矿井外部漏风率精准测算方法的研究与应用

戴子栋

(河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿，河南 永城 476600)

在矿井通风系统日常管理中，矿井外部漏风率是一个非常重要的指标，该指标既影响矿井通风系统是否合理运行，也是衡量矿井主要通风机运行状况是否良好和通风管理水平是否到位的判定依据[1]。矿井外部漏风是指新鲜风流经地表裂缝或风井附近的通风设施漏入风硐，并经主要通风机排出地表的风量。《煤矿安全规程》第158条规定：“主要通风机必须安装在地面，装有通风机的井口必须封闭严密，其外部漏风率在无提升设备时不得超过5%，有提升设备时不得超过15%”[2]。因此，减小外部漏风率、提高矿井的有效风量，才能保证矿井通风安全工作的顺利开展。

目前，有多种测定方法可以测定矿井外部漏风，针对具体矿井，需要对比各种测定方法的优缺点和适用条件，参考矿井通风系统、外部漏风通道、参数测定方法、主要通风机运行状况等现场因素来制定具体实施方案[1，3-5]。因此，选择适用于本矿的外部漏风测试方法，是现场进行外部漏风测定时首先要解决的问题。

1 矿井外部漏风率测算方法

1.1 矿井通风概况

陈四楼煤矿位于永城市陈集镇境内，主采二2煤层，2015年矿井升级为煤与瓦斯突出矿井。根据2016年瓦斯等级鉴定报告，瓦斯相对涌出量为2.26m3/t，绝对涌出量为12.46m3/min，煤层自燃等级为Ⅲ类不易自燃，煤尘爆炸危险性鉴定结论为无爆炸危险性。陈四楼煤矿矿井目前有5个井筒，通风方式为两翼对角式，主、副井及中央风井进风，南风井、北风井排风，通风方法为抽出式。南、北风井均装有FBCDZ№28/2×355型对旋轴流式通风机2台，一台工作，一台备用。

1.2 测算方法选取

目前，矿井外部漏风率测算方法有风表直接测定法、瓦斯等值法、示踪气体法、精密测风仪表法、漏风路线风阻法、风机房水柱计法[6]。通过对以上各种测定矿井外部漏风量的方法进行对比和分析，参考陈四楼矿主要通风机及附属设施的实际布置位置，本次外部漏风测定采用风表直接测定法。

以陈四楼煤矿为例，其外部漏风主要来自风硐、防爆门、闸阀、备用风机本身及其附属装置的裂隙流入风机的风流。如果把整个矿井通风系统中的风流当做理想气体，根据理想气体状态方程，矿井外部漏风率的理论计算公式为：

式中：

C-表示矿井外部漏风率；

Qt-表示主要通风机抽风量，m3/min；

Q1-表示矿井总回风量，m3/min。

由于在主要通风机的出风口的风流相对稳定处比较容易直接测定Qt，所以正确测算外部漏风率的关键是必须首先正确地测算出Q1。

对于井筒深度较大的立井，其井筒上口处的风量才是矿井的总回风量Q1，而直接使用矿井井下测量的总回风量就会使测量结果偏离真实值。

因此，在计算矿井外部漏风率时，Q1值应当使用回风井上口测得的风量值。而实际上这个Q1值在井口上部并没有合适的位置测量。

图1 考察矿井外部漏风率的通风示意图

在图1中，对于深度较大的回风井，由于其上、下两端的风流状态变化较大，所以其风流就不能视为理想气体。流体力学中的风流连续性方程不能成立，即Q1≠Q2。必须将回风井看作是矿井通风系统中与井下其他所有巷道不同的一条特殊巷道。考虑到在回风井中的风流流动是一个热力变化过程，应根据热力学的基本原理来考察其状态参数的变化。由于空气从井下总回风道至风井上口与外界无热量交换，可看作是一个绝热膨胀过程，有以下方程成立:

式中：

Q2-回风井下口的风量，即井下总回风量，m3/s；

T1-回风井上口空气温度，K；

T2-回风井下口空气温度，K；

n-绝热指数，矿井空气属双原子气体，取1.4。

1.3 计算矿井外部漏风率基本参数测定

采用风表风速法测定北风井、南风井总回风量及主要通风机的工作风量，即北风井、南风井井上、下约定在同一时间分别测定井下总回风量及主要通风机工作风量，南北风井地面测点为风硐内，井下测点为南北翼总回风巷。同时测定北风井、南风井井上、下温度。要求各测点连续测定三次，且测定误差在2%之内，取其平均值为该巷道的平均风速，同时测定测风断面的巷道断面积，按下式计算井下总回风量及主要通风机的工作风量。

式中：

Q-巷道内风量，m3/s；

S-测风点处巷道断面，m2；

V-巷道的平均风速，m/s。

2 矿井外部漏风率计算

2.1 根据热力学方程计算矿井外部漏风率

（1）北风井外部漏风率计算

根据现场测定和计算，北风井T1北=295K，T2北=298K，Q2北=176.73m³/s。

因此根据公式（2）变形得：Q1北=177.45m³/s。

根据公式（1）得：C北=1.25%。

（2）南风井外部漏风率计算

根据现场测定和计算，南风井T1南=295K，T2南=298K，Q2南=170m³/s。

因此根据公式（2）变形得：Q1南=170.69m³/s。

根据公式（1）得：C南=1.12%。

由此测得北风井外部漏风量为2.25m³/s，外部漏风率为1.25%，南风井外部漏风量为1.93m³/s，外部漏风率为1.12%。

2.2 根据理想气体方程计算矿井外部漏风率

（1）北风井外部漏风率计算

使用理想气体方程时，不考虑气体膨胀变化，北风井Q1北’=Q2北’=176.73m³/s。

根据公式（1）得：C北’=1.65%。

（2）南风井外部漏风率计算

使用理想气体方程时，不考虑气体膨胀变化，南风井Q1南’=Q2南’=170m³/s。

根据公式（1）得：C南’=1.52%。

由此测得北风井外部漏风量为2.96m³/s，外部漏风率为1.65%，南风井外部漏风量为2.62m³/s，外部漏风率为1.52%。

表1 风量测定表

2.3 两种方法测算的外部漏风率比较

表2 误差分析表

通过上述计算，明显看出直接根据理想气体方程计算矿井外部漏风率比考虑气体热力学变化情况测算的矿井外部漏风率要大，且两种方法测得的外部漏风率误差在30%以上。可见，井筒深度较大时，使用理想状态方程测算的外部漏风率是不准确的。

3 结论

（1）为提高矿井通风系统的管理水平，本文以陈四楼矿为例，在矿井外部漏风率测定过程中，选定适合矿井的测算方法，测定了矿井外部漏风率。对于其他井筒深度较大的立井，精确测算矿井的外部漏风率具有参考意义。

（2）根据陈四楼矿主要通风机及附属设施的实际布置位置，选定该矿测定矿井外部漏风率的方法为风表直接测定法。通过测定的矿井外部漏风率基本参数，采用热力学方程和理想气体方程分别进行计算，对比分析误差率，充分考虑了井筒深度、温度对风量的影响，采用热力学方程计算的外部漏风率较为准确。

（3）最终测定并计算，陈四楼矿外部漏风率：北风井为1.25%，南风井为1.12%。