李忠敬，代群超
(淮河能源控股集团煤业分公司张集矿， 安徽 淮南 232001)
在矿井通风阻力测量过程中，使用精密气压计对系统通路各测量段两端的绝对静压和空气密度进行测定，使矿井通风阻力测量工作变得简单。由于测点标高不同，必须将这些不同标高的测点折算成同一标高进行阻力的计算，以消除标高不同所带来的阻力计算错误问题。在同一标高折算中，空气密度和标高差难以做到精确测量，导致阻力测定在标高折算这一环节出现较大的误差，再者，测量路线较长，测量段较多，这些误差累加到一起对整个测量数据影响较大。测定绝对静压时，由于测定点数较多测定距离远，两点测量时间间隔长，测量很容易受到背景气压变化的影响，使测量值出现失真。遇到背景气压波动严重时，直接导致阻力测量失败。因此，在使用精密气压计测阻时，要克服大气背景气压变化问题，就必须尽量缩短两次测量阻力点的时间间隔，来消除背景气压变化带来的测量误差过大的问题。以上两个方面阻力测量的所产生的问题，可通过风门负压测阻的方法来解决，对测阻结果进行进行对照性修正。
风门负压测阻是利用电子精密气压计或U型水柱计对关键风门前后负压进行测量，测值加自然风压得出风门两侧向采区方向的通风压力。张集矿西翼采区通风系统示意图(如图1所示)，西翼采区总阻力可以通过测量井口超市通中央风井下口控风墙进回风侧负压，实现对西翼采区总通风阻力的的测量。井口材料超市直接与中央风井和一副井井底联通，超市支路平均通风断面17 m2，支路上通过控风设施限制通过的风量，超市支路风量170 m3/min，由于通过超市支路风量小、断面大、风流路线短，支路风压的99.9 %都作用在该支路控风设施上。因此，测量超市支路控风设施两端的风压差，就得到西翼采区阻力中的静压差。第一，阻力测量的动压测量。由于进回风巷平均风速近似相等，风速较小，换算成动压后数值近似相等，阻力计算中的动压差近似为零。第二，阻力测量的位压测量。由于阻力测量对象是关键风门设施进回风侧风压差，选取对象风门是同一标高，可以消除由于测点标高不同所带来的位压计算问题。第三，阻力测量中的自然风压测量。在整个阻力测量通路中，从标高最低点算起两侧巷道，测量风流平均温度、平均气压、平均湿度作为计算自然风压的主要参数，巷道坡度变化较大时，根据坡度不同分别计算自然风压。所测巷道阻力为，该巷道两端所在风门两侧通风压力加其自然风压。第四，西二13-1采区内部阻力测量。如图1所示，可以通过测量西二采区入口，进回风联巷风门负压，得到西二13-1采区的内部阻力230 pa。第五，背景气压变化导致测阻失败的问题的解决。由于“风门负压法测阻”测定的是关键风门负压，测阻路线短(测阻距离等于风门间距)、测阻时间间隔短，单次测阻时间2 min内即可完成，所以背景大气压变化量非常小，可以忽略不计。第六，使用风门负压测阻法所测得的数据，可以验证气压计沿程分段测阻所测得通风阻力的准确性。如图1所示，西翼通风阻力由井口超市控风墙前后负压所测得，通风路线ABCD标高差为9 m，由于高差小，所测阻力路线的自然风压可忽略不计。由串联网络阻力定律可知，BC段、CD段、DA段，三段通风阻力之和等于井口超市控风设施前后负压。如果三段阻力测量数据之和与井口超市控风设施负压hAB相差过大，则说明在分段测量阻力过程中，受背景气压变化影响大，致使数据不准确，应重新反复测量，直至hBC + hCD + hDA≈hAB ，测量的阻力才能被验证通过。
图1 张集矿西二采区等效通风系统示意图
2.1 进风井井筒阻力测量
进风井井筒阻力测量可利用风门负压测阻法进行。张集矿中央井主井一副井通风系统示意图(如图2所示)，一副井作为矿井主要进风井，进风量为21 000m3/min，约占矿井总进风量的47 %。由于主井是矿井唯一提煤井筒，提煤量大，产尘量亦大，为治理粉尘保证矿井进风空气质量，主井不作为主要进风井。主井下口东西车场及-530装载站皆设控风风门，限制主井进风量，主井进风量为1 500 m3/min，约占矿井总进风量的3 % 。现场实测主井下车场及装载站加控风设施后，主井上口对井底车场F2点总风阻为0.689 ku，一副井上口对井底车场F2风阻为0.005 ku，两者比值为138∶1。由于主井进风量小，井筒断面大，主井井筒本身所产生的阻力可忽略不计，所以主井下车场东，控风门前后负压差反映了一副井通风阻力大小。如表1所示，实测主井东车场风门负压hF1F2为700 pa，由于主井和一副井自然风压，和井底车场通风阻力的存在，须将井筒之间加在主井东车场风门上的的自然风压去除，再减去一副井井底至主井东车场风门外侧F2点的通风阻力,可得到一副井井筒通风阻力值。即：一副井阻力 =主井东车场风门负压(700)-自然风压(24)-一副井井底至主井东车场风门外侧的通风阻力(116 pa)= 560 pa。
图2 利用风门负压测定通风阻力原理图
表1 张集矿一副井通风阻力测定基础表
2.2 二副井井筒通风阻力测量
二副井井筒通风阻力测量，可通过利用一副井井筒阻力减去两井筒之间控风风门风压和其井底间通风路线阻力进行计算，间接测出二副井井筒阻力为220 pa(井筒断面60.8 m2)。由于两进风井是主要进风井，井筒温度近似相等，井筒之间自然风压为零，井筒之间自然风压可不考虑在二副井井筒阻力测定中。
2.3 中央风井通风阻力测量
由于中央风井出口安装有矿井主要通风机处于连续运转状态，无法从中央风井上下口直接进行通风阻力测定。现场采用的测阻方法是，矿井总的通风阻力减去中央风井井底至一副井井口的通风阻力，即：中央风井井筒通风阻力 = 测量矿井主要通风机入口断面全压 + 矿井自然风压 - 一副井井口至中央风井井底的通风阻力=240 pa(含风硐阻力)，(中央风井井筒井筒断面38.5 m2)。
2.4 其他关键点通风阻力测量
西翼进风大巷(含井底车场)、西二采区内部阻力及西翼采区回风阻力通过关键点风门负压法和分段逐点测定法相结合的方法进行测定，以提高阻力测定精度。
西二采区采场较多，通风路程远，用风量大，通风较为困难。优化矿井西翼采区通风系统，查找西翼采区通风系统存在的各种问题，必须对矿井西翼采区通风路线阻力和风阻进行精确测量，利用数据分析西翼采区通风所存在的问题。
3.1 西二采区通风情况
西二采区分11槽和13槽两个煤层进行回采，煤层之间有相对独立的通风系统。西二采区现正在施工的采掘工作面：11槽下采区1222(1)轨道顺槽掘进面和运顺顺槽掘进，1415(1)采煤工作面。13槽下采区1421(3)轨道顺槽和运输顺槽、岩石掘进1223(3)底抽巷掘进工作面、1221(3)w备用工作面。如表2，西二采区现供风量为10 780 m3/min，最远通风流程为9 200 m，西二通风系统历经多次优化调整后，西二风量已趋近最大化。西翼采区总通风阻力1 560 pa，占矿井总阻力2 100 pa的74 %。西翼采区总回风量15 000 m3/min，占中央风井总风量的60 %。西二采区实际用风量10 230 m3/min(采区系统巷道风门及小眼漏风未计算)，有效风量利用率达到95 %，内部富余风量可调配空间接近上限。
表2 西二采区用风情况基础表
3.2 西二采区面临的风量问题
1221(3)W备用工作面即将回采，面临需风量由1 000 m3/min加到2 300 m3/min的加风难题，否则将影响1221(3)W的正常回采。
3.3 西二进风路线系统分析
一副井进风井筒风量风量约为21 000 m3/min，是二副井进风量的1.9倍，阻力为560 pa,约占总阻力的19 %。如图3所示，同为进风井筒的二副井井筒阻力只有220 pa，仅占一副井通风阻力的40 %，风量为一副井的50 %。由此可见，二副井通风能力没有充分发挥，造成一副井风量集中，阻力过大。如图3、图4所示，西二进风由西翼轨道大巷、平安二号线和西翼胶带机巷进风。轨道大巷进风量为7 800 m3/min，西翼胶带机巷由于运煤过程的粉尘问题，在西二皮带机尾加控风设施，将胶带机巷进风量控制在1 600 m3/min。西翼平安二号线由于运输人员需要，加控风设施后风量在6 00 m3/min。从进风路线风量分配可以看出，西二进风的78 %是从西翼轨道大巷进的，风量集中，引起进风路线段通风阻力过大。实测西翼进风段进风大巷阻力为950 pa，约占总阻力的34 %，而西翼平安二号线16 m2的平均通风断面进风量只有600 m3/min，未能发挥进风巷的作用是引起进风路线通风阻力过大的主要原因。
3.4 西二采区段及回风通风系统分析
如图3、图4所示，西二采区内部通风系统可分为11槽系统模块和13槽系统模块两部分组成，分别由两个独立回风系统回至中央风井，两个模块共用同一个进风系统。西二13槽系统模块(包含：1421(3)轨、运顺两个掘进工作面和1221(3)W备用工作面)主要由西翼13-1岩石回风巷回风，风量为3 600 m3/min。11槽系统模块由西翼11槽煤层回风和西翼11槽岩石回风并联，作为1415(1)综采工作面回风巷。西二11槽下采区，两个掘进工作面和一个岩巷掘进工作面主要由1222(1)底抽巷回风和1222(3)底抽巷为其回风。从以上分析可以看出，西二13槽系统模块主要由1条回风巷为其回风，通风阻力650 pa。西二11槽系统模块主要由3条主要回风巷和1条辅助回风巷为其回风，通风阻力260 pa。13槽、11槽回风巷个数形成了1∶4的不均衡回风局面，通风阻力也形成了2.5 ∶1的不对称局面，西翼总回风巷对于增加西二风量来说有很大内部优化的空间。
图3 西二通风系统等效示意图
图4 西翼采区通风系统示意图(系统优化前)
3.5 西翼采区进风段、西二采区段、回风段阻力分布
进风段阻力(包括进风井筒)：1 600 pa，占总阻力的55 %；
西二13槽采区段阻力：140 pa，占总阻力的5 %；
西二11槽采区段阻力：450 pa占总阻力的15.5 %；
西二13槽回风巷段阻力：1 160 pa,占总阻力的40 %；
西二11槽回风阻力：850 pa,占总阻力的29 %。由西翼采区阻力分布柱状图(如图5所示)可得出，西翼采区进风巷阻力是制约西二风量提升的主要因素，西翼13槽煤层回风巷阻力占比较高40%，影响西二的下一步加风工作。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风能力未得到充分发挥，不能有效地缓解降低西二进风段阻力。
图5 西翼采区阻力分布柱状图
3.6 西二降阻加风方案
解放-820西翼进风斜巷风门。一方面，释放二副井通风能力，另一方面降低西翼进风大巷通风阻力；
拆除平安二号线控风设施，使平安二号线发挥进风巷作用，降低西翼进风巷段阻力；
利用1222(3)底抽巷作为西二13槽回风使用，以降低西二13槽回风段阻力；
可考虑-820西翼轨道大巷兼作西二采区进风大巷，可将西二进风大巷阻力降低至原来的1/2～1/3，可大幅度提升西二采区风量。
3.7 加风效果分析
采取方案中第二项“拆除平安二号线控风设施”后西翼通风阻力变化情况如图4和图6所示。进风段控风设施拆除后，进风段通风阻力下降320 pa，下降幅度为11 %,西二13槽回风段总阻力上升幅度为40 pa，上升幅度为4.4 %。西二11槽回风阻力上升幅度为7.5 %。由此可以看出，进风阻力下降后回风段阻力占比提升，由于回风段风阻值在短时间内不变，视为固定值，因此降阻后西二风量有明显提升。西二11槽系统模块风量增加350 m3/min，西二13槽系统模块风量增幅为150 m3/min，西二总回风量拆除控风设施后增加500 m3/min风量增幅为5 %。西二13槽通风系统内部的两个煤巷掘进工作面和一个备用工作面，两个掘进面进风侧均有控风隔离风门，备用面回风侧设置有控风设施，因此拆除控风设施后，所增加的风压基本都降在掘进隔离风门和备用面控风设施上，因此西二13槽采区系统阻力增加，增幅为40 %。西二11槽通风系统内部包含3个掘进面和一个采煤面，3个掘进面进风侧均有隔离控制风门，唯一只有采煤工作面是唯一连接采区进回风的畅通路线，再加上回采过程中采煤工作面通风系统风阻值不断变小，所以11槽增加的风量风量基本都加在了1415(1)采煤工作面。西二采区11槽通风系统通风阻力，在二号线控风设施拆除后有明显下降，这种下降原因是由于系统内部采煤工作面系统通路风阻下降所致，因此，西二11槽回风阻力较西二采区13槽回风阻力上升幅度明显(如图5所示)。由此可以得到：西二采区13槽通风系统模块内部无工作面性质的风流通路，使得其风量增幅不大，由于内部阻力的增加致使局部通风系统的风流富余系数得以提升，从而增加了系统的稳定性与可靠性，张集矿西翼采区通风系统示意图如图7所示。
图6 平二线设施拆除前后通风参数对比图
图7 张集矿西翼采区通风系统示意图
利用风门负压法测量通风阻力能够实现阻力的精准、快速、准确测量，可以通过具体数据发现隐伏在矿井通风中的各种问题，以快速制定针对性措施解决，同时使阻力测量与矿井生产互不干扰，具有很高的推广应用价值。
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