礦井通風(fēng)阻力影響因素的案例分析

摘 要：通過對(duì)通風(fēng)阻力影響因素的分析，了解井巷各參數(shù)在通風(fēng)總阻力計(jì)算中的權(quán)重。結(jié)合工程實(shí)際，在確定摩擦阻力系數(shù)的前提下，對(duì)五種工況的井巷通風(fēng)阻力進(jìn)行對(duì)比解算，分析風(fēng)機(jī)選型的決定因素及實(shí)際可操作性，最后確定該風(fēng)區(qū)的通風(fēng)形式及風(fēng)井場(chǎng)地的位置，即在風(fēng)區(qū)中央新建一對(duì)進(jìn)、回風(fēng)立井，以滿足通風(fēng)要求。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)阻力；摩擦阻力系數(shù)；風(fēng)機(jī)選型；風(fēng)井場(chǎng)地

1 通風(fēng)阻力

1.1 影響因素

井巷通風(fēng)阻力是指風(fēng)流在井巷中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于空氣的粘滯性和慣性以及井巷壁面等對(duì)風(fēng)流的阻滯、擾動(dòng)作用而形成的阻力。通風(fēng)阻力分為摩擦阻力及局部阻力。

1.1.1 摩擦阻力

摩擦阻力主要是由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面間的摩擦所導(dǎo)致，故也叫沿程阻力。大多數(shù)礦井通風(fēng)井巷風(fēng)流處于完全紊流狀態(tài)[1]，該狀態(tài)下，井巷摩擦阻力計(jì)算公式為：

hf=？琢·L·U·Q2/S3 （1）

式中：hf-摩擦阻力，Pa；？琢-摩擦阻力系數(shù)，kg/m；L-井巷長(zhǎng)度，m；U-井巷斷面凈周長(zhǎng)，m；Q-井巷的風(fēng)量，m3/s；S-井巷的凈斷面積，m2。

在計(jì)算井巷的摩擦阻力時(shí)，只需了解井巷長(zhǎng)度、凈斷面積、凈周長(zhǎng)、支護(hù)形式和通過的風(fēng)量等參數(shù)，其中摩擦阻力系數(shù)可通過查表法確定。

由公式（1）可知，井巷摩擦阻力hf與摩擦阻力系數(shù)a、井巷長(zhǎng)度L、巷道凈周長(zhǎng)U和斷面積Q2成正比，與S3成反比關(guān)系。同一段巷道內(nèi)，風(fēng)量及斷面積，對(duì)其摩擦阻力的影響較大。故在設(shè)計(jì)中，增加主要進(jìn)、回風(fēng)巷的斷面積能有效減小礦井的摩擦阻力，同時(shí)也能保證巷道風(fēng)速不超標(biāo)。摩擦阻力系數(shù)a與巷道本身斷面形狀、支護(hù)形式等有關(guān)，在通風(fēng)設(shè)計(jì)中，a的賦值具有特定性，且不宜輕易變化。但是，巷道功能不同，其摩擦阻力系數(shù)便有較大差異。比如回風(fēng)大巷（順槽）比膠運(yùn)、輔運(yùn)、進(jìn)風(fēng)大巷（順槽）的摩擦阻力系數(shù)要小。因此，采區(qū)布置中井筒、工作面順槽與大巷的相對(duì)位置，對(duì)礦井通風(fēng)的摩擦阻力有一定的影響。

1.1.2 局部阻力

局部阻力是由于井巷斷面、方向變化以及分岔或匯總等原因，造成均勻流動(dòng)氣體在局部地區(qū)受到影響，而引起風(fēng)流速度場(chǎng)發(fā)生變化和產(chǎn)生渦流等現(xiàn)象而形成的能量損失。

由于局部阻力產(chǎn)生風(fēng)流速度場(chǎng)分布的變化比較復(fù)雜，故對(duì)此的計(jì)算一般采用經(jīng)驗(yàn)公式。在井巷通風(fēng)阻力計(jì)算中，可根據(jù)井下巷道復(fù)雜程度，將得出的摩擦阻力值乘以一定的系數(shù)，作為局部阻力計(jì)算值。

1.2 摩擦阻力系數(shù)確定

紊流狀態(tài)下，摩擦阻力計(jì)算式：

式中，即摩擦阻力系數(shù)，單位為kg/m3，或Ns2/m4。其中，？姿為無(wú)因次系數(shù)（沿程阻力系數(shù)），其值通過實(shí)驗(yàn)求得；？籽為空氣密度。

摩擦阻力系數(shù)？琢在阻力平方區(qū)是風(fēng)道相對(duì)糙度和空氣密度的函數(shù)。由于井巷斷面大小、支護(hù)形式及材料的多樣性，不同井巷的相對(duì)糙度差別很大。對(duì)于砌碹和錨噴巷道，壁面糙度可用尼古拉茲試驗(yàn)[1]的相對(duì)糙度概念來比擬，只考慮斷面方向的相對(duì)糙度。前人通過大量試驗(yàn)和實(shí)測(cè)所得的、在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（ρ0=1.2kg/m3）條件下的各類井巷的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標(biāo)準(zhǔn)值α0值，可通過“井巷摩擦阻力系數(shù)α值表”查得。[2]

一般情況下，鋪設(shè)膠帶運(yùn)輸機(jī)巷道的α值要比只作通風(fēng)行人巷道的α值大30～40%。輔助運(yùn)輸巷、井底車場(chǎng)巷道等可通過查表、經(jīng)驗(yàn)對(duì)比、實(shí)測(cè)等方法確定[3]。

2 工程案例

2.1 概況

高河礦井位于山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)治縣和長(zhǎng)子縣，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6.00Mt/a。井田南北長(zhǎng)約13.4km，東西寬約4.9km，面積66.68km2。3號(hào)煤層設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為318.89Mt。

高河礦井采用立井、單水平開拓方式，開采水平標(biāo)高為+450m，礦井達(dá)產(chǎn)時(shí)有五個(gè)立井，在工業(yè)場(chǎng)地布置主立井、副立井和中央回風(fēng)立井。礦井采用分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)，抽出式通風(fēng)方式。礦井達(dá)產(chǎn)時(shí)有兩個(gè)通風(fēng)分區(qū)，即在工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)布置主、副立井和中央回風(fēng)立井，主、副立井進(jìn)風(fēng)，中央回風(fēng)立井回風(fēng)，服務(wù)于主、副立井兩側(cè)的東一盤區(qū)；在礦井工業(yè)場(chǎng)地外的西南部小莊村附近布置一對(duì)小莊進(jìn)、回風(fēng)立井，擔(dān)負(fù)南翼大巷西側(cè)采區(qū)的通風(fēng)任務(wù)。工業(yè)場(chǎng)地回風(fēng)立井所需風(fēng)量370m3/s，最大通風(fēng)阻力3425a；小莊風(fēng)井場(chǎng)地回風(fēng)立井所需風(fēng)量330m3/s，最大通風(fēng)阻力2570Pa。高河礦井通風(fēng)分區(qū)現(xiàn)狀見圖1。

2.2 問題提出

《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，高瓦斯礦井應(yīng)采用對(duì)角式或分區(qū)式通風(fēng)。高河礦為高瓦斯礦井，礦井通風(fēng)分區(qū)現(xiàn)狀圖可以看出，中央風(fēng)井、鮑村風(fēng)井及小莊風(fēng)井分別負(fù)責(zé)井田中部、北部、中西部盤區(qū)的通風(fēng)，且各盤區(qū)通風(fēng)阻力符合《規(guī)范》中“礦井后期通風(fēng)負(fù)壓不宜超過3920Pa”的要求[4]。

根據(jù)高河礦生產(chǎn)計(jì)劃，需準(zhǔn)備井田南翼采區(qū)，以滿足礦井接替需求，在后期開采過程中，該采區(qū)需布置兩個(gè)綜采工作面。南翼采區(qū)南北長(zhǎng)4.1km，東西寬4.8km，采區(qū)范圍較大。

原酒村風(fēng)井初步設(shè)計(jì)，計(jì)劃在南翼采區(qū)中北部的酒村建一個(gè)風(fēng)井場(chǎng)地，即酒村風(fēng)井場(chǎng)地，內(nèi)設(shè)一對(duì)進(jìn)、回風(fēng)立井，以滿足該采區(qū)生產(chǎn)通風(fēng)的要求。該工況下，酒村風(fēng)井通風(fēng)容易時(shí)期負(fù)壓1420.2Pa，通風(fēng)困難時(shí)期負(fù)壓2086.8Pa，回風(fēng)立井負(fù)壓值較合理。

但鑒于目前煤炭形勢(shì)及當(dāng)?shù)卣鞯乩щy等實(shí)際情況考慮，礦方提出借助小莊甚至中央進(jìn)、回風(fēng)井，減少酒村風(fēng)井?dāng)?shù)量或減小風(fēng)井場(chǎng)地面積，甚至取消酒村風(fēng)井場(chǎng)地建設(shè)的想法。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 通風(fēng)形式

若取消酒村風(fēng)井的建設(shè)，根據(jù)工程實(shí)際情況以及井巷摩擦阻力計(jì)算公式可知，理論上酒村風(fēng)區(qū)的通風(fēng)任務(wù)可由小莊風(fēng)井，甚至中央風(fēng)井承擔(dān)。決定風(fēng)井場(chǎng)地建設(shè)必要與否的重要因素，就是通風(fēng)解算的負(fù)壓值。負(fù)壓值過大，對(duì)風(fēng)機(jī)選型及效率等方面影響較大。從通風(fēng)線路上分析，小莊風(fēng)區(qū)與酒村風(fēng)區(qū)相鄰，經(jīng)測(cè)量，小莊風(fēng)井距酒村風(fēng)區(qū)2.9km，而中央風(fēng)井為酒村風(fēng)區(qū)供風(fēng)的通風(fēng)線路要比小莊風(fēng)井長(zhǎng)，因此，對(duì)酒村風(fēng)區(qū)通風(fēng)解算時(shí)，先計(jì)算小莊風(fēng)井為其供風(fēng)的通風(fēng)阻力值，若該工況下的計(jì)算值不合理，便無(wú)需再考慮中央風(fēng)井供風(fēng)的通風(fēng)結(jié)算。

另外，在考慮小莊風(fēng)井為酒村風(fēng)區(qū)供風(fēng)的同時(shí)，也考慮在酒村風(fēng)井場(chǎng)地建設(shè)一個(gè)井筒，以節(jié)約場(chǎng)地面積，和將酒村風(fēng)井場(chǎng)地移至井田南部邊界外，以及將酒村風(fēng)區(qū)通風(fēng)總風(fēng)量減少這三種情況。

因此，本次工程設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)工況條件下進(jìn)行解算。

工況1：小莊進(jìn)、回風(fēng)井（兩個(gè)工作面）；

工況2：小莊進(jìn)風(fēng)井+酒村回風(fēng)井（中部場(chǎng)址、兩個(gè)工作面）；

工況3：小莊回風(fēng)井+酒村進(jìn)風(fēng)井（中部場(chǎng)址、兩個(gè)工作面）；

工況4：小莊進(jìn)風(fēng)井+酒村回風(fēng)井（南部場(chǎng)址、兩個(gè)工作面）；

工況5：小莊進(jìn)、回風(fēng)井（一個(gè)工作面）。

3.2 通風(fēng)解算

為提高計(jì)算精度和保證對(duì)比可信度，我們采用專業(yè)通風(fēng)軟件對(duì)上述工況進(jìn)行解算，各工況下同一巷道的摩擦阻力系數(shù)賦值相同。

經(jīng)解算，各工況下負(fù)壓值見表1。

表1中，摩擦阻力為軟件解算得到的井巷摩擦阻力值，總負(fù)壓為考慮局部阻力和自然負(fù)壓之后的井巷總負(fù)壓值。

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)機(jī)選型時(shí)，主要根據(jù)井巷總負(fù)壓的最小值與最大值。在小莊風(fēng)區(qū)范圍內(nèi)，由于工作面位置不同，其負(fù)壓值也會(huì)不一樣，便會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓最大值與最小值，即容易時(shí)期與困難時(shí)期，這也就決定了風(fēng)機(jī)的型號(hào)及功率。小莊風(fēng)井設(shè)計(jì)時(shí)，所選的風(fēng)機(jī)原則上只相對(duì)于該風(fēng)區(qū)范圍內(nèi)特定風(fēng)量及負(fù)壓值區(qū)間是合理的。由上表解算結(jié)果可知，無(wú)論是否建設(shè)酒村風(fēng)井場(chǎng)地，或者只在酒村風(fēng)井場(chǎng)地設(shè)一個(gè)井筒，其總負(fù)壓值都大于5839.2Pa，而該值也遠(yuǎn)超過小莊風(fēng)區(qū)通風(fēng)的最大負(fù)壓值。

實(shí)際生產(chǎn)中，小莊回風(fēng)井的通風(fēng)機(jī)可能無(wú)法承擔(dān)酒村風(fēng)區(qū)的通風(fēng)任務(wù)。若考慮通過更換風(fēng)機(jī)來提高小莊回風(fēng)立井的通風(fēng)能力，可能會(huì)出現(xiàn)井下斷風(fēng)、局部巷道風(fēng)速過高、風(fēng)機(jī)效率過低等不安全、不合理情況。而只在酒村風(fēng)井場(chǎng)地設(shè)置一個(gè)回風(fēng)立井，會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)線路過長(zhǎng)、采區(qū)接替困難等問題。

綜上，利用小莊風(fēng)井或者中央風(fēng)井分擔(dān)酒村風(fēng)區(qū)的部分或者全部通風(fēng)任務(wù)是不可行的，酒村風(fēng)井場(chǎng)地建設(shè)很有必要，而且須同時(shí)開拓一對(duì)進(jìn)、回風(fēng)立井，以滿足酒村風(fēng)區(qū)的通風(fēng)需求。分區(qū)式獨(dú)立通風(fēng)，還能保證采區(qū)的正常接替，無(wú)論是在管理上，還是在安全上都更有保障。

參考文獻(xiàn)

[1]張國(guó)樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2]楊加偉.淺談礦井通風(fēng)阻力產(chǎn)生的原因及降低阻力的方法[J].采礦技術(shù)，2010，3（2）.

[3]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.MT/T 440-2008.礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法[M].煤炭工業(yè)出版社，2010.

[4]中華人民共和國(guó)建設(shè)部&中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50215-2005.煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：江威（1986，9-），男，安徽省合肥市，職務(wù)：設(shè)計(jì)工程師，學(xué)歷：研究生，畢業(yè)學(xué)校：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），主要從事礦井設(shè)計(jì)工作。