礦井通風(fēng)阻力是衡量礦井通風(fēng)狀況的主要指標(biāo),通風(fēng)阻力產(chǎn)生的原因是空氣沿巷道流動(dòng)時(shí),由于風(fēng)流分子粘滯性和慣性及巷道壁面的粗糙性,對(duì)風(fēng)流的阻滯、擾動(dòng)作用而形成通風(fēng)阻力,造成風(fēng)流損失。依據(jù)煤礦安全規(guī)程規(guī)定:新建礦井在投產(chǎn)前必須進(jìn)行一次通風(fēng)阻力測(cè)定,以后每3年至少測(cè)1次。礦井新水平生產(chǎn)或改變一翼通風(fēng)系統(tǒng)后,必須重新進(jìn)行通風(fēng)阻力測(cè)定。目前所采用的阻力測(cè)定方法主要是壓差計(jì)法和基點(diǎn)法,但是這兩種方法都有局限性。

1通風(fēng)阻力測(cè)定方法

1.1比值校正法

比值校正法的基本原理是在地面井口附近設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),測(cè)定地面氣壓在一定時(shí)間Δt內(nèi)的變化量通風(fēng)阻力測(cè)定方法分析ΔP₀,由此對(duì)井下測(cè)點(diǎn)i處氣壓計(jì)測(cè)得的靜壓在同一時(shí)間內(nèi)的變化值進(jìn)行校正。

1.2壓差計(jì)法

壓差計(jì)法的基本原理是在巷道的前后兩測(cè)點(diǎn)各設(shè)置一個(gè)皮托管,用膠管把前后兩測(cè)點(diǎn)連接起來(lái),用壓差計(jì)測(cè)量前后兩測(cè)點(diǎn)的壓差,用風(fēng)速表測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速,通過(guò)壓差和速壓求和計(jì)算,可得出該段巷道的阻力。

1.3基點(diǎn)法

基點(diǎn)法的基本原理是用氣壓計(jì)測(cè)量出巷道風(fēng)流前后兩測(cè)點(diǎn)的靜壓差,同時(shí)測(cè)量測(cè)段內(nèi)巷道風(fēng)速、斷面積、干濕溫度等參數(shù),從而計(jì)算出兩測(cè)點(diǎn)間的通風(fēng)阻力。具體作法是利用2臺(tái)氣壓計(jì),1臺(tái)設(shè)在井上,1臺(tái)設(shè)在井下,井上固定在入風(fēng)井口的基點(diǎn)上,監(jiān)測(cè)地面大氣壓的變化,井下沿測(cè)定路線巡回測(cè)定。其測(cè)定結(jié)果能夠滿足一般性要求。

2測(cè)定方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),有的原理較為簡(jiǎn)單,易懂易操作,但是誤差較大;有的比較精準(zhǔn),但是測(cè)定過(guò)程復(fù)雜,而且受到現(xiàn)場(chǎng)條件限制。為更好地利用其優(yōu)點(diǎn),避免其缺陷造成的誤差,三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析,見(jiàn)表1。

3采用壓差計(jì)法測(cè)風(fēng)阻較為準(zhǔn)確的理論分析

3.1公式推導(dǎo)

壓差計(jì)測(cè)風(fēng)阻中使用的U型管兩邊所承受的壓力之差為:

h_re[sinβ]δcg=[P_s1-Zρ₁-2g]-P_s2(1)

式中:h_re——是酒精表面的傾斜距離,m;

δ——酒精的比重,0.81kg/m³;

c——壓差計(jì)的精度校正系數(shù),Pa;

P_s1——1測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)靜壓,Pa;

P_s2——測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)靜壓,Pa;

ρ_1-2——膠皮管內(nèi)空氣的平均密度,kg/m³;

Z——1、2測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高差,m;

β₁——U型管傾角,()

g——空氣重力加速度,9.81m²/s。

根據(jù)能量方程,知兩端面間的通風(fēng)阻力為:

h_r1-2=P_s1+ρ₁V₁²

-[P_s2+ρ₂V₂²++Zρ_1-2g](2)

式中:h_r1-2——1、2測(cè)點(diǎn)間的巷道通風(fēng)阻力,Pa;

V₁,V₂——分別是起末端面的平均風(fēng)速,m/s;

ρ₁——測(cè)點(diǎn)1處空氣密度,kg/m³。

ρ₂——測(cè)點(diǎn)2處空氣密度,kg/m³。

ρ₁-2——兩斷面間巷道內(nèi)的空氣密度平均值,kg/m³。

由于巷道內(nèi)的空氣進(jìn)入皮管內(nèi),則皮管內(nèi)和巷道內(nèi)的空氣密度平均值相等,因而皮管內(nèi)和巷道內(nèi)空氣柱產(chǎn)生的重力壓強(qiáng)相等,即:

Zρ_1-2g=Zρ_1-2g(3)

由以上三式可得兩斷面間通風(fēng)阻力的測(cè)算式

為:

h_r1-2=h_re[sinβ]δcg+ρ₁V₁²-ρ₂V₂²(4)

3.2公式分析

由上式可以看出,用壓差計(jì)法所測(cè)兩點(diǎn)間的讀數(shù)值是靜壓與位壓的總和,不是單純靜壓值,避免了在求取阻力時(shí),先將靜壓、位壓和速壓逐一單獨(dú)求出后,再相加求和,只需用所測(cè)讀數(shù)值與速壓相加即可,而速壓可根據(jù)風(fēng)速計(jì)算得到。由此得出,采用壓差計(jì)法所得的測(cè)量值與兩測(cè)點(diǎn)間的高差Z無(wú)關(guān),采用此種方法測(cè)算阻力,不受高差測(cè)定過(guò)程中產(chǎn)生的誤差影響。然而在現(xiàn)場(chǎng)巷道起伏和變形較大,巷道內(nèi)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高測(cè)量誤差是不可避免的。因此,為了避免測(cè)定高差帶來(lái)的誤差,應(yīng)盡可能采用測(cè)量準(zhǔn)確度較高的壓差計(jì)法進(jìn)行測(cè)定。

基點(diǎn)法中采用的精密氣壓計(jì)精度高,隨標(biāo)高變化靈敏,而且便于攜帶?；c(diǎn)法測(cè)量得到的直接數(shù)據(jù)是靜壓值,需要根據(jù)標(biāo)高求得位壓值,根據(jù)風(fēng)速求得速壓值,三者相加才能得到通風(fēng)阻力值。而且在測(cè)量標(biāo)高時(shí)流程繁瑣,存在不可避免的誤差,給氣壓計(jì)測(cè)量讀數(shù)造成影響。

同時(shí),壓差計(jì)法測(cè)算也有其局限性,在風(fēng)井井筒、存在積水地段和風(fēng)硐口等處無(wú)法鋪設(shè)皮托管測(cè)量,而且在積水較深的地方,水容易進(jìn)入皮托管,給讀數(shù)造成較大影響。因此,在這些局部位置,應(yīng)該用基點(diǎn)法來(lái)測(cè)得這些區(qū)域和地點(diǎn)的靜壓值。

綜上所述,壓差計(jì)法比較準(zhǔn)確,在巷道條件允許的情況下,應(yīng)予以采用,但是不能測(cè)到風(fēng)井、積水處等通風(fēng)測(cè)點(diǎn);基點(diǎn)法簡(jiǎn)便,可以在風(fēng)井、積水處使用。所以,將兩種方法結(jié)合使用,便可以彌補(bǔ)單一使用時(shí)的不足,也能使所得數(shù)據(jù)也更為合理。

4綜合法測(cè)定礦井通風(fēng)阻力的實(shí)踐應(yīng)用

4.1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一礦位于邯鄲市西部,生產(chǎn)能力65萬(wàn)t/a,礦井開(kāi)采深度600m,礦井通風(fēng)方式為中央邊界式通風(fēng),通風(fēng)方法為抽出式通風(fēng)。經(jīng)過(guò)分析確定礦井測(cè)定線路為:主井→井底繞道→井底車場(chǎng)→集中下山→-85大巷→七采區(qū)泵房入口→七采區(qū)車場(chǎng)→七采區(qū)軌道坡頭→集中下山與六個(gè)連巷交叉口→工作面運(yùn)輸巷→12705采煤工作面→12705回風(fēng)巷→七采區(qū)回風(fēng)巷→瓦斯泵站→七采總回風(fēng)上山→風(fēng)井底→風(fēng)井→風(fēng)硐。

由于測(cè)定線路長(zhǎng),測(cè)量范圍大,而且總回風(fēng)巷部分路段積水較深,無(wú)法采用皮托管法測(cè)量;風(fēng)井和風(fēng)硐口附近也無(wú)法拉管測(cè)量,所以這些區(qū)域采用精密氣壓計(jì)法測(cè)量。但為確保測(cè)定數(shù)據(jù)盡可能精準(zhǔn),在其他地段巷道條件允許條件下,應(yīng)采用壓差計(jì)法測(cè)量。因此,最終采用了基點(diǎn)法和壓差計(jì)法相結(jié)合的方法進(jìn)行通風(fēng)阻力測(cè)定。

4.2結(jié)果分析

礦井通風(fēng)阻力按下式計(jì)算:h_r=∑hi=2367.23Pa(通風(fēng)阻力P<2500Pa,不是高阻礦井)。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)讀數(shù)為2300Pa,經(jīng)計(jì)算動(dòng)壓為39.75Pa,自然風(fēng)壓為36.0Pa,理論計(jì)算通風(fēng)阻力為2300Pa-39.75Pa+36Pa=2296.25Pa。

風(fēng)井系統(tǒng)的絕對(duì)誤差:Δh=|2367.23Pa-2296.25Pa|=70.98Pa

相對(duì)誤差為:δ=70.98/2367.23=2.99%<5%。測(cè)試結(jié)果的誤差符合《礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法》的規(guī)定。

5結(jié)論及建議

由礦井通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果可以看出,礦井通風(fēng)阻力為2367.23Pa,系統(tǒng)通風(fēng)阻力不高,系統(tǒng)通風(fēng)阻力至風(fēng)機(jī)最大靜壓工作風(fēng)阻尚有較大的儲(chǔ)備,表明礦井與風(fēng)機(jī)匹配較為合理,礦井通風(fēng)系統(tǒng)具備一定的穩(wěn)定性、可靠性和較強(qiáng)的抗災(zāi)變能力。通風(fēng)系統(tǒng)總阻力為2367.23Pa,其中進(jìn)風(fēng)段通風(fēng)阻力776.09Pa,占系統(tǒng)總阻力的33%;用風(fēng)段阻力700.71Pa,占總阻力的30%;回風(fēng)段阻力890.43Pa,占總阻力的37%。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,礦井進(jìn)風(fēng)、用風(fēng)段和回風(fēng)段通風(fēng)阻力的比例相近,說(shuō)明礦井阻力分配較為合理。綜上數(shù)據(jù)可以看出,采用兩種方法相結(jié)合所測(cè)數(shù)據(jù)誤差小,符合規(guī)程規(guī)定,測(cè)定的數(shù)據(jù)更合理、可靠。

該礦具有礦井通風(fēng)線路長(zhǎng)、用風(fēng)地點(diǎn)多的特點(diǎn),建議把巷道普查、阻力測(cè)定、巷道修復(fù)和動(dòng)態(tài)調(diào)整做為通風(fēng)管理的一項(xiàng)內(nèi)容,以減小井巷局部阻力、減少礦井內(nèi)部漏風(fēng)、提高有效風(fēng)量,穩(wěn)定礦井通風(fēng)系統(tǒng),減少通風(fēng)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。