李忠敬，代群超

(淮河能源控股集團煤業(yè)分公司張集礦， 安徽 淮南 232001)

在礦井通風阻力測量過程中，使用精密氣壓計對系統(tǒng)通路各測量段兩端的絕對靜壓和空氣密度進行測定，使礦井通風阻力測量工作變得簡單。由于測點標高不同，必須將這些不同標高的測點折算成同一標高進行阻力的計算，以消除標高不同所帶來的阻力計算錯誤問題。在同一標高折算中，空氣密度和標高差難以做到精確測量，導(dǎo)致阻力測定在標高折算這一環(huán)節(jié)出現(xiàn)較大的誤差，再者，測量路線較長，測量段較多，這些誤差累加到一起對整個測量數(shù)據(jù)影響較大。測定絕對靜壓時，由于測定點數(shù)較多測定距離遠，兩點測量時間間隔長，測量很容易受到背景氣壓變化的影響，使測量值出現(xiàn)失真。遇到背景氣壓波動嚴重時，直接導(dǎo)致阻力測量失敗。因此，在使用精密氣壓計測阻時，要克服大氣背景氣壓變化問題，就必須盡量縮短兩次測量阻力點的時間間隔，來消除背景氣壓變化帶來的測量誤差過大的問題。以上兩個方面阻力測量的所產(chǎn)生的問題，可通過風門負壓測阻的方法來解決，對測阻結(jié)果進行進行對照性修正。

1 風門負壓測阻基本原理

風門負壓測阻是利用電子精密氣壓計或U型水柱計對關(guān)鍵風門前后負壓進行測量，測值加自然風壓得出風門兩側(cè)向采區(qū)方向的通風壓力。張集礦西翼采區(qū)通風系統(tǒng)示意圖(如圖1所示)，西翼采區(qū)總阻力可以通過測量井口超市通中央風井下口控風墻進回風側(cè)負壓，實現(xiàn)對西翼采區(qū)總通風阻力的的測量。井口材料超市直接與中央風井和一副井井底聯(lián)通，超市支路平均通風斷面17 m2，支路上通過控風設(shè)施限制通過的風量，超市支路風量170 m3/min，由于通過超市支路風量小、斷面大、風流路線短，支路風壓的99.9 %都作用在該支路控風設(shè)施上。因此，測量超市支路控風設(shè)施兩端的風壓差，就得到西翼采區(qū)阻力中的靜壓差。第一，阻力測量的動壓測量。由于進回風巷平均風速近似相等，風速較小，換算成動壓后數(shù)值近似相等，阻力計算中的動壓差近似為零。第二，阻力測量的位壓測量。由于阻力測量對象是關(guān)鍵風門設(shè)施進回風側(cè)風壓差，選取對象風門是同一標高，可以消除由于測點標高不同所帶來的位壓計算問題。第三，阻力測量中的自然風壓測量。在整個阻力測量通路中，從標高最低點算起兩側(cè)巷道，測量風流平均溫度、平均氣壓、平均濕度作為計算自然風壓的主要參數(shù)，巷道坡度變化較大時，根據(jù)坡度不同分別計算自然風壓。所測巷道阻力為，該巷道兩端所在風門兩側(cè)通風壓力加其自然風壓。第四，西二13-1采區(qū)內(nèi)部阻力測量。如圖1所示，可以通過測量西二采區(qū)入口，進回風聯(lián)巷風門負壓，得到西二13-1采區(qū)的內(nèi)部阻力230 pa。第五，背景氣壓變化導(dǎo)致測阻失敗的問題的解決。由于“風門負壓法測阻”測定的是關(guān)鍵風門負壓，測阻路線短(測阻距離等于風門間距)、測阻時間間隔短，單次測阻時間2 min內(nèi)即可完成，所以背景大氣壓變化量非常小，可以忽略不計。第六，使用風門負壓測阻法所測得的數(shù)據(jù)，可以驗證氣壓計沿程分段測阻所測得通風阻力的準確性。如圖1所示，西翼通風阻力由井口超市控風墻前后負壓所測得，通風路線ABCD標高差為9 m，由于高差小，所測阻力路線的自然風壓可忽略不計。由串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)阻力定律可知，BC段、CD段、DA段，三段通風阻力之和等于井口超市控風設(shè)施前后負壓。如果三段阻力測量數(shù)據(jù)之和與井口超市控風設(shè)施負壓hAB相差過大，則說明在分段測量阻力過程中，受背景氣壓變化影響大，致使數(shù)據(jù)不準確，應(yīng)重新反復(fù)測量，直至hBC + hCD + hDA≈hAB ，測量的阻力才能被驗證通過。

圖1 張集礦西二采區(qū)等效通風系統(tǒng)示意圖

2 風門負壓測阻法測量西翼采區(qū)阻力分布

2.1 進風井井筒阻力測量

進風井井筒阻力測量可利用風門負壓測阻法進行。張集礦中央井主井一副井通風系統(tǒng)示意圖(如圖2所示)，一副井作為礦井主要進風井，進風量為21 000m3/min，約占礦井總進風量的47 %。由于主井是礦井唯一提煤井筒，提煤量大，產(chǎn)塵量亦大，為治理粉塵保證礦井進風空氣質(zhì)量，主井不作為主要進風井。主井下口東西車場及-530裝載站皆設(shè)控風風門，限制主井進風量，主井進風量為1 500 m3/min，約占礦井總進風量的3 % ?，F(xiàn)場實測主井下車場及裝載站加控風設(shè)施后，主井上口對井底車場F2點總風阻為0.689 ku，一副井上口對井底車場F2風阻為0.005 ku，兩者比值為138∶1。由于主井進風量小，井筒斷面大，主井井筒本身所產(chǎn)生的阻力可忽略不計，所以主井下車場東，控風門前后負壓差反映了一副井通風阻力大小。如表1所示，實測主井東車場風門負壓hF1F2為700 pa，由于主井和一副井自然風壓，和井底車場通風阻力的存在，須將井筒之間加在主井東車場風門上的的自然風壓去除，再減去一副井井底至主井東車場風門外側(cè)F2點的通風阻力,可得到一副井井筒通風阻力值。即：一副井阻力 =主井東車場風門負壓(700)-自然風壓(24)-一副井井底至主井東車場風門外側(cè)的通風阻力(116 pa)= 560 pa。

圖2 利用風門負壓測定通風阻力原理圖

表1 張集礦一副井通風阻力測定基礎(chǔ)表

2.2 二副井井筒通風阻力測量

二副井井筒通風阻力測量，可通過利用一副井井筒阻力減去兩井筒之間控風風門風壓和其井底間通風路線阻力進行計算，間接測出二副井井筒阻力為220 pa(井筒斷面60.8 m2)。由于兩進風井是主要進風井，井筒溫度近似相等，井筒之間自然風壓為零，井筒之間自然風壓可不考慮在二副井井筒阻力測定中。

2.3 中央風井通風阻力測量

由于中央風井出口安裝有礦井主要通風機處于連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，無法從中央風井上下口直接進行通風阻力測定?，F(xiàn)場采用的測阻方法是，礦井總的通風阻力減去中央風井井底至一副井井口的通風阻力，即：中央風井井筒通風阻力 = 測量礦井主要通風機入口斷面全壓 + 礦井自然風壓 - 一副井井口至中央風井井底的通風阻力=240 pa(含風硐阻力)，(中央風井井筒井筒斷面38.5 m2)。

2.4 其他關(guān)鍵點通風阻力測量

西翼進風大巷(含井底車場)、西二采區(qū)內(nèi)部阻力及西翼采區(qū)回風阻力通過關(guān)鍵點風門負壓法和分段逐點測定法相結(jié)合的方法進行測定，以提高阻力測定精度。

3 風門負壓法測阻解決張集礦西二采區(qū)用風問題

西二采區(qū)采場較多，通風路程遠，用風量大，通風較為困難。優(yōu)化礦井西翼采區(qū)通風系統(tǒng)，查找西翼采區(qū)通風系統(tǒng)存在的各種問題，必須對礦井西翼采區(qū)通風路線阻力和風阻進行精確測量，利用數(shù)據(jù)分析西翼采區(qū)通風所存在的問題。

3.1 西二采區(qū)通風情況

西二采區(qū)分11槽和13槽兩個煤層進行回采，煤層之間有相對獨立的通風系統(tǒng)。西二采區(qū)現(xiàn)正在施工的采掘工作面：11槽下采區(qū)1222(1)軌道順槽掘進面和運順順槽掘進，1415(1)采煤工作面。13槽下采區(qū)1421(3)軌道順槽和運輸順槽、巖石掘進1223(3)底抽巷掘進工作面、1221(3)w備用工作面。如表2，西二采區(qū)現(xiàn)供風量為10 780 m3/min，最遠通風流程為9 200 m，西二通風系統(tǒng)歷經(jīng)多次優(yōu)化調(diào)整后，西二風量已趨近最大化。西翼采區(qū)總通風阻力1 560 pa，占礦井總阻力2 100 pa的74 %。西翼采區(qū)總回風量15 000 m3/min，占中央風井總風量的60 %。西二采區(qū)實際用風量10 230 m3/min(采區(qū)系統(tǒng)巷道風門及小眼漏風未計算)，有效風量利用率達到95 %，內(nèi)部富余風量可調(diào)配空間接近上限。

表2 西二采區(qū)用風情況基礎(chǔ)表

3.2 西二采區(qū)面臨的風量問題

1221(3)W備用工作面即將回采，面臨需風量由1 000 m3/min加到2 300 m3/min的加風難題，否則將影響1221(3)W的正常回采。

3.3 西二進風路線系統(tǒng)分析

一副井進風井筒風量風量約為21 000 m3/min，是二副井進風量的1.9倍，阻力為560 pa,約占總阻力的19 %。如圖3所示，同為進風井筒的二副井井筒阻力只有220 pa，僅占一副井通風阻力的40 %，風量為一副井的50 %。由此可見，二副井通風能力沒有充分發(fā)揮，造成一副井風量集中，阻力過大。如圖3、圖4所示，西二進風由西翼軌道大巷、平安二號線和西翼膠帶機巷進風。軌道大巷進風量為7 800 m3/min，西翼膠帶機巷由于運煤過程的粉塵問題，在西二皮帶機尾加控風設(shè)施，將膠帶機巷進風量控制在1 600 m3/min。西翼平安二號線由于運輸人員需要，加控風設(shè)施后風量在6 00 m3/min。從進風路線風量分配可以看出，西二進風的78 %是從西翼軌道大巷進的，風量集中，引起進風路線段通風阻力過大。實測西翼進風段進風大巷阻力為950 pa，約占總阻力的34 %，而西翼平安二號線16 m2的平均通風斷面進風量只有600 m3/min，未能發(fā)揮進風巷的作用是引起進風路線通風阻力過大的主要原因。

3.4 西二采區(qū)段及回風通風系統(tǒng)分析

如圖3、圖4所示，西二采區(qū)內(nèi)部通風系統(tǒng)可分為11槽系統(tǒng)模塊和13槽系統(tǒng)模塊兩部分組成，分別由兩個獨立回風系統(tǒng)回至中央風井，兩個模塊共用同一個進風系統(tǒng)。西二13槽系統(tǒng)模塊(包含：1421(3)軌、運順兩個掘進工作面和1221(3)W備用工作面)主要由西翼13-1巖石回風巷回風，風量為3 600 m3/min。11槽系統(tǒng)模塊由西翼11槽煤層回風和西翼11槽巖石回風并聯(lián)，作為1415(1)綜采工作面回風巷。西二11槽下采區(qū)，兩個掘進工作面和一個巖巷掘進工作面主要由1222(1)底抽巷回風和1222(3)底抽巷為其回風。從以上分析可以看出，西二13槽系統(tǒng)模塊主要由1條回風巷為其回風，通風阻力650 pa。西二11槽系統(tǒng)模塊主要由3條主要回風巷和1條輔助回風巷為其回風，通風阻力260 pa。13槽、11槽回風巷個數(shù)形成了1∶4的不均衡回風局面，通風阻力也形成了2.5 ∶1的不對稱局面，西翼總回風巷對于增加西二風量來說有很大內(nèi)部優(yōu)化的空間。

圖3 西二通風系統(tǒng)等效示意圖

圖4 西翼采區(qū)通風系統(tǒng)示意圖(系統(tǒng)優(yōu)化前)

3.5 西翼采區(qū)進風段、西二采區(qū)段、回風段阻力分布

進風段阻力(包括進風井筒)：1 600 pa，占總阻力的55 %；西二13槽采區(qū)段阻力：140 pa，占總阻力的5 %；西二11槽采區(qū)段阻力：450 pa占總阻力的15.5 %；西二13槽回風巷段阻力：1 160 pa,占總阻力的40 %；西二11槽回風阻力：850 pa,占總阻力的29 %。由西翼采區(qū)阻力分布柱狀圖(如圖5所示)可得出，西翼采區(qū)進風巷阻力是制約西二風量提升的主要因素，西翼13槽煤層回風巷阻力占比較高40%，影響西二的下一步加風工作。由一副井井筒560 pa 、二副井井筒阻力220 pa，可以得出二副井井筒井筒通風能力未得到充分發(fā)揮，不能有效地緩解降低西二進風段阻力。

圖5 西翼采區(qū)阻力分布柱狀圖

3.6 西二降阻加風方案

解放-820西翼進風斜巷風門。一方面，釋放二副井通風能力，另一方面降低西翼進風大巷通風阻力；拆除平安二號線控風設(shè)施，使平安二號線發(fā)揮進風巷作用，降低西翼進風巷段阻力；利用1222(3)底抽巷作為西二13槽回風使用，以降低西二13槽回風段阻力；可考慮-820西翼軌道大巷兼作西二采區(qū)進風大巷，可將西二進風大巷阻力降低至原來的1/2～1/3，可大幅度提升西二采區(qū)風量。

3.7 加風效果分析

采取方案中第二項“拆除平安二號線控風設(shè)施”后西翼通風阻力變化情況如圖4和圖6所示。進風段控風設(shè)施拆除后，進風段通風阻力下降320 pa，下降幅度為11 %,西二13槽回風段總阻力上升幅度為40 pa，上升幅度為4.4 %。西二11槽回風阻力上升幅度為7.5 %。由此可以看出，進風阻力下降后回風段阻力占比提升，由于回風段風阻值在短時間內(nèi)不變，視為固定值，因此降阻后西二風量有明顯提升。西二11槽系統(tǒng)模塊風量增加350 m3/min，西二13槽系統(tǒng)模塊風量增幅為150 m3/min，西二總回風量拆除控風設(shè)施后增加500 m3/min風量增幅為5 %。西二13槽通風系統(tǒng)內(nèi)部的兩個煤巷掘進工作面和一個備用工作面，兩個掘進面進風側(cè)均有控風隔離風門，備用面回風側(cè)設(shè)置有控風設(shè)施，因此拆除控風設(shè)施后，所增加的風壓基本都降在掘進隔離風門和備用面控風設(shè)施上，因此西二13槽采區(qū)系統(tǒng)阻力增加，增幅為40 %。西二11槽通風系統(tǒng)內(nèi)部包含3個掘進面和一個采煤面，3個掘進面進風側(cè)均有隔離控制風門，唯一只有采煤工作面是唯一連接采區(qū)進回風的暢通路線，再加上回采過程中采煤工作面通風系統(tǒng)風阻值不斷變小，所以11槽增加的風量風量基本都加在了1415(1)采煤工作面。西二采區(qū)11槽通風系統(tǒng)通風阻力，在二號線控風設(shè)施拆除后有明顯下降，這種下降原因是由于系統(tǒng)內(nèi)部采煤工作面系統(tǒng)通路風阻下降所致，因此，西二11槽回風阻力較西二采區(qū)13槽回風阻力上升幅度明顯(如圖5所示)。由此可以得到：西二采區(qū)13槽通風系統(tǒng)模塊內(nèi)部無工作面性質(zhì)的風流通路，使得其風量增幅不大，由于內(nèi)部阻力的增加致使局部通風系統(tǒng)的風流富余系數(shù)得以提升，從而增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，張集礦西翼采區(qū)通風系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

圖6 平二線設(shè)施拆除前后通風參數(shù)對比圖

圖7 張集礦西翼采區(qū)通風系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)語

利用風門負壓法測量通風阻力能夠?qū)崿F(xiàn)阻力的精準、快速、準確測量，可以通過具體數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)隱伏在礦井通風中的各種問題，以快速制定針對性措施解決，同時使阻力測量與礦井生產(chǎn)互不干擾，具有很高的推廣應(yīng)用價值。