郴州地区煤矿通风阻力测定及分析

摘  要：煤矿通风系统在整个安全生产系统中占有很重要的地位，它在服务安全生产系统的同时又对安全系统有着很大制约作用。通过对湖南郴州地区15个煤矿通风阻力测定，获取了具有代表的特征井巷摩擦阻力系数，分析出了阻力存在关键所在，并提出了降阻措施。

关键词：煤矿;生产系统;通风阻力;摩擦阻力系数

中图分类号：TD722    文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

矿井通风阻力这一物理量不仅能够很好的衡量矿井的通风能力，通过对各项数据的测量，获得各段巷道的阻力值和系统阻力的分布状况，可作为对矿井生产技术改造时的一项依据。

1 通风阻力测定

1.1 测定方案的确定

矿井通风阻力测定常用有气压计法和压差计法两种方法。两种方法对比：气压计法因其所用测量仪器体积较小，重量轻，测定人员操作简单，能够快速观测记录;压差计法测阻使用仪器简单，故测量精度较高，但测定工作程序较为复杂，需要测定人员配合默契。郴州地区的煤矿开采范围较大、深度深，其测量范围广，线路长。在确保精度的情况下，我们选用了整体控制较好的气压计法。具体做法是：使用2台CZC5A通风阻力检测仪，在副井井口同时设置归零，一台留在副井井口，设置每五分钟记录一次大气压的变化，另一台随时携带在身上，按照之前的拟定测定路线对各项数据进行测定。

1.2 测定仪器选择

测定所使用的仪器、仪器如表1所示。

1.3 测定线路的选择及测点布置

1.3.1 测定线路的选择

一般是选择一条通风线路长，并且经过采煤地点的线路作为主测定线路，然后再选择一条风量比较小的路线作为次测定路线。主要路线和次要路线可进行相互校验。

1.3.2 測点布置

测定路线选定后，根据井巷布置情况，在通风系统图上标定测点的位置，沿测定路线将测点依次编号。

1.4 主要参数计算

1.4.1 井巷几何参数的测算

巷道断面积，周长的计算如表2所示。

注：S_L—断面面积，㎡;B_L—宽度或腰线长度，m;

H_L—全高，m。R—圆半径;π—圆周率，取3.142

1.4.2井巷内风量、风速计算：

井巷内风量按以下公式计算

式中：Q—巷道里面的通风量，m³/min;S—巷道内部断面的面积，m²;

V—风速，m/min

1.4.3 测定空气密度计算

湿空气密度的计算式为：

式中：P—测点绝对静压，Pa;t—测点空气温度，℃;

—t、t_w（湿温度）时空气的相对湿度，%;P_b—空气在t温度下的饱和水蒸气压力，Pa。

1.4.4井巷断面的速压计算

井巷两端断面各自的速压是根据其平均风速和空气密度决定的，即：

式中：h_v—巷道断面的速压，Pa;r—测点空气密度，kg/m³;

V—测点平均风速，m/s。

1.4.5井巷通风阻力计算

巷道两端断面间的阻力由下面的公式计算：

式中：h_s（i，j）—始断面静压到末断面静压的差值，Pa;

B_i、B_j—始、末断面气压计静压差读数，Pa;

B_i'、B_j'—B_i、B_j时基点气压计静压差读数，Pa;

H_z（i，j）—始、末断面的位压差，Pa;

Z_i、Z_j—始、末断面底板标高，m;

r_i、r_j—始、末断面空气密度，kg/m³;

h_v（i，j）—始断面速压与末断面速压差，Pa。

1.4.6矿井通风总阻力计算

从进风井井口到回风井风硐内测点的全矿井通风阻力，等于一条主要通风路线上各巷道通风阻力之和，即：

1.4.7井巷风阻R_L及摩擦系数α_L计算

（1）计算巷道风阻R_L

，N.s²/m⁸

（2）巷道摩擦阻力系数a_L

，N.s²/m⁴

1.4.8自然风压的测算

通过计算主线上测得空气密度值和标高值，并利用平均密度算法，求得测点线上各段的压差代数和，就可以计算出关于该条测线路的自然风压值。而矿井内部的自然风压值可以利用下面的公式计算：

式中：Z₀—风硐内测压处标高与进风井口处标高的差值，m;

r₀—地面空气平均密度值，kg/m³;其它符号的代表和前面所述相同。

1.4.9 矿井等积孔测算

井等积孔计算公式为

2 测定数据计算和误差分析

将测定的各项数据，按照测定编号依次输入编制好的Excel程序里，通过进行相应的计算分析和处理，即可得到矿井通风阻力值。在测阻过程中，难免存在有一定的测量误差，误差限定在一定范围内（一般要求δ小于5%），测定的结果才变得真实、可靠。系统阻力测定误差是按通风机房的水柱计读数计算出系统理论通风阻力与实测系统阻力比，而得到的相对误差，具体计算公式如下：

式中：δ—阻力测定相对误差，%; h'—阻力的理论计算值，h'=hs-hv+hn，Pa;

hs—通风机房水柱计读数，Pa;

hv—风硐内测压断面处的速压值，Pa;

h—全矿通风阻力实际测量值，Pa;

hn—矿井自然风压值，Pa。

经过对郴州地区15家煤矿的通风阻力进行测定分析后，矿井通风在890～2198Pa之间，多数在1400Pa左右，相对误差都在5%以下，其精度都符合要求。

产生误差的原因分析：（1）某些巷道进入的风量比较小，且阻力也比较小，有些风阻甚至小到了仪器灵敏度范围内;（2）有些巷道断面变形，使得断面面积不好测算;还有就是部分地段的风流不够稳定，让仪器难以读出具体数值。

3阻力分析

郴州地区煤矿巷道断面一般均是半圆拱，支护形式均是锚网喷，部分井筒和破碎段则采用砌碹支护。通风距离较远，一般在3000m左右，个别煤矿达到了4000m（如湘永矿业有限公司铜角湾煤矿）。矿井等积孔在0.6～1.3之间，一般为0.8左右，大体上通风难易程度属于困难。

3.1 阻力分析

在通风阻力测定过程中，根据矿井现场的实际情况，选取了井巷长度大于200m、断面较为规整且过风量较大的巷道进行了摩擦阻力系数测定计算，通过测定计算获得了湖南郴州地区煤矿部分具有代表特征的巷道摩擦阻力系数α值。半圆拱采用锚网喷，巷道成形较好，壁面凹凸度>100mm，α×10⁴值为184～278;半圆拱采用砌碹，但壁面凹凸度<150mm，α×10⁴值为52～172;梯形断面，金属支护，α×10⁴值为257～564;这些参数就今后煤矿通风技术改造具有一定的参考意义。通过对现场实际情况的掌握和对测定的数据进行统计分析，整理出了各煤矿通风系统均存在如下共性问题。（1）矿井进风段和用风段巷道通风阻力较小，占总阻力的35%左右;回风段巷道通风阻力占总阻力的60%以上。（2）巷道受地压影响，断面出现了变形、巷道冒顶失修等现象，断面忽大忽小，存在积水、堆放材料、小断面巷道存放矿车、已废弃的风门门框未拆除、返修增加支护厚度，这些因素都是导致通风阻力的增加。（3）部分矿井在进行主要通风机更换时，新砌筑的风硐距离长，断面小，主要通风机一味的追求大风机、大功率，没有选择与矿井通风能力相匹配的通风机，使得风机工作效率偏低。

3.2 降低通风阻力的措施

（1）合理的布置采掘工程，尽可能的减少回风段巷道长度。（2）加强对于巷道的保护和维护，对于一些通风阻力较大的地段，可以采取启封废旧巷道实现并联通风。同时，加强对巷道内的堆积物、积水的清理;巷道断面较小段，必须时要进行扩刷;尽可能的见少矿车、材料对巷道断面的堵塞，增加巷道有效过风断面。（3）井巷布置时眼光要放长，适当的增加掘进时巷道断面，施工时要狠抓工程质量，使断面规格一致，壁面平整光滑。

4 结语

通过以上对通风阻力的具体测定，基本上让我们了解和掌握了郴州地区煤矿矿井通风阻力的大小及分布情况，希望通过这次分析，为下一步的通风改造工作奠定方案。

参考文献

[1] 谢中鹏.矿井通风与安全[M].北京：化学工业出版社，2008.

收稿日期：2019-07-19

作者简介：陈青峰（1986—），男，汉族，湖南衡阳人，本科，工程师，研究方向：煤炭開采技术;通风与安全。