基點(diǎn)氣壓計(jì)法在星火煤礦通風(fēng)阻力測(cè)定中的應(yīng)用

王健健，李瑞海，常 峰

(陜西煤礦安全裝備檢測(cè)中心有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

通風(fēng)是井下各項(xiàng)工作開展的基礎(chǔ)，風(fēng)流在巷道中流動(dòng)時(shí)受到巷道井壁等影響會(huì)產(chǎn)生風(fēng)阻，從而造成通風(fēng)能量損失[1-2]。因此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，新建礦井投產(chǎn)前，必須進(jìn)行一次礦井通風(fēng)阻力測(cè)定，隨后每3年至少測(cè)定一次，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(cè)定[3-4]。陜西星火煤礦位于陜西省韓城市新城區(qū)西北約5 km處，行政區(qū)劃隸屬陜西省韓城市板橋鄉(xiāng)和西莊鎮(zhèn)管轄。礦井采用“一斜井兩立井”的混合開拓方式，共有3個(gè)井筒，即主立井、副斜井和回風(fēng)立井，可采煤層為2、3、11號(hào)煤，目前首采面為2號(hào)煤層。礦井通風(fēng)方式為中央并列抽出式，在回風(fēng)立井井口安裝2臺(tái)FBCDZ-No-26型礦用防爆抽出式對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，其中1臺(tái)工作，1臺(tái)備用，配用功率2×355 kW。

為全面了解星火煤礦通風(fēng)系統(tǒng)擴(kuò)建、改造后的現(xiàn)狀，陜西煤礦安全裝備檢測(cè)中心有限公司同星火煤礦有關(guān)人員密切配合，于 2020年9月，對(duì)其通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了檢驗(yàn)和測(cè)定，全面了解通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，以期為其后期制定各種通風(fēng)安全措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 阻力測(cè)定

1.1 基點(diǎn)氣壓計(jì)法測(cè)定原理

基點(diǎn)氣壓計(jì)法測(cè)定礦井通風(fēng)阻力，是采用精密氣壓測(cè)量得出測(cè)點(diǎn)間的絕對(duì)靜壓差、動(dòng)壓差和位能差，它們之和為兩測(cè)點(diǎn)巷道的通風(fēng)阻力[5-6]。假設(shè)兩測(cè)點(diǎn)所在巷道斷面分別為 1、2，則單位體積流體能量方程為

(1)

測(cè)定時(shí)，用1臺(tái)精密氣壓計(jì)測(cè)出其絕對(duì)靜壓p1、p2；用風(fēng)表測(cè)出平均風(fēng)速v1、v2；用干、濕溫度儀測(cè)出氣溫t1、t2和相對(duì)濕度φ1、φ2。然后根據(jù)各斷面的絕對(duì)靜壓值、氣溫值和相對(duì)濕度值，計(jì)算各斷面的空氣密度ρ。各斷面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)得后，代入式(1)即可得到測(cè)段1-2的通風(fēng)阻力。但只用1臺(tái)精密氣壓計(jì)測(cè)量測(cè)點(diǎn)1、2的絕對(duì)靜壓p1、p2時(shí)，不能同時(shí)進(jìn)行，然而在這一段時(shí)間內(nèi)，地面大氣壓力可能發(fā)生了變化，給測(cè)值的精確度帶來(lái)嚴(yán)重的影響。因此使用2臺(tái)溫度漂移特性基本一致的精密氣壓計(jì)，其中1臺(tái)置于基點(diǎn)監(jiān)測(cè)大氣壓的變化，另1臺(tái)沿測(cè)點(diǎn)逐點(diǎn)測(cè)量測(cè)點(diǎn)絕壓等參數(shù)。這時(shí)兩測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)靜壓差為

p1-2=(p1-p2)-(p01-p02)

(2)

式中，p1-2為兩測(cè)點(diǎn)間的絕對(duì)靜壓差，Pa；p01-p02為基點(diǎn)監(jiān)測(cè)的絕對(duì)靜壓差，Pa。

1.2 測(cè)定方法及儀器

礦井通風(fēng)阻力測(cè)定是礦井通風(fēng)技術(shù)管理工作的主要組成部分，也是掌握生產(chǎn)礦井通風(fēng)現(xiàn)狀的重要手段，它為礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)、調(diào)整及強(qiáng)化礦井的通風(fēng)系統(tǒng)管理提供了科學(xué)依據(jù)，為災(zāi)變時(shí)期控制風(fēng)流提供了必要的技術(shù)參數(shù)[7-8]。阻力測(cè)定方法采用基點(diǎn)氣壓計(jì)法，選用2臺(tái)(編號(hào)記為Ⅰ、Ⅱ)精度符合要求的氣壓計(jì)(CFZZ6)，在副斜井井口地面選定基點(diǎn)，校對(duì)好2臺(tái)儀器，并記錄各自初始讀數(shù)，Ⅰ號(hào)儀器由測(cè)試人員攜帶，按照預(yù)先確定的通風(fēng)阻力測(cè)定線路，逐點(diǎn)測(cè)定、記錄各測(cè)點(diǎn)的參數(shù)。同時(shí)，為了消除地面大氣壓力變化對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)的影響，將Ⅱ號(hào)儀器布置在副斜井井口作為基點(diǎn)[9-10]，由測(cè)試人員每隔5 min測(cè)定，并記錄大氣壓數(shù)值一次，以對(duì)井下測(cè)點(diǎn)氣壓變化進(jìn)行校正，提高測(cè)定精度。測(cè)定儀器見表1。

表1 阻力測(cè)定儀器Table 1 Instruments for resistance measurement

1.3 測(cè)定路線及測(cè)點(diǎn)布置

礦井風(fēng)阻測(cè)定路線選取沿主流風(fēng)流方向，風(fēng)路最長(zhǎng)的通風(fēng)線路[11]。測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在標(biāo)高明晰，風(fēng)流分、匯點(diǎn)之前和局部阻力較大地點(diǎn)前后以及典型巷道的首末，盡量避免布置在巷道斷面不規(guī)則，風(fēng)流不穩(wěn)定的三岔口[12]。根據(jù)上述原則并結(jié)合礦井實(shí)際情況，具體確定的礦井通風(fēng)阻力測(cè)定主線路為副斜井井口(基點(diǎn))→副斜井→390石門→240軌道大巷→3號(hào)煤膠帶大巷→2101運(yùn)巷→2101工作面→2101回巷→2號(hào)煤盤區(qū)專用回風(fēng)大巷→總回風(fēng)巷→回風(fēng)立井→風(fēng)機(jī)→大氣。

1.4 通風(fēng)參數(shù)測(cè)定及計(jì)算

1.4.1 測(cè)點(diǎn)空氣密度的計(jì)算

空氣密度的計(jì)算見式(3)

(3)

式中，ρi為測(cè)點(diǎn)處空氣密度，kg/m3；P0為測(cè)點(diǎn)處空氣的絕對(duì)靜壓，Pa；φ為空氣相對(duì)濕度，%；psh為測(cè)點(diǎn)溫度為t℃時(shí)，空氣的絕對(duì)飽和水蒸汽壓力，Pa；t為空氣溫度，℃；i為測(cè)點(diǎn)編號(hào)。

1.4.2 參數(shù)測(cè)定

用激光測(cè)距儀測(cè)量出各測(cè)點(diǎn)的巷道參數(shù)，然后按巷道形狀為梯形、半圓拱、三心拱等用公式計(jì)算出巷道的凈斷面及周長(zhǎng)。按預(yù)定線路對(duì)各測(cè)點(diǎn)采用人工、風(fēng)表法測(cè)風(fēng)，實(shí)測(cè)的平均風(fēng)速按風(fēng)表校正曲線校正后，再乘以測(cè)風(fēng)校正系數(shù)，換算成測(cè)點(diǎn)的真實(shí)風(fēng)速，再由平均風(fēng)速和斷面積計(jì)算各測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)量。根據(jù)各測(cè)段井巷參數(shù)、風(fēng)量及阻力，按照相應(yīng)的公式計(jì)算出井巷風(fēng)阻R，百米風(fēng)阻R100和摩擦阻力系數(shù)α等。

2 結(jié)果及分析

2.1 通風(fēng)阻力計(jì)算

2.1.1 測(cè)段間的通風(fēng)阻力

測(cè)段間的通風(fēng)阻力的計(jì)算見式(4)

hij=kⅠ(pⅠi-pⅠj)-kⅡ(pⅡi-pⅡj)+

(4)

2.1.2 系統(tǒng)總阻力

系統(tǒng)總阻力的計(jì)算見式(5)

(5)

式中，hr為系統(tǒng)總阻力，Pa；hij為測(cè)段間的通風(fēng)阻力，Pa；n為進(jìn)風(fēng)井口到風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口處測(cè)段數(shù)。

2.1.3 通風(fēng)阻力計(jì)算結(jié)果

通過(guò)實(shí)測(cè)取得全部原始數(shù)據(jù)后進(jìn)行整理與計(jì)算，得出實(shí)測(cè)阻力等通風(fēng)參數(shù)情況，見表2。從計(jì)算結(jié)果可見，該礦井實(shí)測(cè)總回風(fēng)量為6 663 m3/min，實(shí)測(cè)總阻力為1 581 Pa，表明該礦井通風(fēng)阻力滿足AQ1028—2006《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量和系統(tǒng)通風(fēng)阻力的要求[13]。

表2 星火煤礦礦井通風(fēng)阻力測(cè)定Table 2 Measurement table of mine ventilation resistance in Xinghuo Coal Mine

2.2 通風(fēng)阻力分布情況及分析

實(shí)測(cè)出全部原始數(shù)據(jù)后進(jìn)行整理與計(jì)算，得出通風(fēng)阻力分布情況，見表3及圖1?？梢钥闯?，用風(fēng)段通風(fēng)阻力占礦井通風(fēng)總阻力的26.46%，進(jìn)風(fēng)段占 27.56 %，回風(fēng)段占45.99 %，礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布基本合理。

圖1 通風(fēng)阻力分布Fig.1 Resistance distribution diagram

表3 星火煤礦礦井通風(fēng)阻力分布Table 3 Distribution of mine ventilation resistance in Xinghuo Coal Mine

2.3 等積孔

礦井等積孔的計(jì)算見式(6)

(6)

式中，Q為實(shí)測(cè)風(fēng)量，111.06 m3/s；hr為實(shí)測(cè)礦井通風(fēng)總阻力，取1 581.61 Pa。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得礦井等積孔A為3.32 m2>2 m2，表明現(xiàn)階段該礦井通風(fēng)難易程度屬于容易。

2.4 測(cè)定精度分析

在本次礦井通風(fēng)阻力測(cè)定中，實(shí)測(cè)該礦井通風(fēng)系統(tǒng)從副斜井井口(基點(diǎn))→副斜井→240軌道大巷→3號(hào)煤膠帶大巷→2101運(yùn)巷→2101工作面→2101回巷→2號(hào)煤盤區(qū)專用回風(fēng)大巷→總回風(fēng)巷→回風(fēng)立井→風(fēng)機(jī)→大氣的一條主干測(cè)線，其精度檢驗(yàn)如下

(7)

式中，δ為相對(duì)誤差，%；hr為從進(jìn)風(fēng)井口至回風(fēng)井口通風(fēng)系統(tǒng)主測(cè)線上實(shí)測(cè)通風(fēng)總阻力，取1 581.61 Pa；Φ為精度指標(biāo)，一般取Φ=5%；h為依據(jù)通風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)、自然風(fēng)壓計(jì)算的通風(fēng)總阻力，其計(jì)算公式如下

h=hf-hv±hn

(8)

式中，hf為測(cè)定當(dāng)日風(fēng)機(jī)房U型水柱計(jì)讀數(shù)，1 520 Pa；hv為U型水柱計(jì)靜壓測(cè)孔的斷面處的速壓，27.16 Pa；hn為通風(fēng)主干測(cè)線上的自然風(fēng)壓，116.86 Pa。計(jì)算得h=1 609.7 Pa。

根據(jù)上述公式，代入相關(guān)數(shù)據(jù)得：δ=1.7%；因δ<5%。所以，測(cè)定結(jié)果有效。

3 結(jié)論

(1)全礦井通風(fēng)阻力的測(cè)定結(jié)果表明，井下通風(fēng)系統(tǒng)完善、合理、可靠，各用風(fēng)點(diǎn)通風(fēng)狀況良好，測(cè)定結(jié)果為礦井通風(fēng)安全技術(shù)管理提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

(2)采用基點(diǎn)氣壓計(jì)法對(duì)星火煤礦通風(fēng)阻力進(jìn)行測(cè)定，礦井通風(fēng)系統(tǒng)總阻力為1 581.61 Pa，雖然回風(fēng)段巷道阻力較大，但該礦井剛優(yōu)化調(diào)整了通風(fēng)系統(tǒng)，更換安裝了2臺(tái)FBCDZ-No-26主通風(fēng)機(jī)，根據(jù)主通風(fēng)機(jī)性能工況分析，具有很大的潛在能力。

(3)部分巷道存在積水，碼放有物料、雜物，巷道斷面不規(guī)則，建議主要通風(fēng)巷道不得隨意停放車輛，堆積材料，巷內(nèi)及時(shí)排水，堆積的物料要及時(shí)清除或排列整齊，盡量少堵塞井巷斷面，減小通風(fēng)阻力，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，保障通風(fēng)安全。