店坪煤矿巷道断面风流速度分布研究

乔安良

（山西焦煤集团霍州煤电集团安全监察局 ，山西 霍州 031400）

1 工程概况

霍州煤电集团有限责任公司方山店坪煤矿采用斜井-立井混合开拓方式，采用中央并列式通风，属低瓦斯矿井，有煤尘爆炸性，自燃倾向性为Ⅱ类自燃，该矿的主要支护方式有如下几种：锚网索支护、锚喷支护、平整壁面支护等。巷道内风流速度的分布会对粉尘及有害气体的积聚造成影响，而不同的支护方式会对巷道内的风流速度的分布造成一定影响。因此为了避免不同支护方式下巷道内粉尘及有害气体的积聚，需要对不同支护方式下巷道中的风流速度分布进行现场实测并分析。

2 巷道断面风速分布实测方法

2.1 测量设备[1]

考虑到现场井下环境对监测设备的要求，本次风速监测选用CFJ系列机械式风速表（4个）、卷尺、计时器、机械手表、和支撑杆等，该系列风速表性能突出精确度高，具有防尘、防水、防爆的功能，能够充分满足井下恶劣环境对实际测量的要求，重量较轻便于携带，体积较小不会对巷道内的风流分布造成影响。4个风速表中有2个CFJ5低速风表，适用于巷道内风速较低时进行风速测量的情况；另2个为CFJ10中速风表，适用于巷道内风速较高时进行风速测量的情况。

2.2 测量方案设计

为了研究不同支护形式下巷道中的风速分布规律，选取店坪煤矿锚网索支护的主进风巷、锚喷支护的西翼回风上山巷道及平整壁面支护的测风站内进行巷道断面风速的测量，具体测量步骤如下。

第一步：精确测量并记录要进行风速测量的巷道的断面参数、支护参数及巷道断面上的障碍物尺寸及位置等。

第二步：沿巷道断面的竖直方向和水平方向将断面的高度和宽度等分为10分，共100个小断面。采用机械式风表依次在每一个小断面的中心进行风速测量并进行记录，若某一小断面内有障碍物遮挡测量，则放弃该点的风速测量进行下一测点的测量，直至100个小断面内风速测量完成。巷道断面等分小断面示意图如图1所示。

第三步：在进行风速测量的巷道内布置一个固定的测点，将小断面的风速测量结果与该点的测量结果对比后进行校核并修正，来避免巷道中风速不稳定造成的测量误差[2]。上述测量方法是在理想的风流稳定的巷道内进行的，实际情况下巷道内的风流并不稳定，但是在短时间内通风系统是基本稳定的，因此为了减少巷道内风流不稳定造成的误差，风速测量时需要在每个测点进行3次读数取平均值，要求3次读数时间间隔小于1min。

图1 巷道断面等分小断面示意图

3 不同支护方式下巷道断面风速实测及分析[3-4]

3.1 锚网索支护巷道断面风速实测及分析

该矿的主进风巷支护方式为锚网索支护，设计为矩形断面，巷道宽4.7m，高3.2m，巷道表面极不规整，两帮壁面的凹凸度约为250mm。电缆、单轨吊、顶板锚索及抽放管道是该巷道断面上的主要障碍物，其具体位置及断面风速测量结果如图2所示。

图2 锚网索支护下巷道断面风速分布图

观察图2可发现：该巷道断面风速分布基本上为上下及左右对称且中心风速大、边界风速小，平均风速为2.46m/s。确定y=1.6m时，巷道断面风速从两帮到中心逐渐升高，当风速升高至最高风速的80%，即2.51m/s时，距离最低风速处约1.3m，说明主进风巷巷道断面两帮壁面附近的低风速区域厚度较大，这是由于该巷道的支护方式为锚网索支护并且巷道表面粗糙度较大所致；确定x=2.35m时，巷道断面风速从顶底板到中心迅速升高后继续缓慢升高，当风速升高至最高风速的80%时，距离最低风速处约0.217m；沿巷道断面的对角线观察发现：巷道断面风速从顶角到中心逐渐升高，到达极值后有所下降，后又逐渐升高，当风速升高至最高风速的80%时，距离最低风速处约0.9m，说明巷道实际风速分布并不与理论相同，多种因素导致了对角线上风速的上下波动而不保持线性变化。通过对比发现锚网索支护条件下，确定x=2.35m时从巷道边界到中心风速升高至最高风速的80%时的距离最短为0.217m，断面对角线方向上的距离较长为0.9m，确定y=1.6m时的距离最长为1.3m，说明顶底板附近低风速区域厚度最小，断面顶角附近次之，巷道两帮壁面低风速区域厚度最大。

3.2 锚喷支护巷道断面风速实测及分析

该矿的西翼回风上山巷道设计为矩形断面，支护方式为锚喷支护并且底板平整，巷道宽4.8m，高3.4m，巷道表面不平整，两帮壁面的凹凸度约为150mm。电缆及抽放管道是该巷道断面上的主要障碍物，其具体位置及断面风速测量结果如图3所示。

图3 锚喷支护下巷道断面风速分布图

观察图3发现：由于风筒的影响导致巷道断面上部的风速较小，不受其影响的下部风速较大，断面内没有明显的高风速区域并且分布均匀左右对称，这是锚喷支护下巷道表面的凹凸度较小所致，巷道断面的平均风速为1.8m/s。确定y=1.7m时，巷道断面风速从顶底板到中心先迅速升高，到达一定值后又有少量的增加，当风速升高至最高风速的80%，即1.89m/s时，距离最低风速处约0.543m，与锚网索支护下的主进风巷对比可发现，由于该巷道两帮壁面的凹凸度小于主进风巷，所以该巷两帮壁面的低风速区域厚度较小；确定x=2.4m时，巷道断面风速从顶板到中心迅速升高后继续缓慢升高，当风速升高至最高风速的80%时，距离最低风速处约0.88m，巷道断面风速从底板到中心迅速升高后继续缓慢升高，当风速升高至最高风速的80%时，距离最低风速处约0.127m，说明顶板附近的低风速区域厚度远大于底板附近低风速区域；沿巷道断面的对角线观察发现：巷道断面风速从顶角到中心先迅速升高，然后趋于平缓，随后又升高，当风速升高至最高风速的80%时，距离最低风速处约1.871m，由于巷道顶板较粗糙及风筒的阻碍导致巷道顶角的低风速区域较厚。对比后发现锚喷支护的巷道中，顶角附近的低风速区域厚度最大，两帮壁面低风速区域厚度较薄，底板附近的低风速区域厚度最薄。

3.3 平整壁面巷道断面风速实测及分析

测风站所在巷道为矩形巷道，宽3m，高4m，支护方式为锚喷支护，测风站内巷道壁面处理为平整的水泥壁面。抽放管道是该巷道断面上的主要障碍物，其具体位置及断面风速测量结果如图4所示。

图4 平整壁面巷道断面风速分布图

观察图4发现：测风站上下及左右风速分布基本对称，断面中部偏下风速较高，边界风速较小，断面上部受风筒影响致使风速相对较小，平均风速为2.02m/s。确定y=1.5m时，巷道断面风速从顶底板到中心先迅速升高，后缓慢升高，当风速升高至最高风速的80%，即2.08m/s时，距离最低风速处约0.303m，与之两种支护方式下断面风速对比可发现，由于测风站两帮壁面的凹凸度最小，所以测风站两帮壁面的低风速区域厚度最小；确定x=2.0m时，巷道断面风速从顶板到中心迅速升高并趋于稳定，后继续缓慢升高，当风速升高至最高风速的80%时，距离最低风速处约0.406m，巷道断面风速从底板到中心迅速升高后继续缓慢升高，当风速升高至最高风速的80%时，距离最低风速处约0.217m，说明顶板附近的低风速区域厚度远大于底板附近低风速区域，这是由于风筒造成一定的风阻所致；沿巷道断面的对角线观察发现：巷道断面风速从顶角到中心先缓慢升高，然后快速升高，当风速升高至最高风速的80%时，距离最低风速处约0.919m，说明测风站断面内顶角的低风速区域厚度最大，这是由于风筒的风阻及顶角的粗糙度较大等多种影响所致。

4 结 论

本文通过在锚网索支护、锚喷支护、平整壁面支护的矩形巷道中进行断面风流速度分布实测发现：巷道壁面及障碍物附近的风速较低，巷道中部的风速较高，但是并不是所有支护方式下巷道内的最高风速区域都在巷道的中心位置；巷道壁面的粗糙度越大，巷道内低风速区域越大并且巷道内的平均风速越大，低风速区域越小。因此，对于顶板及两帮较为粗糙的支护形式下的巷道，应认真评估其低风速区域，避免造成有害气体的积聚，必要时应采区加大风量或修整壁面来保证矿井的安全生产。