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

1通風阻力測定方法

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監(jiān)測點,測定地面氣壓在一定時間Δt內(nèi)的變化量通風阻力測定方法分析ΔP₀,由此對井下測點i處氣壓計測得的靜壓在同一時間內(nèi)的變化值進行校正。

1.2壓差計法

壓差計法的基本原理是在巷道的前后兩測點各設置一個皮托管,用膠管把前后兩測點連接起來,用壓差計測量前后兩測點的壓差,用風速表測量各測點的風速,通過壓差和速壓求和計算,可得出該段巷道的阻力。

1.3基點法

基點法的基本原理是用氣壓計測量出巷道風流前后兩測點的靜壓差,同時測量測段內(nèi)巷道風速、斷面積、干濕溫度等參數(shù),從而計算出兩測點間的通風阻力。具體作法是利用2臺氣壓計,1臺設在井上,1臺設在井下,井上固定在入風井口的基點上,監(jiān)測地面大氣壓的變化,井下沿測定路線巡回測定。其測定結(jié)果能夠滿足一般性要求。

2測定方法優(yōu)缺點比較

三種方法各有優(yōu)缺點,有的原理較為簡單,易懂易操作,但是誤差較大;有的比較精準,但是測定過程復雜,而且受到現(xiàn)場條件限制。為更好地利用其優(yōu)點,避免其缺陷造成的誤差,三種方法的優(yōu)缺點進行了對比分析,見表1。

3采用壓差計法測風阻較為準確的理論分析

3.1公式推導

壓差計測風阻中使用的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——壓差計的精度校正系數(shù),Pa;

P_s1——1測點的絕對靜壓,Pa;

P_s2——測點的絕對靜壓,Pa;

ρ_1-2——膠皮管內(nèi)空氣的平均密度,kg/m³;

Z——1、2測點的標高差,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,知兩端面間的通風阻力為:

h_r1-2=P_s1+ρ₁V₁²

-[P_s2+ρ₂V₂²++Zρ_1-2g](2)

式中:h_r1-2——1、2測點間的巷道通風阻力,Pa;

V₁,V₂——分別是起末端面的平均風速,m/s;

ρ₁——測點1處空氣密度,kg/m³。

ρ₂——測點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)生的重力壓強相等,即:

Zρ_1-2g=Zρ_1-2g(3)

由以上三式可得兩斷面間通風阻力的測算式

為:

h_r1-2=h_re[sinβ]δcg+ρ₁V₁²-ρ₂V₂²(4)

3.2公式分析

由上式可以看出,用壓差計法所測兩點間的讀數(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,先將靜壓、位壓和速壓逐一單獨求出后,再相加求和,只需用所測讀數(shù)值與速壓相加即可,而速壓可根據(jù)風速計算得到。由此得出,采用壓差計法所得的測量值與兩測點間的高差Z無關,采用此種方法測算阻力,不受高差測定過程中產(chǎn)生的誤差影響。然而在現(xiàn)場巷道起伏和變形較大,巷道內(nèi)測點的標高測量誤差是不可避免的。因此,為了避免測定高差帶來的誤差,應盡可能采用測量準確度較高的壓差計法進行測定。

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

同時,壓差計法測算也有其局限性,在風井井筒、存在積水地段和風硐口等處無法鋪設皮托管測量,而且在積水較深的地方,水容易進入皮托管,給讀數(shù)造成較大影響。因此,在這些局部位置,應該用基點法來測得這些區(qū)域和地點的靜壓值。

綜上所述,壓差計法比較準確,在巷道條件允許的情況下,應予以采用,但是不能測到風井、積水處等通風測點;基點法簡便,可以在風井、積水處使用。所以,將兩種方法結(jié)合使用,便可以彌補單一使用時的不足,也能使所得數(shù)據(jù)也更為合理。

4綜合法測定礦井通風阻力的實踐應用

4.1現(xiàn)場實測

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

由于測定線路長,測量范圍大,而且總回風巷部分路段積水較深,無法采用皮托管法測量;風井和風硐口附近也無法拉管測量,所以這些區(qū)域采用精密氣壓計法測量。但為確保測定數(shù)據(jù)盡可能精準,在其他地段巷道條件允許條件下,應采用壓差計法測量。因此,最終采用了基點法和壓差計法相結(jié)合的方法進行通風阻力測定。

4.2結(jié)果分析

礦井通風阻力按下式計算:h_r=∑hi=2367.23Pa(通風阻力P<2500Pa,不是高阻礦井)。測定結(jié)果見表2。

風機房水柱計讀數(shù)為2300Pa,經(jīng)計算動壓為39.75Pa,自然風壓為36.0Pa,理論計算通風阻力為2300Pa-39.75Pa+36Pa=2296.25Pa。

風井系統(tǒng)的絕對誤差:Δh=|2367.23Pa-2296.25Pa|=70.98Pa

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

5結(jié)論及建議

由礦井通風阻力測定結(jié)果可以看出,礦井通風阻力為2367.23Pa,系統(tǒng)通風阻力不高,系統(tǒng)通風阻力至風機最大靜壓工作風阻尚有較大的儲備,表明礦井與風機匹配較為合理,礦井通風系統(tǒng)具備一定的穩(wěn)定性、可靠性和較強的抗災變能力。通風系統(tǒng)總阻力為2367.23Pa,其中進風段通風阻力776.09Pa,占系統(tǒng)總阻力的33%;用風段阻力700.71Pa,占總阻力的30%;回風段阻力890.43Pa,占總阻力的37%。實測數(shù)據(jù)表明,礦井進風、用風段和回風段通風阻力的比例相近,說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)合所測數(shù)據(jù)誤差小,符合規(guī)程規(guī)定,測定的數(shù)據(jù)更合理、可靠。

該礦具有礦井通風線路長、用風地點多的特點,建議把巷道普查、阻力測定、巷道修復和動態(tài)調(diào)整做為通風管理的一項內(nèi)容,以減小井巷局部阻力、減少礦井內(nèi)部漏風、提高有效風量,穩(wěn)定礦井通風系統(tǒng),減少通風成本,提高經(jīng)濟效益。