矿井通风阻力是衡量矿井通风状况的主要指标,通风阻力产生的原因是空气沿巷道流动时,由于风流分子粘滞性和惯性及巷道壁面的粗糙性,对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力,造成风流损失。依据煤矿安全规程规定:新建矿井在投产前必须进行一次通风阻力测定,以后每3年至少测1次。矿井新水平生产或改变一翼通风系统后,必须重新进行通风阻力测定。目前所采用的阻力测定方法主要是压差计法和基点法,但是这两种方法都有局限性。

1通风阻力测定方法

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设监测点,测定地面气压在一定时间Δt内的变化量通风阻力测定方法分析ΔP₀,由此对井下测点i处气压计测得的静压在同一时间内的变化值进行校正。

1.2压差计法

压差计法的基本原理是在巷道的前后两测点各设置一个皮托管,用胶管把前后两测点连接起来,用压差计测量前后两测点的压差,用风速表测量各测点的风速,通过压差和速压求和计算,可得出该段巷道的阻力。

1.3基点法

基点法的基本原理是用气压计测量出巷道风流前后两测点的静压差,同时测量测段内巷道风速、断面积、干湿温度等参数,从而计算出两测点间的通风阻力。具体作法是利用2台气压计,1台设在井上,1台设在井下,井上固定在入风井口的基点上,监测地面大气压的变化,井下沿测定路线巡回测定。其测定结果能够满足一般性要求。

2测定方法优缺点比较

三种方法各有优缺点,有的原理较为简单,易懂易操作,但是误差较大;有的比较精准,但是测定过程复杂,而且受到现场条件限制。为更好地利用其优点,避免其缺陷造成的误差,三种方法的优缺点进行了对比分析,见表1。

3采用压差计法测风阻较为准确的理论分析

3.1公式推导

压差计测风阻中使用的U型管两边所承受的压力之差为:

h_re[sinβ]δcg=[P_s1-Zρ₁-2g]-P_s2(1)

式中:h_re——是酒精表面的倾斜距离,m;

δ——酒精的比重,0.81kg/m³;

c——压差计的精度校正系数,Pa;

P_s1——1测点的绝对静压,Pa;

P_s2——测点的绝对静压,Pa;

ρ_1-2——胶皮管内空气的平均密度,kg/m³;

Z——1、2测点的标高差,m;

β₁——U型管倾角,()

g——空气重力加速度,9.81m²/s。

根据能量方程,知两端面间的通风阻力为:

h_r1-2=P_s1+ρ₁V₁²

-[P_s2+ρ₂V₂²++Zρ_1-2g](2)

式中:h_r1-2——1、2测点间的巷道通风阻力,Pa;

V₁,V₂——分别是起末端面的平均风速,m/s;

ρ₁——测点1处空气密度,kg/m³。

ρ₂——测点2处空气密度,kg/m³。

ρ₁-2——两断面间巷道内的空气密度平均值,kg/m³。

由于巷道内的空气进入皮管内,则皮管内和巷道内的空气密度平均值相等,因而皮管内和巷道内空气柱产生的重力压强相等,即:

Zρ_1-2g=Zρ_1-2g(3)

由以上三式可得两断面间通风阻力的测算式

为:

h_r1-2=h_re[sinβ]δcg+ρ₁V₁²-ρ₂V₂²(4)

3.2公式分析

由上式可以看出,用压差计法所测两点间的读数值是静压与位压的总和,不是单纯静压值,避免了在求取阻力时,先将静压、位压和速压逐一单独求出后,再相加求和,只需用所测读数值与速压相加即可,而速压可根据风速计算得到。由此得出,采用压差计法所得的测量值与两测点间的高差Z无关,采用此种方法测算阻力,不受高差测定过程中产生的误差影响。然而在现场巷道起伏和变形较大,巷道内测点的标高测量误差是不可避免的。因此,为了避免测定高差带来的误差,应尽可能采用测量准确度较高的压差计法进行测定。

基点法中采用的精密气压计精度高,随标高变化灵敏,而且便于携带。基点法测量得到的直接数据是静压值,需要根据标高求得位压值,根据风速求得速压值,三者相加才能得到通风阻力值。而且在测量标高时流程繁琐,存在不可避免的误差,给气压计测量读数造成影响。

同时,压差计法测算也有其局限性,在风井井筒、存在积水地段和风硐口等处无法铺设皮托管测量,而且在积水较深的地方,水容易进入皮托管,给读数造成较大影响。因此,在这些局部位置,应该用基点法来测得这些区域和地点的静压值。

综上所述,压差计法比较准确,在巷道条件允许的情况下,应予以采用,但是不能测到风井、积水处等通风测点;基点法简便,可以在风井、积水处使用。所以,将两种方法结合使用,便可以弥补单一使用时的不足,也能使所得数据也更为合理。

4综合法测定矿井通风阻力的实践应用

4.1现场实测

邯郸矿业集团陶一矿位于邯郸市西部,生产能力65万t/a,矿井开采深度600m,矿井通风方式为中央边界式通风,通风方法为抽出式通风。经过分析确定矿井测定线路为:主井→井底绕道→井底车场→集中下山→-85大巷→七采区泵房入口→七采区车场→七采区轨道坡头→集中下山与六个连巷交叉口→工作面运输巷→12705采煤工作面→12705回风巷→七采区回风巷→瓦斯泵站→七采总回风上山→风井底→风井→风硐。

由于测定线路长,测量范围大,而且总回风巷部分路段积水较深,无法采用皮托管法测量;风井和风硐口附近也无法拉管测量,所以这些区域采用精密气压计法测量。但为确保测定数据尽可能精准,在其他地段巷道条件允许条件下,应采用压差计法测量。因此,最终采用了基点法和压差计法相结合的方法进行通风阻力测定。

4.2结果分析

矿井通风阻力按下式计算:h_r=∑hi=2367.23Pa(通风阻力P<2500Pa,不是高阻矿井)。测定结果见表2。

风机房水柱计读数为2300Pa,经计算动压为39.75Pa,自然风压为36.0Pa,理论计算通风阻力为2300Pa-39.75Pa+36Pa=2296.25Pa。

风井系统的绝对误差:Δh=|2367.23Pa-2296.25Pa|=70.98Pa

相对误差为:δ=70.98/2367.23=2.99%<5%。测试结果的误差符合《矿井通风阻力测定方法》的规定。

5结论及建议

由矿井通风阻力测定结果可以看出,矿井通风阻力为2367.23Pa,系统通风阻力不高,系统通风阻力至风机最大静压工作风阻尚有较大的储备,表明矿井与风机匹配较为合理,矿井通风系统具备一定的稳定性、可靠性和较强的抗灾变能力。通风系统总阻力为2367.23Pa,其中进风段通风阻力776.09Pa,占系统总阻力的33%;用风段阻力700.71Pa,占总阻力的30%;回风段阻力890.43Pa,占总阻力的37%。实测数据表明,矿井进风、用风段和回风段通风阻力的比例相近,说明矿井阻力分配较为合理。综上数据可以看出,采用两种方法相结合所测数据误差小,符合规程规定,测定的数据更合理、可靠。

该矿具有矿井通风线路长、用风地点多的特点,建议把巷道普查、阻力测定、巷道修复和动态调整做为通风管理的一项内容,以减小井巷局部阻力、减少矿井内部漏风、提高有效风量,稳定矿井通风系统,减少通风成本,提高经济效益。