煤矿通风巷道断面风速测定与变化规律研究

＊武翰杰

（山西省长治经坊煤业有限公司 山西 047100）

在煤矿的生产工作中会产生大量的有害气体和粉尘，而这些气体和粉尘在封闭的地下若无外力干扰无法离开施工现场，因此，为了保障生产工作的顺利进行，必须为地下作业场所提供通风保障。而低通风巷道进行数据监测能够掌握到可靠的风速、风力、变化规律等各项数据，这些数据也是安全技术人员分析地下作业场所安全与否的凭证。若无法掌握风速、风力等数据就无法实现通风的正常保障，即使勉强支撑起通风巷道，也会因没有根据实际数据开展正常保障而埋下安全隐患。其次，若不能掌握气流的变化规律，为了采集风力数据只能在矿井巷道中增加风速传感器的布置，但这样一来不仅加大了资金和人力的投入，也会更多的占用本来应作为运输和行人的巷道内空间，可谓“得不偿失”。

1.通风巷道内断面风速的特点

(1)通风巷道约光滑，低风速区域越小

对锚喷、工字钢等四种巷道断面进行分析发现，巷道中低风速区域最小的位置是通风巷道墙壁表面最光滑的平整壁面支护巷道，以分析线为准，计算气流边界至风速达到80%的中心点，这个距离仅为17%。而通风巷道壁面最为粗糙的是锚网锚杆支护巷道，以汾西县为准，计算气流边界至风速达到80%的中心点，百分比骤然升至61%，是四种材料中低风速区域最大的。

(2)气流边层流速较低

在对通风巷道进行气流监测时不难发现，巷道中的气流流动时，即使同处于同一断面，但风速的分布是不均匀的。主要原因在于：当巷道中有气流流过时，会因压力、气体流速的影响，在巷道的边缘形成一层十分薄的低流速层。而与之相反，在通风巷道内流动除边层以外的气流在流动时风速较快，边层以外的气流风速远高于边层气流的风速，并且这种现象会随着气流的流动向轴心方向进一步扩大[1]。

2.通风巷道断面风速测定方法

(1)近似法测风速

随着科学技术的不断发展，机械设备的应用也越来越普及，但在小型煤矿中仍不足以支持购买除生产机械以外的机械设备，因此，诞生了不依靠机械设备，完全以人为基础进行的测风速方法。首先，近似法测风速需要两名测量人员的配合，由一名测量人员站在通风巷道的上风位置（如图1所示），释放具有气味或者能够形成烟雾的气体，气体会随着通风巷道一直流动至第二名测量人员的位置，当第二名人员闻到气味或看到烟雾，立即发出信号停止计时，此时，测量人员已经掌握了距离以及时间两个数据，进行简单的计算即可得到风速数据。

图1 近似法测风速图

(2)精确法测量风速

为了提高风速数据的精确性，在进行风速测量时测量人员常使用风表，风表根据其结构件的不同，分为杯式和叶式两种。使用该方法测量风速需要测量人员进入到巷道内，以背向巷道的方向站立，在测量期间要保持风表与风流方向垂直，而后根据巷道断面的实际情况，手持风表进行匀速运动。运动路线分为a、b、c三种（如图2所示），需要测量人员根据现场实际情况和需要进行选择，其中a路线的测量结果最为准确，而b、c两种路线分别适合在断面较大以及断面较小两种情况下使用，当测量结束后应立即关闭风表[2]。此时，根据风表的读数和时间，测量人员只需进行简单计算即可得出风表速度，而后再参照风表的矫正曲线就能得到真正的风速数据。

图2 风表在巷道断面上的移动路线图

3.巷道断面风速的分布规律

矿井巷道的形状不仅相同，但其总体上更多趋向于圆形，如上文所诉，通风巷道的表面上存在一层极薄的低流速层，而低流速层上又分布着风速远大于低流速层的紊流风流，这种现象是随着气流的流动而沿着轴心方向扩大的。为便于研究，将大于低流速层的那部分气流称为紊流风速，若想求得巷道风速只需将边界风速与紊流风速的均值相加即可。

在进行研究其间，根据数据可以得知，若想保证矿井通风的质量，需要保持通风巷道的光滑，提高边层风区的流速，断面风速分布也较粗糙的巷道更为均匀，在通风中能够高效的排出烟尘。与之相反，在粗糙的巷道中，边层风区流速低，断面风速分布较为紊乱，因此，排烟尘能力较差[3]。

4.实际操作

为了保证研究的质量，在尽可能满足研究条件选择矿山进行分析测量，影响研究的主要因素为：风流是否稳定、研究现场周围是否存在明显干扰、断面是否整齐等，在规划测量路线时，共选择A、B两条测量线路，其中A路线距离地板1.5m不变，从巷道右帮沿水平方向达中心位置，B路线距离巷道右帮2.0m距离不变，从地板眼竖直方向达中心位置。根据测量结果显示，以边界为起始，以中心速度为结尾，风速会因测量位置的变化而逐渐增大。并且风速的变化是一个较为急促的过程，风速会在靠近巷道壁面距离较近时陡然提升，并且随着气流远离巷道壁面，风速的增大也在逐步提高，这个值在达到巷道中心时到达最大。据研究数据显示，相关系数的总体分布在0.783至0.956之间，在前一次的研究数据中显示，与此次研究数据有一定出入，主要原因在于：此次研究所选通风巷道的壁面较为整洁，技术人员为了提高通风效果在修建通风巷道时采用全水泥材料，并在水泥的基础上涂抹油漆进行通风效果的进一步提升。而前一次研究所选的通风巷道，壁面粗糙，受通风巷道支护影响较大，因此两次研究之间的数据有出入。在实际研究中，数据的精确与否，影响因素是测量仪器的精密程度以及矿井下的实际风流，在时间的变化下，风流的数据也会产生变化，为实际操作研究造成影响[4]。

5.研究煤矿通风巷道断面风速测定与变化规律的意义

(1)为井下施工人员提供通风保障

随着科学技术的逐渐发展，当前的矿井通风保障早已不再是简单运算即可得到的结果，为了高质量的保障矿井下的通风需要，必须得到精密的数据。井下危害最大的莫过于粉尘和有害气体，其中有害气体的代表即为瓦斯，煤炭是远古时代的产物，是由远古时期的植物遗体在深埋地下后，经过高温高压的逐渐变化而产生的。在产生反应的过程中，植物遗体会释放以甲烷为主的可燃气体，但又因气体深埋地下无处排出而充斥在煤层中，随着人们的采煤工作，瓦斯也会被释放至施工人员能够接触到的位置，当囤积瓦斯的浓度过高会造成中毒甚至爆炸的问题。因此，通风保障是井下安全生产的首要条件，而研究风速数据以及风速的变化规律能够为通风管理工作提供全面的数据支持，让通风工作更为科学化。

(2)为施工人员提供更舒适的工作环境

在煤矿的井下施工中，施工人员常常需要在地下千百米的位置进行作业，正常情况下空气很难抵达这个位置，必须借助通风设备这一外力。在改善施工人员工作环境上，主要体现在两个方面：一、为施工人员供氧，氧气是人类生存的基本需求，施工人员在地下位置较深，正常情况下氧气很难输送至这个位置，必须通过通风设备，让地面的空气与矿井下的空气流动，为施工人员提供工作的必须条件。二、缓解施工场地潮湿，因位置深处地下，矿井下对阳光和温度是一种“奢望”，同时，伴随着底层夹杂的水流影响，导致矿井下的潮湿问题十分严重[5]。进行必要的通风，能够将外界干爽的空气带至矿井下，通过通风带走一部分的潮湿空气，减缓矿井下的潮湿情况，提升施工人员的工作环境。

6.结束语

通风是煤矿生产运行的基本保障之一，通过研究表明，若想为矿井下工作场所提供更优质的通风保障，在建设时应更多得选择建造壁面光滑、没有障碍物影响的通风巷道，为煤矿的生产和发展提供助力。