浅谈矿井通风阻力产生的原因及降低阻力的方法

杨加伟

(贵州省劳动保护科学技术研究院,贵州遵义市 563000)

浅谈矿井通风阻力产生的原因及降低阻力的方法

杨加伟

(贵州省劳动保护科学技术研究院,贵州遵义市 563000)

矿井通风阻力对矿井通风效果及其经济效益有严重的影响。合理选择巷道参数,采取有效措施,可降低矿井通风阻力,提高矿山经济效益。分析了矿井通风阻力产生的原因,提出了降低通风阻力的方法。

矿井通风;摩擦阻力;局部阻力;巷道参数;降阻措施

0 前 言

矿井通风阻力是影响矿井通风的重要因素,通风阻力越大,损失的能量越多。根据我国对617对井口和1023个风井的调查和统计,有40%的矿井通风阻力属于中阻力和大阻力矿井,个别矿井的通风电耗甚至占到了矿井总电耗的50%。因此,无论是在矿井设计还是在实际生产中,都要想方设法分析阻力产生的原因及制定实施降低通风阻力的方案,以减少能量损失及降低对矿井通风的影响。本文首先分析了矿井通风阻力产生的直接原因,然后有针对性的提出降低矿井通风阻力的方法。

1 矿井通风阻力产生的原因

通常情况下矿井通风阻力分为摩擦阻力和局部阻力两类,它们与风流的状态有关系。一般情况下,摩擦阻力是矿井通风总阻力的主要组成部分。

1.1 摩擦阻力

风流在井巷中流动时,沿程受到井巷固定壁面的限制,引起内外摩擦,因而产生阻力,这种阻力叫摩擦阻力。

流体在运动中有层流流动和紊流流动两种不同的状态。层流,是指流体各层的质点相互不混合,呈流束状,为有秩序地流动,各流束的质点没有能量交换。质点的流动轨迹为直线或有规则的平滑曲线,并与其通道轴线方向基本平行。紊流和层流相反,流体质点在流动过程中有强烈混合和相互碰撞,质点之间有能量交换,质点的流动轨迹极不规则,除了有总流方向的流动外,还有垂直或斜交总流方向的流动,流体内部存在着时而产生、时而消失的涡流。

根据前人的实验,水流在各种粗糙面、平直的圆内流动,当Re≤2000时,水流呈层流状态;当Re＞2000时,水流开始向紊流过渡,故称2000为临界雷诺系数;当Re≥10000时,水流呈完全的紊流。把这些数值近似应用于风流,便可以大致估算出风流在各种状态下的平均风速。例如某巷道的断面积S=2.5m2,周长U=6.58m,风流的运动粘性系数ν=14.4×10-6m2/s。则可以估算出风流开始向紊流过渡的平均风速大约为0.019m/s。由于井巷中最低风速大都在0.95m/s以上,而且大多数井巷的断面都大于2.5m2,故井巷风流不会出现层流状态,多数完全是紊流,只有一小部分风流可能处于向完全紊流过渡的状态。

在完全紊流状态下,摩擦阻力的计算公式是:

式中:h摩——摩擦阻力,Pa;

S——巷道的断面,m2;

U——巷道的周界,m;

L——巷道的长度,m;

Q——巷道的风量,m3/s。

对于已经确定的井巷,巷道的长度L、周长U、断面S以及巷道的支护形式(摩擦阻力系数α)都是确定的,把L、U、S用一个参数R摩来表示,得到下式:

式中:R摩——摩擦风阻,N·S2/m8。

显然R摩是空气密度、巷道的粗糙程度、断面积、断面周长、井巷长度等参数的函数。当这些参数确定时,摩擦风阻R摩值是固定不变的。所以,可将R摩看作反映井巷几何特征的参数,它反映的是井巷通风的难易程度。

上式就是完全紊流时摩擦阻力定律,它说明了当摩擦风阻一定时,摩擦阻力与风量的平方成正比。

1.2 局部阻力

在风流运动过程中,由于井巷边壁条件的变化,风流在局部地区受到局部阻力物(如巷道断面突然变化、风流分叉与交汇、断面堵塞等)的影响和破坏,引起风流流速大小、方向和分布的突然变化,导致风流本身产生很强的冲击,形成极为紊乱的涡流,造成风流能量损失,这种均匀稳定风流经过某些局部地点所造成的附加的能量损失,就叫做局部阻力。

井下巷道千变万化,产生局部阻力的地点很多,有巷道断面的突然扩大与缩小(如采区车场、井口、调节风窗、风桥、风硐等),巷道的各种拐弯(如各类车场、大巷、采区巷道、工作面巷道等),各类巷道的交叉、交汇(如井底车场、中部车场)等等。在分析产生局部阻力原因时,常将局部阻力分为突变类型和渐变类型两种,如图1所示。图中a、b属于突变类型,c、d属于渐变类型。

图1 巷道的渐变和突变

紊流流体通过突变部位时,由于惯性的作用,不能随从边壁突然变化,出现主流与边壁脱离的现象,在主流与边壁间形成涡流区。产生的大尺度涡流,不断被主流带走,补充进去的流体,又形成新的涡流,因而增加了能量损失,产生局部阻力。

2 降低矿井通风阻力的方法

2.1 降低摩擦阻力的措施

(1)减少摩擦阻力系数。矿井通风设计时尽量选用摩擦阻力系数较小的支护方式,如锚喷、砌碹、锚杆、锚锁、钢带等。施工时一定要保证施工质量,应尽量采用光面爆破技术,尽可能使井巷壁面平整光滑,使井巷壁面的凹凸度不大于50mm。对于支架巷道,要注意支护质量,支架不仅要整齐一致,有时还要刹帮背顶,并且要注意支护密度。及时修复被破坏的支架,失修率不大于7%。在不设支架的巷道,一定注意把顶板、两帮和底板修整好,以减少摩擦阻力。

(2)选择适中的井巷风量。因为摩擦阻力与风量的平方成正比,因此在通风设计和技术管理过程中,不能随意增大风量,各用风地点的风量在保证安全生产要求的条件下,应尽量减少。掘进初期用局部通风机通风时,要对风量加以控制。及时调节主通风机的工况,减少矿井富裕总风量。避免巷道内风量过于集中,要尽可能使矿井的总进风早分开、总回风晚汇合。

(3)选用周界较小的井巷断面。在井巷断面相同的条件下,圆形断面的周长最小,拱形次之,矩形和梯形的周长较大。因此,在矿井通风设计时,一般要求立井井筒采用圆形断面,斜井、石门、大巷等主要井巷采用拱型断面,次要巷道及采区内服务年限不长的巷道可以考虑矩形和梯形断面。

(4)保证井巷通风断面。因为摩擦阻力与通风断面积的3次方成反比,所以扩大井巷断面能大大降低通风阻力,当井巷通过的风量一定时,井巷断面扩大33%,通风阻力可减少一半,故常用于主要通风路线上高阻力段的减阻措施中。当受到技术和经济条件的限制,不能任意扩大井巷断面时,可以采用双巷并联通风的方法。在日常通风管理工作中,要经常修整巷道,减少巷道堵塞物,使巷道清洁、完整、畅通,保持巷道足够断面。

(5)减少巷道长度。因为巷道的摩擦阻力与巷道长度成正比,所以在矿井通风设计和通风系统管理时,在满足开拓开采的条件下,要尽量缩短风路长度,及时封闭废弃的旧巷和采空区,及时对生产矿井通风系统进行改造,选择合理的通风方式。

(6)使用并联风道通风。在矿井通风中,采用并联风道,如图2所示。采用并联风道的矿井通风风阻可用以下公式表示:

图2 并联风道

式中:R并——巷道并联后的风阻,N·S2/m8;

R1——巷道1的风阻,N·S2/m8;

R2——巷道2的风阻,N·S2/m8。

显然,R并＜R1,R并＜R2。当主扇风机安装叶片角度一定时,并联风道法可以降低通风阻力,改善矿井通风系统。

2.2 降低局部阻力的措施

产生局部阻力的直接原因,是由于局部阻力地点巷道断面的变化,引起了井巷风流速度的大小、方向、分布的变化。因此,降低局部阻力就是改善局部阻力物断面的变化形态,减少风流流经局部阻力物时产生的剧烈冲击和巨大涡流,减少风流能量损失,主要措施如下。

(1)最大限度减少局部阻力地点的数量。井下尽量少使用直径很小的铁风桥,减少调节风窗的数量;应尽量避免井巷断面的突然扩大或突然缩小,断面比值要小。

(2)当连接不同断面的巷道时,要把连接的边缘做成斜线或圆弧型(见图3)。巷道拐弯时,转角越小越好,在拐弯的内侧做成斜线型和圆弧型。要尽量避免出现直角弯。巷道尽可能避免突然分叉和突然汇合,在分叉和汇合处的内侧也要做成斜线或圆弧型。

图3 巷道连接处

(3)减少局部阻力地点的风流速度及巷道的粗糙程度,在巷道表面粗糙的地方应适当降低风流速度以减小阻力。

(4)减少井巷正面阻力物,及时清理巷道中的堆积物,采掘工作面所用材料要按需使用,不能集中堆放在井下巷道中。巷道管理要做到无杂物、无淤泥、无片帮,保证有效通风断面。在可能的条件下尽量不使成串的矿车长时间地停留在主要通风巷道内,以免阻挡风流,使通风状况恶化。

3 结 论

贵州省煤矿多属于小煤矿,设计之初由于没有合理选择巷道断面、形状及支护类型,有50%以上的矿井通风阻力属于中阻力和大阻力矿井,个别矿井的通风电耗甚至占到了矿井总电耗的55%。近年来,贵州省对小煤矿进行了技改整合,通过合理的选择巷道断面、形状及支护类型。技改验收的统计结果显示,原来属于中阻力和大阻力的矿井75%以上都降低了阻力,通风电耗也普遍降低到矿井总电耗的30%以下,从而提高了经济效益。矿井通风阻力越大,能量消耗越大,对矿井通风及经济效益产生的影响越大,合理选择巷道断面、形状、支护等参数,采取有效措施,可以降低通风阻力,减少能源损失,从而达到提高矿山企业效益的目的。

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2009-09-22)

杨加伟(1984-),男,贵州遵义人,助理工程师,主要从事煤矿安全设备检测检验工作,Email:yangjiawei123@qq.com。