南屯煤矿通风阻力测定与分析

张英超，刘美娜，时东文

（1.兖矿能源集团股份有限公司南屯煤矿，山东 邹城 273515；2.山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

0 引 言

南屯煤矿位于山东省邹城市西北部，建成投产时间在1973 年12 月左右，煤炭年设计产量大约为150 万t。煤矿经改扩建，2009 年产量为363 万t。煤矿采用为走向长壁与倾斜长壁采煤相结合的采煤方法。目前主要开采的煤层为3 上层、3 下层，工作面类型分别为综放工作面和综采工作面。在开采过程中发现，所开采的煤炭在一定条件下容易自然发火，自然发火期为90～180 d。

矿井通风系统是向井下各作业场所提供新风和排污风的各个通风网络、动力和控制设施的总称。矿井通风系统是矿山系统极为重要的一部分[1]。生产时期，矿井通风系统主要通过利用通风机动力的方式使得新鲜风流进入矿井，并在矿井中稳定提供井下工作人员所需要的新鲜风流；在此基础上稀释瓦斯煤尘等矿井有害气体粉尘，降低井下作业地点温度，为井下工作人员安全生产提供保障；通过通风设施联动的方式，在重大风险来临时能调节新鲜风流到矿井各处，保障平稳运行，降低事故危害。合理的矿井通风系统设计和选择，能够极大程度保障矿井安全高效运行以及提高矿井的抗灾害能力。矿井通风系统受各因素条件限制，并且在各因素之中存在着对立性和不可公度性[2]。

在后续的开采过程中，南屯煤矿通风系统具有主要用风地点分散广、跨度大的特点，造成矿井通风系统的复杂性增大、可靠性降低。矿井剩余服务年限内根据生产接续安排，可能面临几次阶段性的通风系统大调整所带来的供风困难问题，如果不提早进行通风系统优化及改造，即将可能出现供风不足、接续无法正常进行等问题，严重影响矿井安全生产[3]。因此，需要定期进行通风阻力测定工作，为优化通风阻力提供精确数据，以更好的促进煤矿生产。

1 矿井通风现状概况

南屯煤矿通风方法采用抽出式和一翼对角混合式与中央并列通风方式。在矿井通风系统布置中，主井、副井、混合井为进风巷，白马河风井和中央风井为回风巷。根据当前矿井风量需求，在中央风井架设一台2K60-528 型轴流式通风机，电动机型号为异步Y560-10 型，转速分别为800 kW 和594 r/min，并另架设一台备用；在白马河风井架设一台2K60-528 型轴流式通风机，电动机型号为YX450-8 型，转速分别为400 kW 和745 r/min，并另架设一台备用。

2021 年3 月初矿井总进风量14 639 m3/min，总回风量14 986 m3/min，总有效风量13 122 m3/min，风机实际排风量15 481 m3/min，矿井实际需要风量13 903 m3/min，有效风量率89.6%。

2 测定方案

2.1 测定路线

根据南屯煤矿当前的生产实际、巷道布局和通风现状，从通风阻力测定要求和目的出发，选定2 条长度较长、风量较大的测定主线，能够包含采煤工作面，并另选8 条线路。

在结合了南屯煤矿所处的生产现状和通风系统布局的基础上，根据所要测定的目的和要求，在通风系统各巷道中选择了包括工作面在内的2 条具有路现长、风量大等特点的路线作为本次计算的主要测量路线，同时附加了8 条辅助测量路线。2 条主要测量路线为：

1）九采区主测通风路线(副井→北石门→东大巷→九采主轨下山→九采一分区南部轨道巷→93上24 轨顺→九采-350 回风下山→东翼总回风下山→东翼煤层总回风巷→回风下山→中央风井)；

2）三采区主测通风路线(副井→南石门→南翼西大巷→-260 运输上山→三采东区3下煤横贯→3304 运顺→三采总回风大巷→-290 回风巷→白马河风井）。

2.2 测点布置原则

根据本次通风阻力测定工作的要求，在现场考察工作面及巷道的分布、工况条件，在选定测点后，需在通风系统示意图上按照编号，顺序标定测点位置。在确定测点时，一般需要遵守以下原则及注意事项：

1）测点处能够形成稳定风流，巷道断面相对平整，测点前后5 m 内形成完整支护，无堆积物；

2）测点位置尽可能靠近标高控制点；

3）测点的选择主要考虑了风流交汇和分叉处以及局部阻力突变和阻力较大的地点；

4）测点处应保持风流相对稳定。

在实测过程中，还应该结合矿井内实际状况，调整测点位置及数量，使得测点布置能够满足测定需要，为矿井通风阻力优化提供足量的原始数据。

2.3 测定仪器及方法

此次通风阻力测定所用各种设备仪表见表1。

表1 矿井通风阻力测定所用仪器设备

利用逐点测量法，使用精密气压计作为主要设备，将其放置在井口作为基点气压计，监测地压变化。另一种气压计根据提前选取的井下各个测点的位置进行测量，作为测点气压计。基准点气压计每5 min 记录数据一次，测点气压计在测点位置时隔5 min 或10 min 为基准记录数据一次。二者测定的数据在时间上保证相对应，主要原因是二者能够在地压量化的基础上反应对测点数据的影响，以确保结果的可靠性和准确性。各测点的风压在被测量的同时，测点的巷道断面参数，风速以及气相条件同时进行测量。在按照顺序测量所有测点后，返回井口时需重检仪表数据，检查仪表误差。此时测量完成，记录各测点的原始数据。

3 测定参数

1）空气密度。通过风扇湿度计和精密气压计得到各个测点的计算所需数据，主要包括测点的干湿球温度和各测点的大气压力数值，通过以下公式计算各测点的风流空气密度

式中：ρ为空气密度（kg/m3）；P为空气绝对静压（kPa）；Ps为饱和水蒸汽绝对分压(kPa)；φ为空气相对湿度(%)；T空气绝对温度（K）。

2）巷道断面积。测点巷道断面积按下式计算：

梯形或矩形巷道：

半圆拱巷道：

三心拱巷道：

式中：SL为巷道断面积(m2)；BL为巷道宽度或腰线长度(m)；HL为巷道全高(m)。

3）测点风速

测点的真实风速主要根据下式利用所测点的表速换算而来：

式中：V为测点风速 (m/s)；S为巷道断面积(m2)；0.4 为人体侧面积(m2)；α、b分别为风表校正系数；x万表速(m/min)。

4）测点速压

5）测点间风量的确定

如图1 所示，任意二测点间流过的风量主要由以下原则进行确定：

图1 风量测定测点布置图

在两测点之间无分叉路线(图A)，风量由两测点平均值来表示，即：

风流分叉点前的测点(图B)，取后测点的风量作为巷道的风量，即：

风流分叉点后的测点(图C)，取前测点的风量作为巷道的风量，即：

6）两测点间巷道的阻力计算

在精密气压计使用过程中，测点间的静压差主要由以下公式计算：

两测点的位压差：

两测点的速压差：

则两测点间的通风阻力为：

式中：Bi、B i+1精密气压计在巷道前后测点i,i+1 上的读数数据(mmH2O)；B'i、B'i+1与B i、B i+1相对应的基点气压计的读数(mmH2O)；Z i、Zi+1测点i、i+1的标高 (m)；ρ i、ρi+1测点i、i+1 的空气密度(kg/m3)。

7）巷道风阻、百米风阻计算

巷道风阻计算公式为：

百米风阻计算公式为：

式中：L i，i+1为测点i，i+1 间巷道的长度(m)。

8）矿井通风总阻力的计算

将进风井口与吸风口之间各巷道所测得的通风阻力相加即为该矿井的总通风阻力，如下所示：

式中：n为进风井口与吸风口之间巷道总数。

4 通风分析

4.1 阻力计算结果

经过计算，可以得出中央风井和白马河风井的通风阻力相关数据，见表2 和表3。

表2 中央风井主测通风路线阻力解算结果统计表

表3 白马河风井主测通风路线阻力解算结果统计表

结合上述结果和矿井实况，在通风优化过程中应注意[4]：

1）回风巷道是矿井通风的高阻力区段，在整条路线中占比较大；主要原因是通风距离长，弯道多;

2）加强矿山通风防范设施管理，提高通风调节装置的稳定性，减少通风门漏风，确保通风系统的安全、稳定、可靠；

3）该矿部分回风巷道风速较大。建议及时清理回风通道内杂物，加大通风区段。

4.2 矿井等积孔与风阻

矿井等积孔与风阻的计算公式为：

式中：A为矿井等积孔(m2)；Q为矿井总回风量(m3/s)；h为矿井通风阻力(Pa)；R风阻(N·s2/m8)。

经测量研究，93.855 m3/s 为中央风井总排风量，1 238.8 Pa 为总通风阻力；69.506 5 m3/s 为白马河风井排风量，1390.1 Pa 为通风阻力。经过计算，中央风井等积孔为3.17 m2，风阻为0.14 N·s2/m8；白马河风井等积孔为2.22 m2，风阻为0.29 N·s2/m8。矿井通风难易程度为容易[5]。

4.3 误差分析

误差检验作为测量判断所做工作有效性和可靠性的重要检验方式。通风阻力误差主要根据风机房水柱计算所得的理论阻力与实测阻力比较所得的相对误差。

矿井通风系统通风阻力的理论阻力值可按下式计算[6]：

式中：Hr为通风阻力的理论值(Pa)；Hc为水柱计读数(Pa)；Hvf为风硐内测压断面的速压(Pa)；Hn为系统自然风压(Pa)。测定误差主要由下式计算：

式中：δ为相对误差(%)小于5%；Hs矿井通风阻力实测值（Pa）。

南屯矿通风系统的通风阻力测定结果见表4。

表4 南屯煤矿通风系统通风阻力测定结果检验表

相较于其他气压计，本次测定使用的精密气压计，精度及稳定度较高。表4 给出了测定结果与理论通风阻力的相对误差在5%范围之内，可以认为测定结果是有效的，能够为矿井通风阻力优化提供数据支撑。

但在通风阻力测定过程中，受矿井客观条件、人为因素、仪表因素影响，结果仍存在一定误差，主要原因为：

1）在识别巷道断面形状时，普遍采用最相似原则，因此断面识别有出入；部分巷道不稳定风流导致的数据与真实值存在较大差别，获取的风速参数不准确；

2）部分标高测量值不精确，使得测点阻力值与真实值有较大差异；

3）井下生产及其他活动影响部分测点的参数；

4）下一步将对每条巷道及阻力分布进行分析，找出高阻力区，并提出合理的优化方案。

5 结 语

1） 南屯煤矿中央风井通风阻力测定结果为1 238.8 Pa，等积孔为3.17 m2，排风量为93.855 m3/s；白马河风井通风阻力测定结果为1 390.1 Pa，等积孔为2.22 m2，排风量为69.506 5 m3/s。通风难易程度均为容易。

2）矿井回风段通风阻力所占比例较大，经现场考察，发现通风距离较长，存在较多拐弯，部分回风巷存在较多杂物。

3）通过进行通风系统网络解算，制定了现阶段、中期和远期优化方案，并采取了一系列通风保障技术措施，提高了矿井未来不同生产时期的通风能力。