基点气压计法在星火煤矿通风阻力测定中的应用

王健健，李瑞海，常 峰

(陕西煤矿安全装备检测中心有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

通风是井下各项工作开展的基础，风流在巷道中流动时受到巷道井壁等影响会产生风阻，从而造成通风能量损失[1-2]。因此，《煤矿安全规程》规定，新建矿井投产前，必须进行一次矿井通风阻力测定，随后每3年至少测定一次，矿井转入新水平生产或改变一翼通风系统后，必须重新进行矿井通风阻力测定[3-4]。陕西星火煤矿位于陕西省韩城市新城区西北约5 km处，行政区划隶属陕西省韩城市板桥乡和西庄镇管辖。矿井采用“一斜井两立井”的混合开拓方式，共有3个井筒，即主立井、副斜井和回风立井，可采煤层为2、3、11号煤，目前首采面为2号煤层。矿井通风方式为中央并列抽出式，在回风立井井口安装2台FBCDZ-No-26型矿用防爆抽出式对旋轴流式通风机，其中1台工作，1台备用，配用功率2×355 kW。

为全面了解星火煤矿通风系统扩建、改造后的现状，陕西煤矿安全装备检测中心有限公司同星火煤矿有关人员密切配合，于 2020年9月，对其通风系统进行了检验和测定，全面了解通风系统现状，以期为其后期制定各种通风安全措施提供基础数据。

1 阻力测定

1.1 基点气压计法测定原理

基点气压计法测定矿井通风阻力，是采用精密气压测量得出测点间的绝对静压差、动压差和位能差，它们之和为两测点巷道的通风阻力[5-6]。假设两测点所在巷道断面分别为 1、2，则单位体积流体能量方程为

(1)

测定时，用1台精密气压计测出其绝对静压p1、p2；用风表测出平均风速v1、v2；用干、湿温度仪测出气温t1、t2和相对湿度φ1、φ2。然后根据各断面的绝对静压值、气温值和相对湿度值，计算各断面的空气密度ρ。各断面基础数据测得后，代入式(1)即可得到测段1-2的通风阻力。但只用1台精密气压计测量测点1、2的绝对静压p1、p2时，不能同时进行，然而在这一段时间内，地面大气压力可能发生了变化，给测值的精确度带来严重的影响。因此使用2台温度漂移特性基本一致的精密气压计，其中1台置于基点监测大气压的变化，另1台沿测点逐点测量测点绝压等参数。这时两测点的绝对静压差为

p1-2=(p1-p2)-(p01-p02)

(2)

式中，p1-2为两测点间的绝对静压差，Pa；p01-p02为基点监测的绝对静压差，Pa。

1.2 测定方法及仪器

矿井通风阻力测定是矿井通风技术管理工作的主要组成部分，也是掌握生产矿井通风现状的重要手段，它为矿井通风系统改造设计、调整及强化矿井的通风系统管理提供了科学依据，为灾变时期控制风流提供了必要的技术参数[7-8]。阻力测定方法采用基点气压计法，选用2台(编号记为Ⅰ、Ⅱ)精度符合要求的气压计(CFZZ6)，在副斜井井口地面选定基点，校对好2台仪器，并记录各自初始读数，Ⅰ号仪器由测试人员携带，按照预先确定的通风阻力测定线路，逐点测定、记录各测点的参数。同时，为了消除地面大气压力变化对测定数据的影响，将Ⅱ号仪器布置在副斜井井口作为基点[9-10]，由测试人员每隔5 min测定，并记录大气压数值一次，以对井下测点气压变化进行校正，提高测定精度。测定仪器见表1。

表1 阻力测定仪器Table 1 Instruments for resistance measurement

1.3 测定路线及测点布置

矿井风阻测定路线选取沿主流风流方向，风路最长的通风线路[11]。测点应布置在标高明晰，风流分、汇点之前和局部阻力较大地点前后以及典型巷道的首末，尽量避免布置在巷道断面不规则，风流不稳定的三岔口[12]。根据上述原则并结合矿井实际情况，具体确定的矿井通风阻力测定主线路为副斜井井口(基点)→副斜井→390石门→240轨道大巷→3号煤胶带大巷→2101运巷→2101工作面→2101回巷→2号煤盘区专用回风大巷→总回风巷→回风立井→风机→大气。

1.4 通风参数测定及计算

1.4.1 测点空气密度的计算

空气密度的计算见式(3)

(3)

式中，ρi为测点处空气密度，kg/m3；P0为测点处空气的绝对静压，Pa；φ为空气相对湿度，%；psh为测点温度为t℃时，空气的绝对饱和水蒸汽压力，Pa；t为空气温度，℃；i为测点编号。

1.4.2 参数测定

用激光测距仪测量出各测点的巷道参数，然后按巷道形状为梯形、半圆拱、三心拱等用公式计算出巷道的净断面及周长。按预定线路对各测点采用人工、风表法测风，实测的平均风速按风表校正曲线校正后，再乘以测风校正系数，换算成测点的真实风速，再由平均风速和断面积计算各测点处的风量。根据各测段井巷参数、风量及阻力，按照相应的公式计算出井巷风阻R，百米风阻R100和摩擦阻力系数α等。

2 结果及分析

2.1 通风阻力计算

2.1.1 测段间的通风阻力

测段间的通风阻力的计算见式(4)

hij=kⅠ(pⅠi-pⅠj)-kⅡ(pⅡi-pⅡj)+

(4)

2.1.2 系统总阻力

系统总阻力的计算见式(5)

(5)

式中，hr为系统总阻力，Pa；hij为测段间的通风阻力，Pa；n为进风井口到风机吸风口处测段数。

2.1.3 通风阻力计算结果

通过实测取得全部原始数据后进行整理与计算，得出实测阻力等通风参数情况，见表2。从计算结果可见，该矿井实测总回风量为6 663 m3/min，实测总阻力为1 581 Pa，表明该矿井通风阻力满足AQ1028—2006《煤矿井工开采通风技术条件》对矿井通风系统风量和系统通风阻力的要求[13]。

表2 星火煤矿矿井通风阻力测定Table 2 Measurement table of mine ventilation resistance in Xinghuo Coal Mine

2.2 通风阻力分布情况及分析

实测出全部原始数据后进行整理与计算，得出通风阻力分布情况，见表3及图1。可以看出，用风段通风阻力占矿井通风总阻力的26.46%，进风段占 27.56 %，回风段占45.99 %，矿井通风系统阻力分布基本合理。

图1 通风阻力分布Fig.1 Resistance distribution diagram

表3 星火煤矿矿井通风阻力分布Table 3 Distribution of mine ventilation resistance in Xinghuo Coal Mine

2.3 等积孔

矿井等积孔的计算见式(6)

(6)

式中，Q为实测风量，111.06 m3/s；hr为实测矿井通风总阻力，取1 581.61 Pa。代入相关数据，得矿井等积孔A为3.32 m2>2 m2，表明现阶段该矿井通风难易程度属于容易。

2.4 测定精度分析

在本次矿井通风阻力测定中，实测该矿井通风系统从副斜井井口(基点)→副斜井→240轨道大巷→3号煤胶带大巷→2101运巷→2101工作面→2101回巷→2号煤盘区专用回风大巷→总回风巷→回风立井→风机→大气的一条主干测线，其精度检验如下

(7)

式中，δ为相对误差，%；hr为从进风井口至回风井口通风系统主测线上实测通风总阻力，取1 581.61 Pa；Φ为精度指标，一般取Φ=5%；h为依据通风机房水柱计、自然风压计算的通风总阻力，其计算公式如下

h=hf-hv±hn

(8)

式中，hf为测定当日风机房U型水柱计读数，1 520 Pa；hv为U型水柱计静压测孔的断面处的速压，27.16 Pa；hn为通风主干测线上的自然风压，116.86 Pa。计算得h=1 609.7 Pa。

根据上述公式，代入相关数据得：δ=1.7%；因δ<5%。所以，测定结果有效。

3 结论

(1)全矿井通风阻力的测定结果表明，井下通风系统完善、合理、可靠，各用风点通风状况良好，测定结果为矿井通风安全技术管理提供了可靠的基础资料。

(2)采用基点气压计法对星火煤矿通风阻力进行测定，矿井通风系统总阻力为1 581.61 Pa，虽然回风段巷道阻力较大，但该矿井刚优化调整了通风系统，更换安装了2台FBCDZ-No-26主通风机，根据主通风机性能工况分析，具有很大的潜在能力。

(3)部分巷道存在积水，码放有物料、杂物，巷道断面不规则，建议主要通风巷道不得随意停放车辆，堆积材料，巷内及时排水，堆积的物料要及时清除或排列整齐，尽量少堵塞井巷断面，减小通风阻力，优化通风系统，保障通风安全。