準(zhǔn)確劃分礦井通風(fēng)難易程度探究

高志松

(山西省節(jié)能中心有限公司， 山西 太原 030045)

1 引 言

1.1 現(xiàn)行劃分方法

一直以來，礦井通風(fēng)難易程度都用等積孔大小來衡量。1873年繆爾格提出等積孔這一概念，并提出劃分礦井通風(fēng)難易程度分級標(biāo)準(zhǔn)，稱之為繆爾格法。具體見表1.

表1 礦井通風(fēng)難易程度分級表

影響等積孔大小的變量只有礦井總回風(fēng)量和礦井通風(fēng)阻力，單位為m2，相對簡單易記，能形象地表示礦井通風(fēng)難易程度，一直被世界主要產(chǎn)煤國廣泛應(yīng)用?？筛鶕?jù)式(1)計算等積孔大小：

(1)

式中：

h—礦井通風(fēng)阻力，Pa；

Q—礦井總回風(fēng)量，m3/s；

A—礦井等積孔，m2.

h=RQ2

(2)

式中：

R—礦井總風(fēng)阻，N·s2/m8.

1.2 問題的提出

繆爾格提出該分級方法時，礦井生產(chǎn)規(guī)模相對較小，采深較淺，礦井通風(fēng)系統(tǒng)相對簡單，礦井需風(fēng)量相對較小，具有普遍適用性。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，現(xiàn)代化礦井在生產(chǎn)規(guī)模、管理模式、生產(chǎn)技術(shù)、通風(fēng)方式和通風(fēng)方法上都有了巨大變化，可通過優(yōu)化礦井通風(fēng)設(shè)計和通風(fēng)技術(shù)管理，如增大礦井巷道斷面，降低井巷摩擦阻力系數(shù)，避免風(fēng)量過于集中等方法來降低礦井通風(fēng)阻力。

同時，另一個影響等積孔大小的關(guān)鍵變量—礦井總回風(fēng)量也大幅增大?，F(xiàn)代礦井通風(fēng)距離顯著變長，部分特大型礦井通風(fēng)路線長度甚至能達(dá)到數(shù)十千米，通風(fēng)線路越長，需要克服阻力的風(fēng)壓越大，能量越大，風(fēng)量越大。瓦斯涌出量隨著礦井產(chǎn)能的不斷增大而變大，尤其高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，需要更大的風(fēng)量來提供新鮮風(fēng)流稀釋井下有毒有害氣體，以保障井下人員的安全與健康；現(xiàn)代礦井通風(fēng)系統(tǒng)愈加復(fù)雜，用風(fēng)地點多，需風(fēng)量大；地溫隨開采深度增加不斷增高也使礦井需風(fēng)量不斷增大。

綜上所述，礦井通風(fēng)阻力能夠通過技術(shù)方法得以控制，而礦井總風(fēng)量受礦井通風(fēng)路線長度、礦井生產(chǎn)規(guī)模、瓦斯涌出量、地溫等因素影響而不可避免地增大，必然使礦井等積孔不斷增大。一些大型礦井、高瓦斯或者突出礦井利用繆爾格法判定礦井通風(fēng)難易程度為容易，但礦井實際仍顯得通風(fēng)困難、風(fēng)量不足。例如，某礦總回風(fēng)量Q=6 000 m3/min，礦井通風(fēng)阻力h=3 000 Pa，算得礦井等積孔A=2.2 m2，依據(jù)繆爾格法判定該礦通風(fēng)難易程度應(yīng)為容易。但實際情況是，該礦回風(fēng)段部分巷道由于地壓大而底鼓，斷面變小，風(fēng)速嚴(yán)重超標(biāo)，系統(tǒng)控風(fēng)設(shè)施較多，礦井風(fēng)量緊張，且不符合《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》相關(guān)規(guī)定，利用繆爾格法判定礦井通風(fēng)難易程度明顯失效。

1.3 研究現(xiàn)狀

針對礦井等積孔評價礦井通風(fēng)難易程度失效問題，美國、英國、歐盟等對分級標(biāo)準(zhǔn)做出過修訂，我國學(xué)者也對該問題進(jìn)行了多層次研究。俞啟香[1]通過統(tǒng)計分析礦井等積孔與礦井風(fēng)量關(guān)系，提出了新的礦井通風(fēng)難易程度分級方法；趙以蕙[2]提出了各類礦井通風(fēng)系統(tǒng)等積孔合理值的計算公式及指標(biāo)；胡朝仕等[3]依據(jù)礦井總風(fēng)量和回風(fēng)井?dāng)?shù)量提出了新的等積孔分級方法；馬礪等[4]綜合分析自然風(fēng)壓、外部漏風(fēng)等多種因素對通風(fēng)系統(tǒng)的影響，提出了新的修正方法；劉輝等[5]對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了分區(qū)劃分，并建立了通風(fēng)難易程度的評分模型。

在以往研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮我國對礦井風(fēng)量與阻力之間關(guān)系的要求和等積孔大小兩個因素，提出了準(zhǔn)確而合理的礦井通風(fēng)難易程度劃分方法。運用新的礦井通風(fēng)難易程度劃分方法對不同類型礦井中的典型案例進(jìn)行了重新劃分，既克服了《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》沒有對礦井通風(fēng)難易程度劃分的缺陷，又避免了現(xiàn)行分級方法造成的失效。

2 礦井通風(fēng)難易程度劃分新方法探究

2.1 礦井通風(fēng)阻力要求

我國在歷版《煤礦安全規(guī)程》中對通風(fēng)阻力要求僅局限于測定周期，并未對其限值和通風(fēng)難易程度作明確要求。為滿足安全技術(shù)及管理、安全監(jiān)察及監(jiān)管、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、安全生產(chǎn)法制建設(shè)的需要，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局于2006年12月1日頒布實施AQ 1028—2006《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》，對我國煤礦井工開采礦井通風(fēng)技術(shù)條件做了詳細(xì)的規(guī)定。

在劃分礦井通風(fēng)難易程度時礦井等積孔大小應(yīng)該隨著風(fēng)量變化而變化。由式(2)可知，礦井通風(fēng)阻力與風(fēng)量的二次方成正比，礦井通風(fēng)阻力隨風(fēng)量的變大而變大?；诖耍睹旱V井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》規(guī)定了不同礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量通風(fēng)阻力上限值，見表2.

表2 礦井通風(fēng)阻力要求表

2.2 礦井通風(fēng)難易程度新方法

《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》只對不同風(fēng)量時通風(fēng)阻力的上限值進(jìn)行了界定，并沒有對礦井通風(fēng)難易程度進(jìn)行劃分，也沒有對礦井通風(fēng)難易程度為中等或困難時應(yīng)采取何種措施來降阻做明確規(guī)定。且《煤礦安全規(guī)程》、《礦井通風(fēng)阻力測定方法》等其他煤炭行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也未對該部分內(nèi)容進(jìn)行具體規(guī)定。

綜合上文分析，參考通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量與系統(tǒng)的通風(fēng)阻力關(guān)系來確定礦井等積孔的合理范圍。取表2 中各臨界風(fēng)量和阻力，分別計算出對應(yīng)的等積孔值，具體結(jié)果見表3. 其中，取Q<3 000 m3/min，等積孔A<1.0 m2時系統(tǒng)的通風(fēng)難易程度為困難；考慮我國目前單風(fēng)機(jī)供風(fēng)能力，取單風(fēng)機(jī)運行時系統(tǒng)風(fēng)量上限值為30 000 m3/min. 此方法即滿足了《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》不同通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量下阻力限值要求，又可利用等積孔大小評價礦井通風(fēng)難易程度。

表3 不同風(fēng)量下礦井通風(fēng)難易程度分級表

對于礦井通風(fēng)難易程度為中等的礦井，建議通過通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、減小巷道摩擦阻力系數(shù)、減小巷道長度、避免巷道風(fēng)量過于集中等措施進(jìn)行降阻，使礦井通風(fēng)難易程度達(dá)到容易。

對于礦井通風(fēng)難易程度為困難的礦井，應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，必要時對礦井巷道進(jìn)行重新設(shè)計或開拓新的巷道，以使礦井通風(fēng)難易程度達(dá)到容易。

3 應(yīng)用實例

通過對不同類型礦井的典型案例進(jìn)行分析，不僅佐證了繆爾格法對現(xiàn)代礦井通風(fēng)難易程度劃分的失效，又驗證了新的劃分方法的合理性，見表4.

表4 不同類型礦井通風(fēng)難易程度比對表

蔭營礦通風(fēng)阻力測定時，共選定4條主要路線，分別對105回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)、302回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)、401回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)、301回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了阻力測定。依據(jù)現(xiàn)有分級標(biāo)準(zhǔn)，除105回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)阻力為中等外，其余均為容易。但根據(jù)礦井實際生產(chǎn)情況，其余3個通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)路線都較長，系統(tǒng)富裕風(fēng)量較小，部分巷道變形嚴(yán)重斷面較小，控風(fēng)設(shè)施較多，通風(fēng)阻力值偏大，通風(fēng)系統(tǒng)判定結(jié)果明顯失準(zhǔn)。

國強(qiáng)礦阻力測定期間礦井共布置1個回采工作面，無掘進(jìn)工作面和備用工作面，風(fēng)機(jī)單機(jī)運行情況下足以保證礦井需風(fēng)量。布置1條主要路線，進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段通風(fēng)阻力分別為161.0 hPa、142.8 Pa、194.8 Pa，通風(fēng)路線總長6 332 m，根據(jù)現(xiàn)場實測，除用風(fēng)段末端設(shè)置有調(diào)節(jié)風(fēng)門導(dǎo)致阻力較大外，進(jìn)風(fēng)段和回風(fēng)段巷道摩擦阻力系數(shù)均較小，明顯礦井通風(fēng)難易程度不屬于中等。

南凹寺礦為高瓦斯礦井，阻力測定期間布置1個回采工作面和1個掘進(jìn)工作面，礦井回采進(jìn)入末期，所剩資源不多，采煤工作面為分層開采，現(xiàn)回采下分層。由于回采進(jìn)入末期且保護(hù)煤柱設(shè)計不充足，導(dǎo)致30400集中回風(fēng)巷部分巷道變形嚴(yán)重，加之巷道中有瓦斯抽放管道，使該段阻力明顯較大，回風(fēng)段通風(fēng)阻力占全礦井總阻力的66.0%，進(jìn)而使全礦井阻力較大，判定為通風(fēng)容易明顯不妥。

木家莊礦同時開采5#和9#煤層，主立井和副立井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)，5#和9#煤層分別有各自專用回風(fēng)巷道。根據(jù)實測，5#煤采區(qū)回風(fēng)下山和9#煤采區(qū)回風(fēng)下山，由于礦壓較大，巷道底鼓嚴(yán)重，巷道斷面變小，而巷道風(fēng)量集中，使5#煤層回風(fēng)段阻力占總阻力的68.1%，9#煤層回風(fēng)段阻力占總阻力的76.2%，且礦井風(fēng)量富裕系數(shù)較小，主通風(fēng)機(jī)很難再通過調(diào)整角度增大風(fēng)量，礦井通風(fēng)難易程度明顯不屬于容易。

井工三礦通風(fēng)阻力測定期間，共布置1個綜采工作面、1個備用工作面和4個掘進(jìn)工作面，同時開采4#、9#煤層。從測定結(jié)果看，通風(fēng)阻力值接近國家規(guī)定限值，回風(fēng)段阻力較大，尤其九煤南翼回風(fēng)大巷存在較為嚴(yán)重的底鼓和片幫，礦井富裕風(fēng)量較小，且已無法通過調(diào)整主要通風(fēng)機(jī)增大風(fēng)量，判定為通風(fēng)容易明顯有失偏頗。

4 結(jié) 論

1) 等積孔大小未隨礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的增加而增大是導(dǎo)致繆爾格法劃分現(xiàn)代礦井通風(fēng)難易程度失效的主要原因。

2) 新的礦井通風(fēng)難易程度劃分方法綜合考慮了礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量與通風(fēng)阻力之間關(guān)系和等積孔兩個因素，通過不同類型礦井的典型案例較好地驗證了其準(zhǔn)確性及合理性。