准确划分矿井通风难易程度探究

高志松

(山西省节能中心有限公司， 山西 太原 030045)

1 引 言

1.1 现行划分方法

一直以来，矿井通风难易程度都用等积孔大小来衡量。1873年缪尔格提出等积孔这一概念，并提出划分矿井通风难易程度分级标准，称之为缪尔格法。具体见表1.

表1 矿井通风难易程度分级表

影响等积孔大小的变量只有矿井总回风量和矿井通风阻力，单位为m2，相对简单易记，能形象地表示矿井通风难易程度，一直被世界主要产煤国广泛应用。可根据式(1)计算等积孔大小：

(1)

式中：

h—矿井通风阻力，Pa；

Q—矿井总回风量，m3/s；

A—矿井等积孔，m2.

h=RQ2

(2)

式中：

R—矿井总风阻，N·s2/m8.

1.2 问题的提出

缪尔格提出该分级方法时，矿井生产规模相对较小，采深较浅，矿井通风系统相对简单，矿井需风量相对较小，具有普遍适用性。随着科学技术不断进步，现代化矿井在生产规模、管理模式、生产技术、通风方式和通风方法上都有了巨大变化，可通过优化矿井通风设计和通风技术管理，如增大矿井巷道断面，降低井巷摩擦阻力系数，避免风量过于集中等方法来降低矿井通风阻力。

同时，另一个影响等积孔大小的关键变量—矿井总回风量也大幅增大。现代矿井通风距离显著变长，部分特大型矿井通风路线长度甚至能达到数十千米，通风线路越长，需要克服阻力的风压越大，能量越大，风量越大。瓦斯涌出量随着矿井产能的不断增大而变大，尤其高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井，需要更大的风量来提供新鲜风流稀释井下有毒有害气体，以保障井下人员的安全与健康；现代矿井通风系统愈加复杂，用风地点多，需风量大；地温随开采深度增加不断增高也使矿井需风量不断增大。

综上所述，矿井通风阻力能够通过技术方法得以控制，而矿井总风量受矿井通风路线长度、矿井生产规模、瓦斯涌出量、地温等因素影响而不可避免地增大，必然使矿井等积孔不断增大。一些大型矿井、高瓦斯或者突出矿井利用缪尔格法判定矿井通风难易程度为容易，但矿井实际仍显得通风困难、风量不足。例如，某矿总回风量Q=6 000 m3/min，矿井通风阻力h=3 000 Pa，算得矿井等积孔A=2.2 m2，依据缪尔格法判定该矿通风难易程度应为容易。但实际情况是，该矿回风段部分巷道由于地压大而底鼓，断面变小，风速严重超标，系统控风设施较多，矿井风量紧张，且不符合《煤矿井工开采通风技术条件》相关规定，利用缪尔格法判定矿井通风难易程度明显失效。

1.3 研究现状

针对矿井等积孔评价矿井通风难易程度失效问题，美国、英国、欧盟等对分级标准做出过修订，我国学者也对该问题进行了多层次研究。俞启香[1]通过统计分析矿井等积孔与矿井风量关系，提出了新的矿井通风难易程度分级方法；赵以蕙[2]提出了各类矿井通风系统等积孔合理值的计算公式及指标；胡朝仕等[3]依据矿井总风量和回风井数量提出了新的等积孔分级方法；马砺等[4]综合分析自然风压、外部漏风等多种因素对通风系统的影响，提出了新的修正方法；刘辉等[5]对通风系统进行了分区划分，并建立了通风难易程度的评分模型。

在以往研究的基础上，综合考虑我国对矿井风量与阻力之间关系的要求和等积孔大小两个因素，提出了准确而合理的矿井通风难易程度划分方法。运用新的矿井通风难易程度划分方法对不同类型矿井中的典型案例进行了重新划分，既克服了《煤矿井工开采通风技术条件》没有对矿井通风难易程度划分的缺陷，又避免了现行分级方法造成的失效。

2 矿井通风难易程度划分新方法探究

2.1 矿井通风阻力要求

我国在历版《煤矿安全规程》中对通风阻力要求仅局限于测定周期，并未对其限值和通风难易程度作明确要求。为满足安全技术及管理、安全监察及监管、安全生产标准化、安全生产法制建设的需要，国家安全生产监督管理总局于2006年12月1日颁布实施AQ 1028—2006《煤矿井工开采通风技术条件》，对我国煤矿井工开采矿井通风技术条件做了详细的规定。

在划分矿井通风难易程度时矿井等积孔大小应该随着风量变化而变化。由式(2)可知，矿井通风阻力与风量的二次方成正比，矿井通风阻力随风量的变大而变大。基于此，《煤矿井工开采通风技术条件》规定了不同矿井通风系统风量通风阻力上限值，见表2.

表2 矿井通风阻力要求表

2.2 矿井通风难易程度新方法

《煤矿井工开采通风技术条件》只对不同风量时通风阻力的上限值进行了界定，并没有对矿井通风难易程度进行划分，也没有对矿井通风难易程度为中等或困难时应采取何种措施来降阻做明确规定。且《煤矿安全规程》、《矿井通风阻力测定方法》等其他煤炭行业规范和标准也未对该部分内容进行具体规定。

综合上文分析，参考通风系统风量与系统的通风阻力关系来确定矿井等积孔的合理范围。取表2 中各临界风量和阻力，分别计算出对应的等积孔值，具体结果见表3. 其中，取Q<3 000 m3/min，等积孔A<1.0 m2时系统的通风难易程度为困难；考虑我国目前单风机供风能力，取单风机运行时系统风量上限值为30 000 m3/min. 此方法即满足了《煤矿井工开采通风技术条件》不同通风系统风量下阻力限值要求，又可利用等积孔大小评价矿井通风难易程度。

表3 不同风量下矿井通风难易程度分级表

对于矿井通风难易程度为中等的矿井，建议通过通风系统优化、减小巷道摩擦阻力系数、减小巷道长度、避免巷道风量过于集中等措施进行降阻，使矿井通风难易程度达到容易。

对于矿井通风难易程度为困难的矿井，应进行通风系统优化，必要时对矿井巷道进行重新设计或开拓新的巷道，以使矿井通风难易程度达到容易。

3 应用实例

通过对不同类型矿井的典型案例进行分析，不仅佐证了缪尔格法对现代矿井通风难易程度划分的失效，又验证了新的划分方法的合理性，见表4.

表4 不同类型矿井通风难易程度比对表

荫营矿通风阻力测定时，共选定4条主要路线，分别对105回风井通风系统、302回风井通风系统、401回风井通风系统、301回风井通风系统进行了阻力测定。依据现有分级标准，除105回风井通风系统阻力为中等外，其余均为容易。但根据矿井实际生产情况，其余3个通风系统通风路线都较长，系统富裕风量较小，部分巷道变形严重断面较小，控风设施较多，通风阻力值偏大，通风系统判定结果明显失准。

国强矿阻力测定期间矿井共布置1个回采工作面，无掘进工作面和备用工作面，风机单机运行情况下足以保证矿井需风量。布置1条主要路线，进风段、用风段、回风段通风阻力分别为161.0 hPa、142.8 Pa、194.8 Pa，通风路线总长6 332 m，根据现场实测，除用风段末端设置有调节风门导致阻力较大外，进风段和回风段巷道摩擦阻力系数均较小，明显矿井通风难易程度不属于中等。

南凹寺矿为高瓦斯矿井，阻力测定期间布置1个回采工作面和1个掘进工作面，矿井回采进入末期，所剩资源不多，采煤工作面为分层开采，现回采下分层。由于回采进入末期且保护煤柱设计不充足，导致30400集中回风巷部分巷道变形严重，加之巷道中有瓦斯抽放管道，使该段阻力明显较大，回风段通风阻力占全矿井总阻力的66.0%，进而使全矿井阻力较大，判定为通风容易明显不妥。

木家庄矿同时开采5#和9#煤层，主立井和副立井进风，回风立井回风，5#和9#煤层分别有各自专用回风巷道。根据实测，5#煤采区回风下山和9#煤采区回风下山，由于矿压较大，巷道底鼓严重，巷道断面变小，而巷道风量集中，使5#煤层回风段阻力占总阻力的68.1%，9#煤层回风段阻力占总阻力的76.2%，且矿井风量富裕系数较小，主通风机很难再通过调整角度增大风量，矿井通风难易程度明显不属于容易。

井工三矿通风阻力测定期间，共布置1个综采工作面、1个备用工作面和4个掘进工作面，同时开采4#、9#煤层。从测定结果看，通风阻力值接近国家规定限值，回风段阻力较大，尤其九煤南翼回风大巷存在较为严重的底鼓和片帮，矿井富裕风量较小，且已无法通过调整主要通风机增大风量，判定为通风容易明显有失偏颇。

4 结 论

1) 等积孔大小未随矿井通风系统风量的增加而增大是导致缪尔格法划分现代矿井通风难易程度失效的主要原因。

2) 新的矿井通风难易程度划分方法综合考虑了矿井通风系统风量与通风阻力之间关系和等积孔两个因素，通过不同类型矿井的典型案例较好地验证了其准确性及合理性。