東灘煤礦通風(fēng)阻力測定及自然風(fēng)壓測定

曹懷軒 ，李繼良 ，陳 軍

（1. 兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東鄒城 273500；2. 山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

0 引 言

東灘煤礦隸屬于兗州煤業(yè)股份有限公司，屬于國有股份制企業(yè)，位于以“孔孟之鄉(xiāng)，禮儀之邦”聞名于世的山東省濟(jì)寧市，歷史文化資源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境得天獨厚，交通發(fā)達(dá)，鐵路、公路、水路和海運條件非常便利。煤田處于兗州、曲阜、鄒城三市交界處，面積60km2，可采儲量4.4 億t。該煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力400萬t/a，1989 年12 月建成投產(chǎn)，經(jīng)多次技術(shù)改造和系統(tǒng)優(yōu)化，核定生產(chǎn)能力1021.9 萬t/a。服務(wù)年限為33.9年。主要通風(fēng)機為法國產(chǎn)HDR280- 69 型軸流式風(fēng)機，電機型號為PA100G90- 70/6，葉輪直徑2.8m。當(dāng)一臺風(fēng)機發(fā)生故障時，另一臺風(fēng)機按照設(shè)定的程序自動投入運行。風(fēng)機性能優(yōu)越，具有動態(tài)調(diào)整葉片角度來調(diào)整風(fēng)機性能和風(fēng)機葉片動態(tài)。鑒于東灘煤礦風(fēng)機距今已有30 多年的歷史，設(shè)備已經(jīng)老化，風(fēng)葉也出現(xiàn)故障，有必要對煤礦的通風(fēng)阻力進(jìn)行測定[1]。與此同時，礦井通風(fēng)阻力的測定也是礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算和礦井通風(fēng)能力核實的需要[2]。深井自然風(fēng)壓的變化對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和礦井的安全生產(chǎn)具有明顯的影響。了解自然風(fēng)壓的變化規(guī)律及其影響因素，根據(jù)礦山實際情況合理利用和控制自然風(fēng)壓。減輕自然風(fēng)壓對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)面影響，對礦井安全生產(chǎn)、防災(zāi)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[3]。

1 井田概況

本井田位于山東省鄒城、兗州、曲阜三市接壤地區(qū)，東西寬4.8km，南北長12.50km，面積約60km2。其中 3 煤、16上煤、17 煤全區(qū)可采。

井田地面標(biāo)高+42.46m～+54.58 m，地勢由東北向西南逐漸降低，坡度平緩。井口標(biāo)高：主、副井為+49.85 m，西風(fēng)井為+48.9m，北風(fēng)井為+48.8m。

本井田含煤地層主要由二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組構(gòu)成。山西組和太原組為主要含煤地層，平均總厚319m，含煤27 層，平均總厚18.77m，含煤系數(shù)5.88%；共含可采與局部可采煤層7 層（2、3、6、15上、16上、17、18上2），平均煤層總厚 12.92 m，其中主采煤層為 3（局部分為 3上、3下）、16上、17 煤，共厚10.58 m，占可采總厚的82%，特別是3 煤，厚度變化小、穩(wěn)定，是該礦開采的主要煤層。

2 東灘煤礦通風(fēng)阻力測定

2.1 測定步驟及主要測定參數(shù)

為了測定工作的正常進(jìn)行，將會配備幾名測定的人員，本次測定配備的人員及具體分工如下：

1）地面基點氣壓計讀數(shù)，1 人；

2）測定各測點風(fēng)流的絕對壓力和相對壓力，1人；

3）測定各測點風(fēng)速，1 人；

4）測量各測點巷道的斷面尺寸，1 人；

5）測定各測點干、濕球溫度，1 人；

6）記錄數(shù)據(jù)，1 人。

通過合理分工后，人員總數(shù)為3～4 人，其中測風(fēng)員一名。

現(xiàn)場測定的主要參數(shù)有：絕對靜壓；兩測點間的相對靜壓；大氣壓力；風(fēng)速；巷道周長及面積；兩測點的間距；干球溫度；濕球溫度。

2.2 測定路線選擇

根據(jù)通風(fēng)阻力測定的相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合東灘煤礦礦井實際情況，選擇了兩條進(jìn)回風(fēng)路線長、風(fēng)量相對較大且包含采煤工作面，從而能反映通風(fēng)系統(tǒng)特征的特點，同時選擇了多條輔測路線[4]。為了了解整個東灘礦井通風(fēng)系統(tǒng)的阻力現(xiàn)狀，根據(jù)應(yīng)有的實際情況，其主要測量路線如下：

1）主測路線1（6303 準(zhǔn)備工作面通風(fēng)系統(tǒng)）

副井口→南翼軌道大巷→南翼軌道下山→6303軌順→6303 工作面→6303 運順→南翼總回風(fēng)聯(lián)→南翼總回風(fēng)巷→西翼總回風(fēng)巷→西回風(fēng)井→西風(fēng)井地面風(fēng)硐。

圖1 主測路線1 測點布置示意圖

2）主測路線2（3306 工作面通風(fēng)系統(tǒng)）。

副井口→副井底→東翼軌道石門→東翼軌道大巷→三采區(qū)行人巷→3306 軌道順槽→3306 工作面→3306 運輸順槽→2 煤軌道巷→東翼新增回風(fēng)巷→東翼第一回風(fēng)巷→東翼上部回風(fēng)巷→東翼總回風(fēng)巷→北回風(fēng)井→北風(fēng)井地面風(fēng)硐。

圖2 主測路線2 測點布置示意圖

3 通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定結(jié)果

礦井通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力的理論阻力值可按下式計算：

式中：Hf為礦井通風(fēng)阻力的理論值，Pa；HC為扇風(fēng)機房“U”型水柱計讀數(shù)，Pa；Hvf為風(fēng)機風(fēng)硐內(nèi)測壓斷面的速壓，Pa；Hn為該系統(tǒng)的自然風(fēng)壓，Pa。

則礦井通風(fēng)系統(tǒng)的測定誤差按下式計算：

式中：δ 為相對誤差，%，一般要求小于等于5%；Hs為礦井通風(fēng)阻力的實測值，Pa。

1）西風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定。

2018 年 12 月 18 日、19 日，項目組測定成員對西風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了阻力測定，經(jīng)過測定和計算，主測路線6303 工作面的累計總阻力為2195 Pa；測定當(dāng)天，西風(fēng)井風(fēng)機房“U”型水柱計讀數(shù)(風(fēng)硐靜壓)為2250 Pa，西風(fēng)井風(fēng)硐計算動壓為118 Pa，實測自然風(fēng)壓(累計位壓差)為168 Pa，則理論計算的礦井通風(fēng)阻力為：2250 Pa－118 Pa＋168 Pa＝2300 Pa。

按風(fēng)機房“U”型水柱計讀數(shù)計算阻力誤差為：

絕對誤差：△h＝｜2300－2195｜＝105(Pa)

相對誤差：δ＝105÷2300＝4.54%＜5%

測定及計算誤差符合要求，可用于下一步的網(wǎng)絡(luò)解算。

2）北風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定。

2019 年 2 月 12 日 ～2 月 14 日，項目組成員進(jìn)行了北風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定，經(jīng)過測定和計算，主測路線3306 工作面累計總阻力為2827 Pa；測定當(dāng)天，北風(fēng)井風(fēng)機房“U”型水柱計讀數(shù)(風(fēng)硐靜壓)為2780 Pa，北風(fēng)井風(fēng)硐計算動壓為184 Pa，實測自然風(fēng)壓(累計位壓差)為177 Pa，則理論計算的礦井通風(fēng)阻力為：2780 Pa－184 Pa＋177 Pa＝2773 Pa。

按風(fēng)機房“U”型水柱計讀數(shù)計算阻力誤差為：

絕對誤差：△h＝｜2773－2827｜＝54（Pa）

相對誤差：δ＝54÷2773＝1.95%＜5%

測定及計算誤差符合要求，可用于下一步的網(wǎng)絡(luò)解算。

4 自然風(fēng)壓的測定方法及結(jié)果

間接測定法是為了測定出進(jìn)、回風(fēng)兩井筒空氣柱的平均密度，間接求算出自然風(fēng)壓大小。為保證測定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，在保證安全的前提下，采用多人多點定時測定溫度。同時監(jiān)測和記錄地面大氣壓變化。間接法對生產(chǎn)影響小，可進(jìn)行連續(xù)和長期觀測，得到一年的自然風(fēng)壓變化曲線，此次自然風(fēng)壓的測定選用間接測定法。

采用間接計算法，聯(lián)合相關(guān)巷道參數(shù)東灘煤礦全年四個季節(jié)典型月份自然風(fēng)壓測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，如表1 所示。

表1 東灘煤礦全年不同季節(jié)自然風(fēng)壓測定結(jié)果

從表1 可以看出：東灘煤礦自然風(fēng)壓在冬季達(dá)到最大為177 Pa，夏季自然風(fēng)壓最小值為102 Pa，自然風(fēng)壓波動范圍為75 Pa。結(jié)合以上自然風(fēng)壓變化規(guī)律可以得知，對于東灘煤礦這一特定礦井來說，影響其自然風(fēng)壓變化的最主要因素是溫度和濕度，由溫度和濕度變化引起的空氣密度改變是導(dǎo)致自然風(fēng)壓變化的最主要原因。

5 結(jié) 論

結(jié)合東灘煤礦現(xiàn)場實際情況及通風(fēng)阻力計算結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

1）東灘煤礦本次通風(fēng)阻力測定，相對誤差為1.95%，精度符合通風(fēng)阻力測定要求[5]。

2） 6303 工作面通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段以及回風(fēng)段阻力值所占比重較為均衡，基本與供風(fēng)距離成正比例關(guān)系，主要是由于該工作面供風(fēng)距離較短，沒有折返路線，同時，通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)為確保西風(fēng)井系統(tǒng)14 采區(qū)的正常供風(fēng)，6 采區(qū)存在人工增阻調(diào)風(fēng)的情況。

3）3036 工作面通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)、回風(fēng)段阻力值及所占比重偏高，而用風(fēng)段距離占總距離的2.92%，阻力值僅占總阻力的5.3%，主要是由于該采區(qū)距離進(jìn)回風(fēng)井距離較遠(yuǎn)，單程均超過7000 米，屬于典型的遠(yuǎn)距離供風(fēng)，尤其是回風(fēng)巷，部分巷道段存在年久失修的情況，導(dǎo)致通風(fēng)阻力大幅度提高。

4）3036 工作面通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)段普遍存在“之”字型回風(fēng)，例如二煤回風(fēng)巷與東翼第二皮帶巷連接處、東翼第一回風(fēng)巷與東翼上部回風(fēng)巷交叉處等，直接導(dǎo)致部分巷道段局部阻力急劇增大，應(yīng)該作為下一步通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的重點。

5）東灘煤礦自然風(fēng)壓主要受溫度和濕度的影響，冬季自然風(fēng)壓達(dá)到最大為177 Pa，夏季自然風(fēng)壓最小值為102 Pa，自然風(fēng)壓波動范圍為75 Pa，接下來將合理地利用和控制自然風(fēng)壓，降低自然風(fēng)壓對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)面影