焦家寨煤矿通风系统阻力测定与分析

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.05.629

焦家寨煤矿通风系统阻力测定与分析

朱旭东^,¹, 鲁忠良^,¹^,²^,³

1 河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000

2 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南焦作 454000

3 煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作 454000

Measurement and Analysis of Resistance in Ventilation System of Jiaojiazhai Coal Mine

ZHU Xudong^,¹, LU Zhongliang^,¹^,²^,³

1 School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan， China

2 Key Laboratory of Gas Geology and Gas Control，Jiaozuo 454000，Henan， China

3 The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan Province，Jiaozuo 454000，Henan， China

收稿日期: 2017-11-06 修回日期: 2018-03-29

基金资助:

国家自然科学基金项目“基于有源风网力学模型的煤与瓦斯突出矿井通风系统灾变过程研究”. 51174109

Received: 2017-11-06 Revised: 2018-03-29

作者简介 About authors

第一朱旭东（1992-），男，河南焦作人，硕士研究生，从事矿井灾害防治和通风除尘研究工作769309830@qq.com , E-mail：769309830@qq.com

鲁忠良（1964-），男，吉林白城人，教授，从事矿井粉尘防治研究与教学工作 , E-mail：zhonglianglu@126.com

摘要

为了解矿井通风系统中通风阻力分布状况，更好地通风降阻，并为通风设计、网络解算和优化改造提供可靠的基础信息，有必要对矿井通风系统的阻力进行测定。采用基点法进行通风系统阻力测定，选取不同测点测定参数，并从测定精度评价、通风阻力分布状况、矿井等积孔和风阻4个方面对测定结果进行计算分析。结果表明：焦家寨煤矿的通风系统布置和阻力分布较合理，通风难易程度属于容易等级，3个采区的公用进风风路风阻偏大，矿井井下调节风量的设施过多，且风门漏风量偏大，建议更换1号和2号风机，并加强矿井总回风巷道的维护和管理。

关键词： 通风系统 ; 通风阻力 ; 基点法 ; 阻力分布 ; 矿井 ; 回风巷道 ; 等积孔 ; 焦家寨煤矿

Abstract

In order to understand the distribution of ventilation resistance in mine ventilation system，provide better ventilation and resistance reduction，and to provide reliable basic information for ventilation design，network calculation and optimization，it is necessary to measure the resistance of mine ventilation system.The resistance of ventilation system was measured by base point method，and the parameters were determined for different measuring points.The measurement results were further calculated and analyzed from four aspects： evaluation of measurement accuracy，the distribution of ventilation resistance，the accumulation holes of mine and wind resistance.The results show that the layout of ventilation system and resistance distribution of Jiaojiazhai coal mine is reasonable，and the degree of ease of ventilation is easy.The wind resistance of the common air inlet wind roads in the three mining areas is large，and the facilities for regulating the air volume down hole in mines are too much，and the amount of air leakage from the damper is too high.It is recommended to replace the No.1 and No.2 fans and to strengthen the maintenance and management of the mine’s total return airway.

Keywords： ventilation system ; ventilation resistance ; base point method ; resistance distribution ; mine ; air re-turn laneway ; equivalent orifice ; Jiaojiazhai coal mine

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本文引用格式

朱旭东, 鲁忠良. 焦家寨煤矿通风系统阻力测定与分析[J]. 黄金科学技术, 2018, 26(5): 629-634 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.05.629

ZHU Xudong, LU Zhongliang. Measurement and Analysis of Resistance in Ventilation System of Jiaojiazhai Coal Mine[J]. Gold Science and Technology, 2018, 26(5): 629-634 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.05.629

通风是保障矿井安全的最主要技术手段之一^[1]。当矿井中的气流沿着井巷流动时，井巷壁会对气流产生扰动和阻滞，且气流存在的黏性和惯性会造成气流能量的损失，从而形成矿井通风阻力。矿井通风阻力测定是矿山通风安全技术管理的重要内容之一，其对矿井的安全生产和经济效益具有重要影响^［2,3,4]。通过矿井通风阻力测定，不仅能够了解矿井通风系统中的阻力分布状况，起到降阻增风、提高矿井安全性的作用，而且测量的实际摩擦风阻值为矿井通风网络解算、通风系统优化和生产成本降低等提供了可靠的基础信息，通过通风阻力测定还能够为拟发生矿井灾害事故时的风流控制提供参考依据。

随着矿井开采范围的扩大和开采深度的增加，矿井通风系统进一步复杂化，出现通风线路长、通风阻力大、漏风严重和通风能力不足等现象。特别是在金属矿山，常常出现炮烟滞留、排出速度慢、排烟流向不定和污风串联等不利于生产的恶劣现象^[5]。为使矿井通风能够不断适应生产条件的变化，保持井下良好的作业环境，需要不定期对通风系统进行调查测定，并作出实时评价，为矿井通风系统完善方案的提出提供准确可靠的依据^[6]。无论煤矿还是金属矿山，测定通风阻力的目的和方法基本相同。

目前，对矿井通风阻力的测定方法主要有倾斜压差计法、气压计基点测定法和气压计同步测定法，这些方法测定通风阻力的难易程度和准确性等各有优劣，使用条件也不尽相同，可互为补充^[7]。国内矿井通风阻力测定中大多选取气压计基点测定法进行测量，测量过程基本相同，但测量后的数据处理则存在差异，数据评价指标有些选取的是矿井阻力值和阻力分布表^[8]，有些选取阻力较高的巷道进行特征分析^[9]，有些选取通风阻力分布进行分析^[10,11]，各评价指标对矿井通风状况的反映程度不同。

1 矿井概述

焦家寨井田位于宁武煤田东北部，隶属于山西大同煤矿集团轩岗煤电有限责任公司，地处原平市轩岗镇焦家寨村。焦家寨煤矿正在开采的2号和5号煤层为全区可采的稳定煤层，矿井可采储量达13 554万t，设计年生产能力达150 万t，预期服务年限为64.5年。矿井开拓方式为主斜—副立井开拓。矿井现有1个水平，为+1 010 m水平，属于单水平上下山开拓，工作面采用走向长壁式综采放顶煤采煤法，后退式推进，采用综放工艺，全部垮落法管理顶板。现开采的2号和5号煤层自燃倾向均为Ⅱ类自燃的煤层，自燃倾向性为自燃，最短发火期为3个月，煤尘具有爆炸危险性。根据2017年焦家寨煤矿瓦斯等级鉴定数据，焦家寨全矿井绝对瓦斯涌出量为40.37 m³/min，矿井相对瓦斯涌出量为15.85 m³/t，属于高瓦斯矿井。

焦家寨煤矿现投入使用的井筒有6个，分别是主斜井、副立井、进风立井、1号回风斜井、2号回风斜井和3号回风斜井。矿井的通风方式为分区抽出式通风，进风井由主斜井、进风立井和副立井组成，回风井由1号、2号和3号回风斜井组成，3个风机房安装的通风机型号分别为FBDZ-10№28、FBCDZ№34和FBCDZ№34。

2 焦家寨煤矿通风阻力测定

2.1 测定方法与仪器仪表

通过对测量精度和难易程度进行综合分析，采用基点法进行测量，即将一台精密气压计布置在基点位置监测基点的气压变化，另一台精密气压计沿测定路线依次测定风流静压，入井前采用2台同型号气压计同时开始计时计量，之后每隔5 min同时读数，并测定各测点风速、温度和湿度，记录巷道支护形式、形状和断面参数，按照下井前划定好的选定路线依次完成测量，将数据列入表内，出井后进行数据处理。选用的测定仪器如表1所示。

表1 测定仪器选择

Table 1 Measurement equipment selection

名称	型号	数量
气压计	CPD2/20型	3 台
通风干湿球温度计	DHM-2 型	2 台
风表	高速、中速、微速	6块（各2块）
秒表	-	2块
皮尺	-	1个
测距仪	-	1个

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2.2 测定路线的选取与测点布置

焦家寨煤矿现有3个采区，分别是213采区、221采区和521采区，根据焦家寨煤矿通风系统的具体情况，在3个采区分别选择1条最长通风阻力路线。测定路线选取过程中应遵循的原则：①当通风系统中存在并联分支时，尽量选择通风量较大且经过回采面的风路作为测定路线；②选择路线较长且包含有较全井巷形状和支护类型的线路作为测定路线；③选择沿主风流方向且便于布置测点的线路作为测定路线^[12]。选取测定路线后，绘制了矿井的通风网络图，如图1所示。

图1

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图1 焦家寨煤矿矿井通风系统网络图

Fig.1 Network map of mine ventilation system in Jiaojiazhai coal mine

213采区主测路线1：副井井口→副井底→1010 轨道运输大巷→213轨道上山→2132回采工作面进风巷→2132回采工作面回风巷→213回风上山→213回风大巷→风硐。

221采区主测路线2：主斜井井口→主斜井→主斜井井底车场→1010轨道运输大巷→221采区轨道下山→22114工作面进风巷→22114工作面回风巷→221采区回风下山→221采区总回风巷→回风斜井→风硐。

521采区主测路线3：副井井口→副井底→1010轨道运输大巷→521采区上部车场→521轨道下山→521采区皮带下山→52108工作面进风平巷→52108工作面回风平巷→521回风下山→521改造回风巷→1060大巷延伸→2号斜风井→2号斜风井上段→风硐。

选择好测定路线之后，将各测点标注到该矿的通风系统图上，并依次编号。测点选取原则如下：①测点布置位置能够反映主要井巷和工作面的阻力分布状况；②风流分、汇点之前应设置测点；③局部阻力大的地点前后应设置测点；④需要控制的典型巷道的首末均应设置测点；⑤测点应尽量布置在巷道平直、维护良好、断面规整、前后无杂物、风流平稳和易确定测点处标高的地点；⑥井下实测过程中，可根据井巷的具体条件，对个别测点进行适当增减^{[13,14,15,16,17]}。

3 通风阻力测定结果分析

3.1 阻力测定精度的评价

主测路线实际矿井通风总风阻为

h_{阻 测} = \sum h_{阻 A B}

（1）

式中：h_阻测为实际矿井的通风阻力（Pa）；h_阻_AB为实际巷道AB段的通风阻力（Pa）。

主测路线实际阻力的相对误差可表示为

Δ h_{I} = |\frac{h_{阻 J} - h_{阻 测}}{h_{阻 j}}| \times 100 %

（2）

焦家寨矿采取抽出式通风，由矿井通风阻力与风机装置压力的关系，可根据风机房水柱计实际测量的读数求得矿井通风阻力h_阻_j为

h_{阻 j} = H_{S} + H_{N} = h_{S 2} - h_{v 2} + H_{N}

（3）

式中：H_S为风机装置静压（Pa）；H_N为矿井自然风压（Pa）；h_S₂为风机房静压仪（U型水柱计）读数（Pa）； $h_{v 2}$ 为风硐中传压管处断面上的速压（Pa）。

阻力测定当天，焦家寨煤矿3号、2号和1号斜风井风机房U型水柱计读数分别为2 550，1 150，2 500 Pa。通过对矿井通风阻力测定结果进行计算汇总，获得213采区主测线路1、221采区主测线路2和521采区主测线路3的通风阻力分别为2 964.9，3 065.5，5 366.9 Pa。

因此，通过计算各测点的数据，求得各段阻力值，各主测线路的测量精度见表2。

表2 各主测线路的测量精度

Table 2 Measurement accuracy of main measurement line（%）

主测线路	测量精度
213采区（主测线路1）	3.97
221采区（主测线路2）	4.68
521采区（主测线路3）	4.86

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由表可知，在这3条主测线路上测得的通风阻力的相对误差均小于5%，因此本次测定结果满足矿井通风阻力测定方法（MT/T440-2008）和煤矿井工开采通风技术条件（AQ1028-2006）的精度要求，数据可靠，且在后续的计算中也能使用这些数据。

3.2 矿井通风阻力分布状况

每条主测线路上进风段、用风段和回风段的通风阻力所占总阻力百分比情况见表3、表4和表5。

表3 213采区通风系统阻力分布状况

Table 3 Resistance distribution of ventilation system in 213 mining area

区段	点号划分	阻力/Pa	占总阻力百分比/%
合计		2 964.89	100.00
进风段	1-2-3-4-6	1 281.41	43.22
用风段	7-8-9-10	636.25	21.46
回风段	11-12-13	1 047.23	35.32

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表4 221采区通风系统阻力分布状况

Table 4 Resistance distribution of ventilation system in 221 mining area

区段	点号划分	阻力/Pa	占总阻力百分比/%
合计		3 091.21	100.00
进风段	14-15-…-25-26	1 043.84	33.77
用风段	27-28-29-30-31	205.02	6.63
回风段	32-33-…-37-38	1 842.35	59.60

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表5 521采区通风系统阻力分布状况

Table 5 Resistance distribution of ventilation system in 521 mining area

区段	点号划分	阻力/Pa	占总阻力百分比/%
合计		5 366.90	100.00
进风段	1-2-4-5-39-40-41-42	2 395.78	44.64
用风段	43-44-45-46-47	646.44	12.04
回风段	48-49-…-54-55	2 324.64	43.31

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由上述阻力分布情况可知，焦家寨矿3个采区的通风阻力分布基本合理，通过213采区的矿井通风主测路线中进风段、用风段和回风段通风阻力分配比分别为43.22%、21.46%和35.32%，可见只有进风段阻力偏大，主要是由于进风段巷道断面不大、风量较为集中和部分主要进风巷道停放矿车、堆放杂物导致的；221采区的矿井通风主测路线中进风段、用风段和回风段通风阻力分配比分别为33.77%、6.63%和59.60%，可见用风段的阻力较小，而回风段的阻力较大，其原因是主要用风段距离较短，回风巷道变形导致有效断面减小，造成回风段阻力偏大；521采区的矿井通风主测路线中进风段、用风段和回风段通风阻力分配比分别为44.64%、12.04%和43.31%，也存在与221采区同样的问题。

3.3 矿井等积孔与风阻

矿井等积孔和风阻计算公式为

A = 1.1917 \frac{Q}{\sqrt[]{h}}

（4）

R = \frac{h}{Q^{2}}

（5）

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为矿井通风风阻（N·s²/m⁸）。

首先利用式（4）计算各采区通风系统的等积孔，结果见表6。

表6 各采区通风系统的等积孔

Table 6 Isometric hole of the mining area ventilation system(m²)

采区名称	等积孔
213采区	2.05
221采区	2.20
521采区	1.72

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为了计算全矿的总风阻和总等积孔，须先求出全矿的总阻力，根据全矿的风流总功率等于各采区通风系统风流的功率之和，即有：

h_{总} \times (Q_{213} + Q_{221} + Q_{521}) = h_{213} \times Q_{213} + h_{221} \times Q_{221} + h_{521} \times Q_{521}

得到h_总=3 898.72 Pa

矿井总风阻为

R_{总} = h_{总} / (Q_{213} + Q_{221} + Q_{521})^{2} = 0.0497 (N \cdot S^{2} / m^{8})

矿井等积孔为

A_{总} = \frac{1.1917}{\sqrt[]{Q_{总}}} = 5.35

从焦家寨煤矿各采区通风等积孔来看，3号回风井主要担负213采区通风系统的难易程度属容易，1号回风井主要担负221采区通风系统的难易程度属中等，2号回风井主要担负521采区通风系统的难易程度属中等。如果选取矿井的等积孔和风阻值这2个参数进行分析，焦家寨煤矿回风井担负系统的矿井通风难易程度属容易等级。

4 结论及建议

（1）焦家寨煤矿部分回风巷道变形严重、主要大巷堆积物较多，局部阻力按照井巷摩擦阻力的15%计入矿井总阻力。计算得到焦家寨矿各个测定路线上的自然风压均为正值，自然风压帮助通风机工作，有利于风机的运行。3个采区的公用进风风路风阻偏大，公用风路上消耗的风压超过了多风机并联通风中最小风机风压的30%。221采区和521采区专用风路的通风断面偏小，造成各采区专用风路风阻过大，这是引起风机运转不稳定的原因之一。鉴于1号和2号风机处于非稳定工作区域，且改造矿井总进风和回风巷的成本较高、难度较大，改造采区内部通风巷道的作用偏小，因此，从通风系统长期稳定、可靠运转的角度考虑，建议更换1号和2号风机，使新风机的工作工况处于稳定的工作区域内。

（2）矿井总风阻为0.0497 N·s²/m⁸，风井的矿井等积孔为5.35 m²，通风难易程度属容易。焦家寨煤矿矿井通风系统总体布局基本合理，各采区测量精度符合规程要求。但是，在测量计算中发现，矿井井下调节风量的设施过多，风门漏风量偏大。因此，需加大集中生产力度，减少用风地点，以简化通风网络，提高矿井避灾能力^[18]。同时，保证巷道有足够大的有效通风断面，尤其是总进风巷道和总回风巷道，避免巷道内存放物品，在主要巷道内禁止随意停放车辆、堆积木料等，巷道内堆积物要及时清除或排列整齐，减少堵塞巷道断面。

（3）焦家寨煤矿负责213采区通风的3号风井运行状况良好，对通过213采区的矿井通风主测路线中进风段、用风段和回风段的通风阻力分布状况进行分析可知，该采区阻力分布属于正常区间范围，但进风段阻力还是偏大，221采区和521采区也存在同样的问题。因此，需注意井巷局部地点的断面、形状、拐弯曲度和边壁的粗糙程度^[19]，保持通风线路完整、顺畅；应加强通风系统管理，保证通风设施的安装质量，定期维护，尽量减少内部漏风，简化通风系统，提高矿井通风抗灾能力。

通过对矿井通风阻力进行测定，选取适当的方法，采用不同的阻力分析指标评价矿井的通风阻力状况，对煤矿和金属矿山均具有借鉴意义，也为矿井通风系统技术的进一步改造和优化提供了重要依据。

参考文献

原文顺序

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

张国枢 .

通风安全学

［M］. 徐州:中国矿业大学出版社［M］. 2011 .