè)計(jì)

為了研究不同支護(hù)形式下巷道中的風(fēng)速分布規(guī)律，選取店坪煤礦錨網(wǎng)索支護(hù)的主進(jìn)風(fēng)巷、錨噴支護(hù)的西翼回風(fēng)上山巷道及平整壁面支護(hù)的測風(fēng)站內(nèi)進(jìn)行巷道斷面風(fēng)速的測量，具體測量步驟如下。

第一步：精確測量并記錄要進(jìn)行風(fēng)速測量的巷道的斷面參數(shù)、支護(hù)參數(shù)及巷道斷面上的障礙物尺寸及位置等。

第二步：沿巷道斷面的豎直方向和水平方向?qū)嗝娴母叨群蛯挾鹊确譃?0分，共100個(gè)小斷面。采用機(jī)械式風(fēng)表依次在每一個(gè)小斷面的中心進(jìn)行風(fēng)速測量并進(jìn)行記錄，若某一小斷面內(nèi)有障礙物遮擋測量，則放棄該點(diǎn)的風(fēng)速測量進(jìn)行下一測點(diǎn)的測量，直至100個(gè)小斷面內(nèi)風(fēng)速測量完成。巷道斷面等分小斷面示意圖如圖1所示。

第三步：在進(jìn)行風(fēng)速測量的巷道內(nèi)布置一個(gè)固定的測點(diǎn)，將小斷面的風(fēng)速測量結(jié)果與該點(diǎn)的測量結(jié)果對比后進(jìn)行校核并修正，來避免巷道中風(fēng)速不穩(wěn)定造成的測量誤差[2]。上述測量方法是在理想的風(fēng)流穩(wěn)定的巷道內(nèi)進(jìn)行的，實(shí)際情況下巷道內(nèi)的風(fēng)流并不穩(wěn)定，但是在短時(shí)間內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)是基本穩(wěn)定的，因此為了減少巷道內(nèi)風(fēng)流不穩(wěn)定造成的誤差，風(fēng)速測量時(shí)需要在每個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行3次讀數(shù)取平均值，要求3次讀數(shù)時(shí)間間隔小于1min。

圖1 巷道斷面等分小斷面示意圖

3 不同支護(hù)方式下巷道斷面風(fēng)速實(shí)測及分析[3-4]

3.1 錨網(wǎng)索支護(hù)巷道斷面風(fēng)速實(shí)測及分析

該礦的主進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方式為錨網(wǎng)索支護(hù)，設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷道寬4.7m，高3.2m，巷道表面極不規(guī)整，兩幫壁面的凹凸度約為250mm。電纜、單軌吊、頂板錨索及抽放管道是該巷道斷面上的主要障礙物，其具體位置及斷面風(fēng)速測量結(jié)果如圖2所示。

圖2 錨網(wǎng)索支護(hù)下巷道斷面風(fēng)速分布圖

觀察圖2可發(fā)現(xiàn)：該巷道斷面風(fēng)速分布基本上為上下及左右對稱且中心風(fēng)速大、邊界風(fēng)速小，平均風(fēng)速為2.46m/s。確定y=1.6m時(shí)，巷道斷面風(fēng)速從兩幫到中心逐漸升高，當(dāng)風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%，即2.51m/s時(shí)，距離最低風(fēng)速處約1.3m，說明主進(jìn)風(fēng)巷巷道斷面兩幫壁面附近的低風(fēng)速區(qū)域厚度較大，這是由于該巷道的支護(hù)方式為錨網(wǎng)索支護(hù)并且巷道表面粗糙度較大所致；確定x=2.35m時(shí)，巷道斷面風(fēng)速從頂?shù)装宓街行难杆偕吆罄^續(xù)緩慢升高，當(dāng)風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%時(shí)，距離最低風(fēng)速處約0.217m；沿巷道斷面的對角線觀察發(fā)現(xiàn)：巷道斷面風(fēng)速從頂角到中心逐漸升高，到達(dá)極值后有所下降，后又逐漸升高，當(dāng)風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%時(shí)，距離最低風(fēng)速處約0.9m，說明巷道實(shí)際風(fēng)速分布并不與理論相同，多種因素導(dǎo)致了對角線上風(fēng)速的上下波動而不保持線性變化。通過對比發(fā)現(xiàn)錨網(wǎng)索支護(hù)條件下，確定x=2.35m時(shí)從巷道邊界到中心風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%時(shí)的距離最短為0.217m，斷面對角線方向上的距離較長為0.9m，確定y=1.6m時(shí)的距離最長為1.3m，說明頂?shù)装甯浇惋L(fēng)速區(qū)域厚度最小，斷面頂角附近次之，巷道兩幫壁面低風(fēng)速區(qū)域厚度最大。

3.2 錨噴支護(hù)巷道斷面風(fēng)速實(shí)測及分析

該礦的西翼回風(fēng)上山巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，支護(hù)方式為錨噴支護(hù)并且底板平整，巷道寬4.8m，高3.4m，巷道表面不平整，兩幫壁面的凹凸度約為150mm。電纜及抽放管道是該巷道斷面上的主要障礙物，其具體位置及斷面風(fēng)速測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 錨噴支護(hù)下巷道斷面風(fēng)速分布圖

觀察圖3發(fā)現(xiàn)：由于風(fēng)筒的影響導(dǎo)致巷道斷面上部的風(fēng)速較小，不受其影響的下部風(fēng)速較大，斷面內(nèi)沒有明顯的高風(fēng)速區(qū)域并且分布均勻左右對稱，這是錨噴支護(hù)下巷道表面的凹凸度較小所致，巷道斷面的平均風(fēng)速為1.8m/s。確定y=1.7m時(shí)，巷道斷面風(fēng)速從頂?shù)装宓街行南妊杆偕?，到達(dá)一定值后又有少量的增加，當(dāng)風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%，即1.89m/s時(shí)，距離最低風(fēng)速處約0.543m，與錨網(wǎng)索支護(hù)下的主進(jìn)風(fēng)巷對比可發(fā)現(xiàn)，由于該巷道兩幫壁面的凹凸度小于主進(jìn)風(fēng)巷，所以該巷兩幫壁面的低風(fēng)速區(qū)域厚度較小；確定x=2.4m時(shí)，巷道斷面風(fēng)速從頂板到中心迅速升高后繼續(xù)緩慢升高，當(dāng)風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%時(shí)，距離最低風(fēng)速處約0.88m，巷道斷面風(fēng)速從底板到中心迅速升高后繼續(xù)緩慢升高，當(dāng)風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%時(shí)，距離最低風(fēng)速處約0.127m，說明頂板附近的低風(fēng)速區(qū)域厚度遠(yuǎn)大于底板附近低風(fēng)速區(qū)域；沿巷道斷面的對角線觀察發(fā)現(xiàn)：巷道斷面風(fēng)速從頂角到中心先迅速升高，然后趨于平緩，隨后又升高，當(dāng)風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%時(shí)，距離最低風(fēng)速處約1.871m，由于巷道頂板較粗糙及風(fēng)筒的阻礙導(dǎo)致巷道頂角的低風(fēng)速區(qū)域較厚。對比后發(fā)現(xiàn)錨噴支護(hù)的巷道中，頂角附近的低風(fēng)速區(qū)域厚度最大，兩幫壁面低風(fēng)速區(qū)域厚度較薄，底板附近的低風(fēng)速區(qū)域厚度最薄。

3.3 平整壁面巷道斷面風(fēng)速實(shí)測及分析

測風(fēng)站所在巷道為矩形巷道，寬3m，高4m，支護(hù)方式為錨噴支護(hù)，測風(fēng)站內(nèi)巷道壁面處理為平整的水泥壁面。抽放管道是該巷道斷面上的主要障礙物，其具體位置及斷面風(fēng)速測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 平整壁面巷道斷面風(fēng)速分布圖

觀察圖4發(fā)現(xiàn)：測風(fēng)站上下及左右風(fēng)速分布基本對稱，斷面中部偏下風(fēng)速較高，邊界風(fēng)速較小，斷面上部受風(fēng)筒影響致使風(fēng)速相對較小，平均風(fēng)速為2.02m/s。確定y=1.5m時(shí)，巷道斷面風(fēng)速從頂?shù)装宓街行南妊杆偕?，后緩慢升高，?dāng)風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%，即2.08m/s時(shí)，距離最低風(fēng)速處約0.303m，與之兩種支護(hù)方式下斷面風(fēng)速對比可發(fā)現(xiàn)，由于測風(fēng)站兩幫壁面的凹凸度最小，所以測風(fēng)站兩幫壁面的低風(fēng)速區(qū)域厚度最??；確定x=2.0m時(shí)，巷道斷面風(fēng)速從頂板到中心迅速升高并趨于穩(wěn)定，后繼續(xù)緩慢升高，當(dāng)風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%時(shí)，距離最低風(fēng)速處約0.406m，巷道斷面風(fēng)速從底板到中心迅速升高后繼續(xù)緩慢升高，當(dāng)風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%時(shí)，距離最低風(fēng)速處約0.217m，說明頂板附近的低風(fēng)速區(qū)域厚度遠(yuǎn)大于底板附近低風(fēng)速區(qū)域，這是由于風(fēng)筒造成一定的風(fēng)阻所致；沿巷道斷面的對角線觀察發(fā)現(xiàn)：巷道斷面風(fēng)速從頂角到中心先緩慢升高，然后快速升高，當(dāng)風(fēng)速升高至最高風(fēng)速的80%時(shí)，距離最低風(fēng)速處約0.919m，說明測風(fēng)站斷面內(nèi)頂角的低風(fēng)速區(qū)域厚度最大，這是由于風(fēng)筒的風(fēng)阻及頂角的粗糙度較大等多種影響所致。

4 結(jié) 論

本文通過在錨網(wǎng)索支護(hù)、錨噴支護(hù)、平整壁面支護(hù)的矩形巷道中進(jìn)行斷面風(fēng)流速度分布實(shí)測發(fā)現(xiàn)：巷道壁面及障礙物附近的風(fēng)速較低，巷道中部的風(fēng)速較高，但是并不是所有支護(hù)方式下巷道內(nèi)的最高風(fēng)速區(qū)域都在巷道的中心位置；巷道壁面的粗糙度越大，巷道內(nèi)低風(fēng)速區(qū)域越大并且巷道內(nèi)的平均風(fēng)速越大，低風(fēng)速區(qū)域越小。因此，對于頂板及兩幫較為粗糙的支護(hù)形式下的巷道，應(yīng)認(rèn)真評估其低風(fēng)速區(qū)域，避免造成有害氣體的積聚，必要時(shí)應(yīng)采區(qū)加大風(fēng)量或修整壁面來保證礦井的安全生產(chǎn)。