回风大巷示踪气体测试矿井外部漏风率的最短采样检测距离研究

兰锦江，刘彦青，王俊峰，张 浪，雷殿志，王 飞

(1.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017305；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；4.中煤西北能源有限公司技术管理部，内蒙古 鄂尔多斯 017307)

《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%”。矿井外部漏风率直接反映地面主通风机风量的有效利用率，矿井外部漏风率增大会导致主通风机能耗增大，减小外部漏风率对于矿井通风系统具有重要意义。矿井外部漏风率测试方法主要包括风量直接测定法、示踪气体法、瓦斯等值法、精密测风仪表法、漏风路线风阻法、风机房水柱计法等[1]，部分学者[2-4]采用风量直接测定法实测了矿井外部漏风率及漏风源分布情况，但该方法受当前巷道风量测试方法及技术装备制约，测试精度偏低；孟璋等[5]采用瓦斯等值法实测了矿井外部漏风率，该方法受瓦斯浓度检测技术制约，瓦斯浓度检测精度仅为0.02%，测试精度偏低；还有学者[6-8]采用示踪气体法实测了工作面采空区漏风规律，SF6示踪气体浓度检测精度能够达到10-9m3/m3级别。综上所述，采用示踪气体法测试矿井外部漏风率是现阶段准确性最高的方法，示踪气体采样检测位置处巷道风流中示踪气体是否分布均匀会直接决定矿井外部漏风率测试结果的准确性，从示踪气体释放位置到风流中示踪气体达到均匀分布状态所在巷道位置之间的巷道长度称为示踪气体最短采样检测距离。对于回风立井系统而言，只能选择与回风立井相连的回风大巷内进行示踪气体采样检测，回风大巷通常会布置一些风门风窗等通风设施或者风流汇入巷道岔口，不含示踪气体的风流进入回风大巷会影响回风大巷风流中示踪气体的弥散过程，不利于回风大巷风流中示踪气体达到均匀分布状态，示踪气体采样检测过程中应该避开风门风窗这类漏风点和风流汇入巷道岔口，这样会导致能够进行示踪气体采样检测的巷道长度缩短，与“示踪气体法中采样检测距离越远，测试结果准确性越高”的测试特点相矛盾，准确计算示踪气体采样检测有效长度有限的回风大巷内示踪气体最短采样检测距离对于准确测试矿井外部漏风率具有重要的指导价值。

1 纳林河二号矿井工程概况

纳林河二号矿井位于鄂尔多斯高原东南部，为低瓦斯矿井，矿井采用抽出式通风方法，矿井通风方式为分区式，一号回风井总回风量为中央一号回风大巷和中央二号回风大巷风量之和，二号回风井总回风量为3-1上回风大巷东西两段风量之和。

2 矿井外部漏风率测试方案制定及研究问题提出

2.1 漏风率测试方案制定及测试误差分析

矿井地面主通风机外部漏风位置包括回风井防爆门、风硐与风机风道接口、回风井风硐等，在地面主通风机叶片之前的回风立井、风硐、风机风道处于负压状态，在地面主通风机叶片之后的风机风道、风机扩散塔处于正压状态，矿井地面主通风机主要外部漏风量为回风井防爆门漏风量和回风井风硐漏风量，漏风方向为外界向回风井内和风硐内漏风，如图1所示。

图1 回风立井、风硐、风机风道漏风机制示意图Fig.1 Air leakage mechanism of return-air vertical shaft,air roadway and fan air duct

按式(1)计算多回风巷型回风立井地面主通风机外部漏风率，测试方法包括风量测试法和示踪气体测试法。对于多回风巷型回风立井，根据质量守恒定律可知回风巷内示踪气体流量等于风机风流示踪气体流量，分别在与回风井相连的每条回风巷内释放示踪气体，实测该回风巷示踪气体浓度和风机扩散塔出口示踪气体浓度，按式(2)计算得到主通风机外部漏风率。

(1)

(2)

示踪气体法测试误差主要原因是回风立井各回风大巷风量与风机风量比值的测试时间不同步，测试时间间隔可能达到数小时，在数小时之内除通风系统巷道贯通、通风设施故障之外，通风系统风量不会发生大幅度变化。通风网络风量由通风网络风阻和地面主通风机决定，数小时之内地面大气压波动会使通风网络中所有巷道分支风量以相同的比例增加或减小，地面大气压波动理论上对回风立井的各回风巷风量与风机风量比值影响可以忽略；井下车辆行驶、人员活动会引起通风网络局部区域风阻发生改变，会导致通风网络局部区域巷道分支风量发生改变，可能会导致回风井各条回风巷风量与风机风量比值发生改变，会产生一定的测试误差。

2.2 研究问题提出

矿井外部漏风率测试中，地面示踪气体浓度采样检测位置选择在主通风机扩散塔出口是合理的，扩散塔出口位置示踪气体分布是均匀的，含示踪气体风流在流经风机风叶区域过程中，高速旋转的风机风叶会使示踪气体与风流均匀混合，风机叶片之后风道由负压变为正压，含示踪气体风流由风机风道内会向外界漏风，不会影响示踪气体在风机风流中的均匀分布情况。

纳林河二号矿井一号回风井和二号回风井风流均是由两条回风大巷风流在井底汇合然后直接进入回风立井井筒，由于回风立井井筒内无法进行示踪气体采样测试，井下示踪气体采样检测位置只能布置在与回风立井紧连的回风大巷内，回风大巷与进风巷之间大量的风门或风窗设施会导致与回风立井紧连的回风大巷无风流交汇区段的巷道长度范围仅为450～580 m。为了采用示踪气体测试法准确测得纳林河二号矿井回风立井地面主通风机外部漏风率，必须科学研究确定纳林河二号矿井回风大巷实际条件下示踪气体的最短采样检测距离。基于此，笔者采用理论公式计算、CFD数值模拟计算两种方法计算纳林河二号矿井回风大巷内示踪气体的最短采样检测距离，并通过现场实测结果评判两种回风大巷内示踪气体最短采样检测距离计算方法的现场应用可靠性。

3 回风大巷内SF6气体最短采样检测距离计算研究

3.1 回风大巷内SF6气体最短采样检测距离理论计算法

井下回风大巷内示踪气体采样检测位置处巷道断面内示踪气体的均匀分布程度与示踪气体释放位置到采样检测位置之间巷道距离、风速、巷道断面尺寸等众多因素密切相关密切。当示踪气体采样检测位置处巷道壁面处示踪气体浓度与巷道断面中心处示踪气体浓度之比达到0.95时，认为示踪气体在巷道断面内已经达到均匀分布。距释放位置xm处巷道断面中心处示踪气体浓度按式(3)计算，距释放位置xm处距巷道壁面处示踪气体浓度按式(4)计算，式(5)为忽略边界条件影响条件下距离释放位置xm处距离巷道壁面处示踪气体浓度计算公式。为了保证理论公式计算结果的准确性，计算中所使用的参数通过现场测试进行取值。实测各回风大巷的风速、断面积、周长，测试结果见表1，以巷道断面积、巷道周长计算巷道当量半径，根据风流中SF6气体最佳检测浓度(2×10-8m3/m3)、实际巷道风速、实际巷道断面积计算SF6气体释放量，计算结果见表1。联立式(3)～式(6)，求解得到各回风大巷的SF6气体最短采样检测距离，计算结果见表1，根据计算结果可知中央二号回风大巷和3-1上煤层回风大巷东段的SF6气体有效采样检测巷道长度小于SF6气体最短采样检测距离计算结果，计算结果表明，采用示踪气体法无法准确测试矿井外部漏风率。

表1 SF6气体最短采样距离计算结果Table 1 Calculation results of the shortest sampling distance of SF6 gas

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：c(x,0)为距离释放点xm处巷道中心处SF6浓度，%；c(x,r)为距离释放点xm处巷道壁面处示踪气体浓度，%；c0(x,r)为忽略边界条件影响条件下距离释放点xm处巷道壁面处SF6浓度，%；x为距离SF6释放位置的距离，m；r为实际巷道当量半径，m；u为实际巷道风速，m/s；q为SF6气体释放量，mL/min；Dr为径向紊流系数，取0.52[6]。

3.2 回风大巷SF6气体最短采样距离CFD模拟法

1) 几何模型构建及网格划分。以纳林河二号矿井一号回风井和二号回风井的各回风大巷为现场原型建立CFD数值计算模型，利用GAMBIT建模软件分别建立回风大巷的巷道模型，几何建模中考虑了回风大巷内的排水管道，巷道几何模型局部区域及网格划分情况如图2所示，一号回风井和二号回风井各回风大巷具体的几何模型尺寸数据见表2。

图2 模型局部区域及网格划分情况Fig.2 Local area and mesh generation of geometric model

表2 回风大巷几何模型尺寸参数Table 2 Dimension parameters of geometric modelof return air main roadway

2) 物理数学建模。联立连续性方程、动量守恒N-S方程、能量守恒方程、组分质量守恒方程、湍流模型方程，建立巷道内SF6气体弥散过程控制方程组，巷道内风流为紊流状态，由于巷道为受限空间且排水管道存在使得巷道风流场边界条件十分复杂，湍流模型采用REGk-ε模型，该模型适用于计算高应变率及流线弯曲程度大的流体流动过程。计算模型边界条件设置见表3，边界条件和控制方程组构成了能够计算回风大巷SF6气体弥散运移过程的CFD计算模型，SF6气体释放位置布置在距巷道底板1 m处巷道中心位置。

表3 计算模型边界条件Table 3 Boundary conditions of calculation model

3) 数值模拟结果分析。以各回风大巷实测风速作为数值模拟中回风大巷风速条件。根据巷道风速、巷道断面积、风流中SF6气体最佳检测浓度(取2×10-8m3/m3)计算SF6气体释放源量，保证各回风巷道断面内SF6气体浓度平均值为2×10-8m3/m3(即nave)。图3为SF6气体释放条件下距释放源位置不同距离处巷道断面内SF6气体浓度在[0.95nave，1.05nave]的分布区域，巷道断面为同一颜色时说明巷道断面内SF6气体达到均匀分布状态，距释放源越远，巷道断面内颜色分布越均匀，必须在颜色分布完全均匀的巷道断面处进行SF6气体采样检测，才能保证准确测得回风大巷内风流中SF6气体平均浓度值。

图3 距释放位置不同距离处巷道断面SF6气体平均分布浓度分布区域Fig.3 Average concentration distribution area of SF6 gas in roadway sectionat different distance from release location

巷道断面风速场分布情况如图4所示。由图4可知，各回风大巷断面内风速是非均匀分布的，这会影响SF6气体在巷道断面内的弥散过程。各回风大巷的最短采样检测距离数值模拟结果见表1，根据公式计算法得到的各回风大巷最短采样检测距离均小于各回风大巷的SF6气体有效采样检测段巷道长度，计算结果表明，采用SF6示踪气体法能够测试矿井外部漏风率。

图4 巷道断面风速场分布情况Fig.4 Distribution of wind speed field in roadway section

4 SF6气体最短采样距离计算方法的准确性验证

为了对比分析两种示踪气体最短采样检测距离计算方法的准确性，在地面主通风机外部漏风率现场实测过程中分别对两种方法计算所得的最短采样检测距离处以及最短采样距离向前20 m的巷道断面内SF6气体浓度进行实测，巷道断面内SF6气体浓度检测采样位置布置如图5所示，SF6气体浓度检测结果见表4和表5。实测结果显示，采用CFD数值模拟计算确定的四条回风大巷最短采样检测距离处巷道断面内SF6气体达到均匀分布状态，而最短采样距离向前20 m处巷道断面内SF6气体尚未达到均匀分布状态；采用理论公式计算确定的3-1上煤层回风大巷西段最短采样距离处巷道断面内示踪气体未达到均匀分布状态，中央一号回风大巷最短采样距离处巷道断面内示踪气体达到均匀分布状态，其余两条回风大巷的最短采样检测距离均超过各条回风大巷的示踪气体采样检测的有效长度，无法进行现场实测。实测结果表明能够采用SF6示踪气体法进行矿井外部漏风率测试。

表4 最短采样检测距离对应的巷道断面内SF6气体浓度实际检测值Table 4 Actual detection value of SF6 gas concentration in the roadway section correspondingto the shortest sampling distance calculated

表5 最短采样检测距离向前20 m处巷道断面内SF6气体浓度实际检测值Table 5 Actual detection value of SF6 gas concentrationin roadway section 20 m ahead of the shortest samplingdistance calculated

图5 SF6气体检测位置图Fig.5 Layout of SF6 gas detection position

研究表明，示踪气体最短采样检测距离CFD数值模拟计算结果准确性明显高于理论公式计算法，对于示踪气体有效采样检测长度有限的巷道可采用CFD数值模拟方法计算考察示踪气体最短采样检测距离，以确定能否采用示踪气体测试法进行矿井外部漏风率测试。以CFD数值模拟方法确定的SF6气体最短采样检测距离进行矿井外部漏风率测试，一号回风井地面主通风机外部漏风率示踪气体法测试结果为2.62%，二号回风井地面主通风机外部漏风率示踪气体法测试结果为2.75%。

5 结 论

1) 以现场风速、巷道断面尺寸等实测数据为输入参数，采用理论公式法直接计算得到各回风大巷内SF6气体最短采样检测距离，计算结果显示一号回风立井和二号回风立井均不宜采用示踪气体法测试矿井外部漏风率。以现场实测数据为建模参数，构建了回风大巷SF6气体弥散运移过程CFD数值计算模型，通过模拟各回风大巷内SF6气体浓度场分布情况，确定了各回风大巷内SF6气体最短采样检测距离，计算结果显示一号回风立井和二号回风立井均可以采用示踪气体法测试矿井外部漏风率。

2) 现场实测结果显示采用CFD数值模拟法计算确定的回风大巷最短采样检测距离处巷道断面内SF6气体均达到均匀分布状态，理论公式法计算结果与实际之间的偏差明显大于CFD数值模拟法计算结果，研究表明采用CFD数值模拟法能够准确计算回风大巷内示踪气体的最短采样检测距离，采用CFD数值模拟法能够对矿井外部漏风率示踪气体测试法的现场适用性进行科学论证。