高志松

(山西省節(jié)能中心有限公司， 山西 太原 030045)

1 引 言

1.1 現(xiàn)行劃分方法

一直以來(lái)，礦井通風(fēng)難易程度都用等積孔大小來(lái)衡量。1873年繆爾格提出等積孔這一概念，并提出劃分礦井通風(fēng)難易程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，稱之為繆爾格法。具體見(jiàn)表1.

表1 礦井通風(fēng)難易程度分級(jí)表

影響等積孔大小的變量只有礦井總回風(fēng)量和礦井通風(fēng)阻力，單位為m2，相對(duì)簡(jiǎn)單易記，能形象地表示礦井通風(fēng)難易程度，一直被世界主要產(chǎn)煤國(guó)廣泛應(yīng)用。可根據(jù)式(1)計(jì)算等積孔大?。?/p>

(1)

式中：

h—礦井通風(fēng)阻力，Pa；

Q—礦井總回風(fēng)量，m3/s；

A—礦井等積孔，m2.

h=RQ2

(2)

式中：

R—礦井總風(fēng)阻，N·s2/m8.

1.2 問(wèn)題的提出

繆爾格提出該分級(jí)方法時(shí)，礦井生產(chǎn)規(guī)模相對(duì)較小，采深較淺，礦井通風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，礦井需風(fēng)量相對(duì)較小，具有普遍適用性。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，現(xiàn)代化礦井在生產(chǎn)規(guī)模、管理模式、生產(chǎn)技術(shù)、通風(fēng)方式和通風(fēng)方法上都有了巨大變化，可通過(guò)優(yōu)化礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)和通風(fēng)技術(shù)管理，如增大礦井巷道斷面，降低井巷摩擦阻力系數(shù)，避免風(fēng)量過(guò)于集中等方法來(lái)降低礦井通風(fēng)阻力。

同時(shí)，另一個(gè)影響等積孔大小的關(guān)鍵變量—礦井總回風(fēng)量也大幅增大?，F(xiàn)代礦井通風(fēng)距離顯著變長(zhǎng)，部分特大型礦井通風(fēng)路線長(zhǎng)度甚至能達(dá)到數(shù)十千米，通風(fēng)線路越長(zhǎng)，需要克服阻力的風(fēng)壓越大，能量越大，風(fēng)量越大。瓦斯涌出量隨著礦井產(chǎn)能的不斷增大而變大，尤其高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，需要更大的風(fēng)量來(lái)提供新鮮風(fēng)流稀釋井下有毒有害氣體，以保障井下人員的安全與健康；現(xiàn)代礦井通風(fēng)系統(tǒng)愈加復(fù)雜，用風(fēng)地點(diǎn)多，需風(fēng)量大；地溫隨開(kāi)采深度增加不斷增高也使礦井需風(fēng)量不斷增大。

綜上所述，礦井通風(fēng)阻力能夠通過(guò)技術(shù)方法得以控制，而礦井總風(fēng)量受礦井通風(fēng)路線長(zhǎng)度、礦井生產(chǎn)規(guī)模、瓦斯涌出量、地溫等因素影響而不可避免地增大，必然使礦井等積孔不斷增大。一些大型礦井、高瓦斯或者突出礦井利用繆爾格法判定礦井通風(fēng)難易程度為容易，但礦井實(shí)際仍顯得通風(fēng)困難、風(fēng)量不足。例如，某礦總回風(fēng)量Q=6 000 m3/min，礦井通風(fēng)阻力h=3 000 Pa，算得礦井等積孔A=2.2 m2，依據(jù)繆爾格法判定該礦通風(fēng)難易程度應(yīng)為容易。但實(shí)際情況是，該礦回風(fēng)段部分巷道由于地壓大而底鼓，斷面變小，風(fēng)速嚴(yán)重超標(biāo)，系統(tǒng)控風(fēng)設(shè)施較多，礦井風(fēng)量緊張，且不符合《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》相關(guān)規(guī)定，利用繆爾格法判定礦井通風(fēng)難易程度明顯失效。

1.3 研究現(xiàn)狀

針對(duì)礦井等積孔評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)難易程度失效問(wèn)題，美國(guó)、英國(guó)、歐盟等對(duì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)做出過(guò)修訂，我國(guó)學(xué)者也對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了多層次研究。俞啟香[1]通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析礦井等積孔與礦井風(fēng)量關(guān)系，提出了新的礦井通風(fēng)難易程度分級(jí)方法；趙以蕙[2]提出了各類礦井通風(fēng)系統(tǒng)等積孔合理值的計(jì)算公式及指標(biāo)；胡朝仕等[3]依據(jù)礦井總風(fēng)量和回風(fēng)井?dāng)?shù)量提出了新的等積孔分級(jí)方法；馬礪等[4]綜合分析自然風(fēng)壓、外部漏風(fēng)等多種因素對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響，提出了新的修正方法；劉輝等[5]對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了分區(qū)劃分，并建立了通風(fēng)難易程度的評(píng)分模型。

在以往研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮我國(guó)對(duì)礦井風(fēng)量與阻力之間關(guān)系的要求和等積孔大小兩個(gè)因素，提出了準(zhǔn)確而合理的礦井通風(fēng)難易程度劃分方法。運(yùn)用新的礦井通風(fēng)難易程度劃分方法對(duì)不同類型礦井中的典型案例進(jìn)行了重新劃分，既克服了《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》沒(méi)有對(duì)礦井通風(fēng)難易程度劃分的缺陷，又避免了現(xiàn)行分級(jí)方法造成的失效。

2 礦井通風(fēng)難易程度劃分新方法探究

2.1 礦井通風(fēng)阻力要求

我國(guó)在歷版《煤礦安全規(guī)程》中對(duì)通風(fēng)阻力要求僅局限于測(cè)定周期，并未對(duì)其限值和通風(fēng)難易程度作明確要求。為滿足安全技術(shù)及管理、安全監(jiān)察及監(jiān)管、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、安全生產(chǎn)法制建設(shè)的需要，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局于2006年12月1日頒布實(shí)施AQ 1028—2006《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》，對(duì)我國(guó)煤礦井工開(kāi)采礦井通風(fēng)技術(shù)條件做了詳細(xì)的規(guī)定。

在劃分礦井通風(fēng)難易程度時(shí)礦井等積孔大小應(yīng)該隨著風(fēng)量變化而變化。由式(2)可知，礦井通風(fēng)阻力與風(fēng)量的二次方成正比，礦井通風(fēng)阻力隨風(fēng)量的變大而變大。基于此，《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》規(guī)定了不同礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量通風(fēng)阻力上限值，見(jiàn)表2.

表2 礦井通風(fēng)阻力要求表

2.2 礦井通風(fēng)難易程度新方法

《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》只對(duì)不同風(fēng)量時(shí)通風(fēng)阻力的上限值進(jìn)行了界定，并沒(méi)有對(duì)礦井通風(fēng)難易程度進(jìn)行劃分，也沒(méi)有對(duì)礦井通風(fēng)難易程度為中等或困難時(shí)應(yīng)采取何種措施來(lái)降阻做明確規(guī)定。且《煤礦安全規(guī)程》、《礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法》等其他煤炭行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也未對(duì)該部分內(nèi)容進(jìn)行具體規(guī)定。

綜合上文分析，參考通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量與系統(tǒng)的通風(fēng)阻力關(guān)系來(lái)確定礦井等積孔的合理范圍。取表2 中各臨界風(fēng)量和阻力，分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的等積孔值，具體結(jié)果見(jiàn)表3. 其中，取Q<3 000 m3/min，等積孔A<1.0 m2時(shí)系統(tǒng)的通風(fēng)難易程度為困難；考慮我國(guó)目前單風(fēng)機(jī)供風(fēng)能力，取單風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)風(fēng)量上限值為30 000 m3/min. 此方法即滿足了《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》不同通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量下阻力限值要求，又可利用等積孔大小評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)難易程度。

表3 不同風(fēng)量下礦井通風(fēng)難易程度分級(jí)表

對(duì)于礦井通風(fēng)難易程度為中等的礦井，建議通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、減小巷道摩擦阻力系數(shù)、減小巷道長(zhǎng)度、避免巷道風(fēng)量過(guò)于集中等措施進(jìn)行降阻，使礦井通風(fēng)難易程度達(dá)到容易。

對(duì)于礦井通風(fēng)難易程度為困難的礦井，應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，必要時(shí)對(duì)礦井巷道進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或開(kāi)拓新的巷道，以使礦井通風(fēng)難易程度達(dá)到容易。

3 應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)對(duì)不同類型礦井的典型案例進(jìn)行分析，不僅佐證了繆爾格法對(duì)現(xiàn)代礦井通風(fēng)難易程度劃分的失效，又驗(yàn)證了新的劃分方法的合理性，見(jiàn)表4.

表4 不同類型礦井通風(fēng)難易程度比對(duì)表

蔭營(yíng)礦通風(fēng)阻力測(cè)定時(shí)，共選定4條主要路線，分別對(duì)105回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)、302回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)、401回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)、301回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了阻力測(cè)定。依據(jù)現(xiàn)有分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，除105回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)阻力為中等外，其余均為容易。但根據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)情況，其余3個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)路線都較長(zhǎng)，系統(tǒng)富裕風(fēng)量較小，部分巷道變形嚴(yán)重?cái)嗝孑^小，控風(fēng)設(shè)施較多，通風(fēng)阻力值偏大，通風(fēng)系統(tǒng)判定結(jié)果明顯失準(zhǔn)。

國(guó)強(qiáng)礦阻力測(cè)定期間礦井共布置1個(gè)回采工作面，無(wú)掘進(jìn)工作面和備用工作面，風(fēng)機(jī)單機(jī)運(yùn)行情況下足以保證礦井需風(fēng)量。布置1條主要路線，進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段通風(fēng)阻力分別為161.0 hPa、142.8 Pa、194.8 Pa，通風(fēng)路線總長(zhǎng)6 332 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，除用風(fēng)段末端設(shè)置有調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)導(dǎo)致阻力較大外，進(jìn)風(fēng)段和回風(fēng)段巷道摩擦阻力系數(shù)均較小，明顯礦井通風(fēng)難易程度不屬于中等。

南凹寺礦為高瓦斯礦井，阻力測(cè)定期間布置1個(gè)回采工作面和1個(gè)掘進(jìn)工作面，礦井回采進(jìn)入末期，所剩資源不多，采煤工作面為分層開(kāi)采，現(xiàn)回采下分層。由于回采進(jìn)入末期且保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)不充足，導(dǎo)致30400集中回風(fēng)巷部分巷道變形嚴(yán)重，加之巷道中有瓦斯抽放管道，使該段阻力明顯較大，回風(fēng)段通風(fēng)阻力占全礦井總阻力的66.0%，進(jìn)而使全礦井阻力較大，判定為通風(fēng)容易明顯不妥。

木家莊礦同時(shí)開(kāi)采5#和9#煤層，主立井和副立井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)，5#和9#煤層分別有各自專用回風(fēng)巷道。根據(jù)實(shí)測(cè)，5#煤采區(qū)回風(fēng)下山和9#煤采區(qū)回風(fēng)下山，由于礦壓較大，巷道底鼓嚴(yán)重，巷道斷面變小，而巷道風(fēng)量集中，使5#煤層回風(fēng)段阻力占總阻力的68.1%，9#煤層回風(fēng)段阻力占總阻力的76.2%，且礦井風(fēng)量富裕系數(shù)較小，主通風(fēng)機(jī)很難再通過(guò)調(diào)整角度增大風(fēng)量，礦井通風(fēng)難易程度明顯不屬于容易。

井工三礦通風(fēng)阻力測(cè)定期間，共布置1個(gè)綜采工作面、1個(gè)備用工作面和4個(gè)掘進(jìn)工作面，同時(shí)開(kāi)采4#、9#煤層。從測(cè)定結(jié)果看，通風(fēng)阻力值接近國(guó)家規(guī)定限值，回風(fēng)段阻力較大，尤其九煤南翼回風(fēng)大巷存在較為嚴(yán)重的底鼓和片幫，礦井富裕風(fēng)量較小，且已無(wú)法通過(guò)調(diào)整主要通風(fēng)機(jī)增大風(fēng)量，判定為通風(fēng)容易明顯有失偏頗。

4 結(jié) 論

1) 等積孔大小未隨礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的增加而增大是導(dǎo)致繆爾格法劃分現(xiàn)代礦井通風(fēng)難易程度失效的主要原因。

2) 新的礦井通風(fēng)難易程度劃分方法綜合考慮了礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量與通風(fēng)阻力之間關(guān)系和等積孔兩個(gè)因素，通過(guò)不同類型礦井的典型案例較好地驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性及合理性。