矿井通风阻力影响因素的案例分析

摘 要：通过对通风阻力影响因素的分析，了解井巷各参数在通风总阻力计算中的权重。结合工程实际，在确定摩擦阻力系数的前提下，对五种工况的井巷通风阻力进行对比解算，分析风机选型的决定因素及实际可操作性，最后确定该风区的通风形式及风井场地的位置，即在风区中央新建一对进、回风立井，以满足通风要求。

关键词：通风阻力；摩擦阻力系数；风机选型；风井场地

1 通风阻力

1.1 影响因素

井巷通风阻力是指风流在井巷中运动时，由于空气的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成的阻力。通风阻力分为摩擦阻力及局部阻力。

1.1.1 摩擦阻力

摩擦阻力主要是由于流体层间的摩擦和流体与井巷壁面间的摩擦所导致，故也叫沿程阻力。大多数矿井通风井巷风流处于完全紊流状态[1]，该状态下，井巷摩擦阻力计算公式为：

hf=？琢·L·U·Q2/S3 （1）

式中：hf-摩擦阻力，Pa；？琢-摩擦阻力系数，kg/m；L-井巷长度，m；U-井巷断面净周长，m；Q-井巷的风量，m3/s；S-井巷的净断面积，m2。

在计算井巷的摩擦阻力时，只需了解井巷长度、净断面积、净周长、支护形式和通过的风量等参数，其中摩擦阻力系数可通过查表法确定。

由公式（1）可知，井巷摩擦阻力hf与摩擦阻力系数a、井巷长度L、巷道净周长U和断面积Q2成正比，与S3成反比关系。同一段巷道内，风量及断面积，对其摩擦阻力的影响较大。故在设计中，增加主要进、回风巷的断面积能有效减小矿井的摩擦阻力，同时也能保证巷道风速不超标。摩擦阻力系数a与巷道本身断面形状、支护形式等有关，在通风设计中，a的赋值具有特定性，且不宜轻易变化。但是，巷道功能不同，其摩擦阻力系数便有较大差异。比如回风大巷（顺槽）比胶运、辅运、进风大巷（顺槽）的摩擦阻力系数要小。因此，采区布置中井筒、工作面顺槽与大巷的相对位置，对矿井通风的摩擦阻力有一定的影响。

1.1.2 局部阻力

局部阻力是由于井巷断面、方向变化以及分岔或汇总等原因，造成均匀流动气体在局部地区受到影响，而引起风流速度场发生变化和产生涡流等现象而形成的能量损失。

由于局部阻力产生风流速度场分布的变化比较复杂，故对此的计算一般采用经验公式。在井巷通风阻力计算中，可根据井下巷道复杂程度，将得出的摩擦阻力值乘以一定的系数，作为局部阻力计算值。

1.2 摩擦阻力系数确定

紊流状态下，摩擦阻力计算式：

式中，即摩擦阻力系数，单位为kg/m3，或Ns2/m4。其中，？姿为无因次系数（沿程阻力系数），其值通过实验求得；？籽为空气密度。

摩擦阻力系数？琢在阻力平方区是风道相对糙度和空气密度的函数。由于井巷断面大小、支护形式及材料的多样性，不同井巷的相对糙度差别很大。对于砌碹和锚喷巷道，壁面糙度可用尼古拉兹试验[1]的相对糙度概念来比拟，只考虑断面方向的相对糙度。前人通过大量试验和实测所得的、在标准状态（ρ0=1.2kg/m3）条件下的各类井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值α0值，可通过“井巷摩擦阻力系数α值表”查得。[2]

一般情况下，铺设胶带运输机巷道的α值要比只作通风行人巷道的α值大30～40%。辅助运输巷、井底车场巷道等可通过查表、经验对比、实测等方法确定[3]。

2 工程案例

2.1 概况

高河矿井位于山西省长治市长治县和长子县，设计生产能力6.00Mt/a。井田南北长约13.4km，东西宽约4.9km，面积66.68km2。3号煤层设计可采储量为318.89Mt。

高河矿井采用立井、单水平开拓方式，开采水平标高为+450m，矿井达产时有五个立井，在工业场地布置主立井、副立井和中央回风立井。矿井采用分区式通风系统，抽出式通风方式。矿井达产时有两个通风分区，即在工业场地内布置主、副立井和中央回风立井，主、副立井进风，中央回风立井回风，服务于主、副立井两侧的东一盘区；在矿井工业场地外的西南部小庄村附近布置一对小庄进、回风立井，担负南翼大巷西侧采区的通风任务。工业场地回风立井所需风量370m3/s，最大通风阻力3425a；小庄风井场地回风立井所需风量330m3/s，最大通风阻力2570Pa。高河矿井通风分区现状见图1。

2.2 问题提出

《煤炭工业矿井设计规范》规定，高瓦斯矿井应采用对角式或分区式通风。高河矿为高瓦斯矿井，矿井通风分区现状图可以看出，中央风井、鲍村风井及小庄风井分别负责井田中部、北部、中西部盘区的通风，且各盘区通风阻力符合《规范》中“矿井后期通风负压不宜超过3920Pa”的要求[4]。

根据高河矿生产计划，需准备井田南翼采区，以满足矿井接替需求，在后期开采过程中，该采区需布置两个综采工作面。南翼采区南北长4.1km，东西宽4.8km，采区范围较大。

原酒村风井初步设计，计划在南翼采区中北部的酒村建一个风井场地，即酒村风井场地，内设一对进、回风立井，以满足该采区生产通风的要求。该工况下，酒村风井通风容易时期负压1420.2Pa，通风困难时期负压2086.8Pa，回风立井负压值较合理。

但鉴于目前煤炭形势及当地征地困难等实际情况考虑，矿方提出借助小庄甚至中央进、回风井，减少酒村风井数量或减小风井场地面积，甚至取消酒村风井场地建设的想法。

3 工程设计

3.1 通风形式

若取消酒村风井的建设，根据工程实际情况以及井巷摩擦阻力计算公式可知，理论上酒村风区的通风任务可由小庄风井，甚至中央风井承担。决定风井场地建设必要与否的重要因素，就是通风解算的负压值。负压值过大，对风机选型及效率等方面影响较大。从通风线路上分析，小庄风区与酒村风区相邻，经测量，小庄风井距酒村风区2.9km，而中央风井为酒村风区供风的通风线路要比小庄风井长，因此，对酒村风区通风解算时，先计算小庄风井为其供风的通风阻力值，若该工况下的计算值不合理，便无需再考虑中央风井供风的通风结算。

另外，在考虑小庄风井为酒村风区供风的同时，也考虑在酒村风井场地建设一个井筒，以节约场地面积，和将酒村风井场地移至井田南部边界外，以及将酒村风区通风总风量减少这三种情况。

因此，本次工程设计从以下几个工况条件下进行解算。

工况1：小庄进、回风井（两个工作面）；

工况2：小庄进风井+酒村回风井（中部场址、两个工作面）；

工况3：小庄回风井+酒村进风井（中部场址、两个工作面）；

工况4：小庄进风井+酒村回风井（南部场址、两个工作面）；

工况5：小庄进、回风井（一个工作面）。

3.2 通风解算

为提高计算精度和保证对比可信度，我们采用专业通风软件对上述工况进行解算，各工况下同一巷道的摩擦阻力系数赋值相同。

经解算，各工况下负压值见表1。

表1中，摩擦阻力为软件解算得到的井巷摩擦阻力值，总负压为考虑局部阻力和自然负压之后的井巷总负压值。

4 结束语

风机选型时，主要根据井巷总负压的最小值与最大值。在小庄风区范围内，由于工作面位置不同，其负压值也会不一样，便会产生负压最大值与最小值，即容易时期与困难时期，这也就决定了风机的型号及功率。小庄风井设计时，所选的风机原则上只相对于该风区范围内特定风量及负压值区间是合理的。由上表解算结果可知，无论是否建设酒村风井场地，或者只在酒村风井场地设一个井筒，其总负压值都大于5839.2Pa，而该值也远超过小庄风区通风的最大负压值。

实际生产中，小庄回风井的通风机可能无法承担酒村风区的通风任务。若考虑通过更换风机来提高小庄回风立井的通风能力，可能会出现井下断风、局部巷道风速过高、风机效率过低等不安全、不合理情况。而只在酒村风井场地设置一个回风立井，会导致通风线路过长、采区接替困难等问题。

综上，利用小庄风井或者中央风井分担酒村风区的部分或者全部通风任务是不可行的，酒村风井场地建设很有必要，而且须同时开拓一对进、回风立井，以满足酒村风区的通风需求。分区式独立通风，还能保证采区的正常接替，无论是在管理上，还是在安全上都更有保障。

参考文献

[1]张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[2]杨加伟.浅谈矿井通风阻力产生的原因及降低阻力的方法[J].采矿技术，2010，3（2）.

[3]国家安全生产监督管理总局.MT/T 440-2008.矿井通风阻力测定方法[M].煤炭工业出版社，2010.

[4]中华人民共和国建设部&中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50215-2005.煤炭工业矿井设计规范[S].中国计划出版社，2007.

作者简介：江威（1986，9-），男，安徽省合肥市，职务：设计工程师，学历：研究生，毕业学校：中国矿业大学（北京），主要从事矿井设计工作。