新维煤矿通风系统阻力测定及分析研究

程根银 刘 健

(华北科技学院安全工程学院，河北省三河市，065201)

新维煤矿隶属于四川芙蓉集团实业有限公司，2016年4月完成竣工验收开始正式投产，设计生产能力60万t/a，瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿井。新维矿采用平硐开拓方式，主要开采2#、3#、7#、8#煤层。该矿采用中央并列抽出式通风，布置有+431.0 m胶带主平硐、+431.0 m轨道副平硐、+686.05 m的排矸进风斜井、+466.0 m回风井4条井筒，主要通风机选用FBCDZ-40-N30型轴流式对旋通风机两台，通过电机反转实现矿井反风，具备完整、独立、可靠的通风系统。

矿井通风阻力测定是分析矿井通风状况，获取矿井阻力分布的重要途径，可以为矿井通风系统优化和风流调节提供基础资料和参数。目前主要的测定方法有同步法、基点法、比值校正法和逐点测量法。总结前人的经验得出，比值校正法和基点法容易出现较大的误差，同步法适用于井下局部区域阻力测定；逐点测量法精度高适用于大范围的矿井。由矿井的实际情况综上考虑选用逐点测量法进行阻力测定。

1 新维煤矿通风阻力测定

1.1 通风阻力测定路线及测点布置

根据《矿井通风阻力测定方法》，选取能反映矿井通风系统特征的最长通风路线作为主要测定路线，并选取次要路线。根据新维煤矿通风系统图选取1条主测路线和1条辅测路线。测点需要在分风点或合风点前后选定，测点3 m内巷道要支护良好无杂物堆积，测点布置位置能够控制主要井巷的阻力分布情况。主要内容是测定矿井通风总阻力以及计算井下主要巷道通风摩擦阻力系数。测定路线及测点布置见图1，根据新维矿通风系统图，共布置了36个测点，选取了1条主要测定路线和1条辅助测定路线。

图1 新维煤矿通风阻力测定测点布置

主要测定路线(1#风井)：1(主平硐)→8(+472人行巷)→13(一盘区下车场)→7(一盘区上车场)→10(8#煤层底板运输巷)→14(1#煤仓联络巷)→17(8104运输巷)→26(8104回风巷)→27(8104回风联络巷)→20(底板集中回风巷)→18(2#集中回风巷)→6(一盘区集中回风巷)→2(+440 m总回风石门)。

辅助测定路线(2#风井)：3(排矸斜井)→36(+430环形车场)→5(+430运输巷)→25(+430集中排水巷)→31(底板集中回风巷)→24(2012联络巷)→23(1#集中运输巷)→25(+430集中排水巷)→26(8104回风巷)→27(8104回风联络巷)→19(一盘区回风联络巷)→6(一盘区集中回风巷)→2(+440 m总回风石门)。

1.2 使用仪器及参数计算

压差计法逐点测量的实质是测量风流两点间的势能差和动能差，计算出两点间的通风阻力。

需要测定的井下物理参数包括：相对湿度，用通风干湿温度计测量干湿球温度，根据干湿球温度查表可以得到相对湿度；各测点的绝压，需要先用空盒气压计测量大气压力；巷道断面面积；用皮尺测得各测点的巷道断面的几何参数，把巷道断面形状分为半圆拱形、梯形、三心拱形，根据对应公式算出断面面积；各测段的距离，用钢卷尺测量。

各测定路线阻力值相加得到通风系统总阻力，测量中所需要的仪器见表1。

表1 通风阻力测定所需仪表仪器表

(1)计算风量时，用风速表测量各测点的风速，测两次取平均值，空气密度计算公式为：

(1)

式中：ρ——空气密度；

P0——测点空气的绝对静压；

φ——空气的相对湿度；

Pω——t温度下的饱和水蒸气的压力；

t——测量点空气的干温度。

(2)巷道风量：

Q=Sv

(2)

式中：Q——巷道风量；

S——巷道断面面积；

v——测点的实际风速。

(3)通风阻力：

(3)

式中：hi-j——两测点间的通风阻力；

k′,k″——气压计Ⅰ、Ⅱ的校正系数；

zi,zj——测点i,j的标高；

ρij——测点i,j间空气密度的平均值；

g——重力加速度。

2 试验数据处理分析

2.1 通风阻力汇总

根据测量的基础数据及相关公式计算得到新维煤矿1#、2#风井的相关参数，见表2和表3。测量计算的部分巷道的阻力系数大多在正常范围内，但由于一些巷道内堆积杂物，巷道长度测量不够准确导致出现少数异常值。

表2 新维煤矿1#风井通风阻力汇总表

表3 新维煤矿2#风井通风阻力汇总表

由于测量过程的影响，风阻计算时总会产生误差，采用阻力检验法对主干线的阻力测定进行检验。其检验公式为：

(4)

式中：hi——矿井通风总阻力；

hs——通风机风流入口处静压；

hN——矿井自然风压；

∑hr——主干线各测段阻力之和；

ρc——通风机风流入口处测点断面的空气密度；

vc——通风机风流入口处测点断面的平均风速。

2.2 通风阻力测定精度检验

由误差阻力检验公式可以得到通风阻力测定精度检验表，见表4。

表4 通风阻力测定精度检验表

由表4可以看出，1#风井和2#风井通风系统阻力测定误差分别为3.201%和2.849%，均小于5%，说明试验测量结果精确可靠，可以指导实际工程作业。经分析，误差产生的原因为测量巷道断面时产生误差影响风量计算的准确度、仪器仪表的误差及局部地点风流不稳定等。

矿井通风系统按风流在网络中的位置可分为进风段、用风段和回风段，根据试验结果数据分析汇总得到新维矿两条测定路线的阻力分布情况见表5。

表5 新维矿井下通风阻力分布情况表

分析表4数据可知，进风段风阻最小，用风段阻力其次，回风段阻力最大。进风段、用风段、回风段的阻力分配比为24.72∶33.07∶42.21，井下各系统分布相对合理。目前需要对巷道进行定期维护，维持巷道断面面积大小，避免杂物堆积，减少通风阻力，为矿井提供良好的通风。

2.3 矿井等积孔计算

矿井等积孔的计算公式为：

(5)

式中：A——等积孔，m2；

Q——风量，m3/s；

φ——收缩系数；

ρ——空气密度，kg/m3；

h——巷道阻力，Pa。

将收缩系数0.65，空气密度1.2 kg/m3代入式(5)，矿井等积孔的计算结果见表6。

表6 矿井等积孔计算结果表

由矿井等积孔的计算结果可以看出，1#风井的总风阻小于2#风井，等积孔也小于2#风井，说明1#风井系统通风比2#矿井容易。矿井的总等积孔为3.5425 m2，结合通风阻力来看，目前新维煤矿的矿井通风属于容易时期，通风系统风量和通风阻力满足要求。

3 结论

(1)新维煤矿为新修建矿井，矿井范围大，测量所需时间长。本次测量选择了逐点测量法，从测定的精度检验来看，测量结果较为准确。为今后该矿的通风阻力测量提供了参考。

(2)从实测的结果来看，部分巷道的阻力偏大，可能存在误差也可能是巷道自身原因，需要进一步核查改善。

(3)进风、用风、回风三段阻力配比比较合理，矿井通风总阻力远小于设计规范的要求。矿井的总进风量为4582.6 m3/min，总回风量为4699.8 m3/min，矿井总等积孔为3.5425 m2。

(4)由于新维矿井下巷道较长，回风段通风阻力较大，日常生产过程中应注意加强风门等设施的检查，做好通风管理工作。