戴子棟

(河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600)

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)日常管理中，礦井外部漏風(fēng)率是一個非常重要的指標(biāo)，該指標(biāo)既影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)是否合理運行，也是衡量礦井主要通風(fēng)機運行狀況是否良好和通風(fēng)管理水平是否到位的判定依據(jù)[1]。礦井外部漏風(fēng)是指新鮮風(fēng)流經(jīng)地表裂縫或風(fēng)井附近的通風(fēng)設(shè)施漏入風(fēng)硐，并經(jīng)主要通風(fēng)機排出地表的風(fēng)量。《煤礦安全規(guī)程》第158條規(guī)定：“主要通風(fēng)機必須安裝在地面，裝有通風(fēng)機的井口必須封閉嚴(yán)密，其外部漏風(fēng)率在無提升設(shè)備時不得超過5%，有提升設(shè)備時不得超過15%”[2]。因此，減小外部漏風(fēng)率、提高礦井的有效風(fēng)量，才能保證礦井通風(fēng)安全工作的順利開展。

目前，有多種測定方法可以測定礦井外部漏風(fēng)，針對具體礦井，需要對比各種測定方法的優(yōu)缺點和適用條件，參考礦井通風(fēng)系統(tǒng)、外部漏風(fēng)通道、參數(shù)測定方法、主要通風(fēng)機運行狀況等現(xiàn)場因素來制定具體實施方案[1，3-5]。因此，選擇適用于本礦的外部漏風(fēng)測試方法，是現(xiàn)場進行外部漏風(fēng)測定時首先要解決的問題。

1 礦井外部漏風(fēng)率測算方法

1.1 礦井通風(fēng)概況

陳四樓煤礦位于永城市陳集鎮(zhèn)境內(nèi)，主采二2煤層，2015年礦井升級為煤與瓦斯突出礦井。根據(jù)2016年瓦斯等級鑒定報告，瓦斯相對涌出量為2.26m3/t，絕對涌出量為12.46m3/min，煤層自燃等級為Ⅲ類不易自燃，煤塵爆炸危險性鑒定結(jié)論為無爆炸危險性。陳四樓煤礦礦井目前有5個井筒，通風(fēng)方式為兩翼對角式，主、副井及中央風(fēng)井進風(fēng)，南風(fēng)井、北風(fēng)井排風(fēng)，通風(fēng)方法為抽出式。南、北風(fēng)井均裝有FBCDZ№28/2×355型對旋軸流式通風(fēng)機2臺，一臺工作，一臺備用。

1.2 測算方法選取

目前，礦井外部漏風(fēng)率測算方法有風(fēng)表直接測定法、瓦斯等值法、示蹤氣體法、精密測風(fēng)儀表法、漏風(fēng)路線風(fēng)阻法、風(fēng)機房水柱計法[6]。通過對以上各種測定礦井外部漏風(fēng)量的方法進行對比和分析，參考陳四樓礦主要通風(fēng)機及附屬設(shè)施的實際布置位置，本次外部漏風(fēng)測定采用風(fēng)表直接測定法。

以陳四樓煤礦為例，其外部漏風(fēng)主要來自風(fēng)硐、防爆門、閘閥、備用風(fēng)機本身及其附屬裝置的裂隙流入風(fēng)機的風(fēng)流。如果把整個礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)流當(dāng)做理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，礦井外部漏風(fēng)率的理論計算公式為：

式中：

C-表示礦井外部漏風(fēng)率；

Qt-表示主要通風(fēng)機抽風(fēng)量，m3/min；

Q1-表示礦井總回風(fēng)量，m3/min。

由于在主要通風(fēng)機的出風(fēng)口的風(fēng)流相對穩(wěn)定處比較容易直接測定Qt，所以正確測算外部漏風(fēng)率的關(guān)鍵是必須首先正確地測算出Q1。

對于井筒深度較大的立井，其井筒上口處的風(fēng)量才是礦井的總回風(fēng)量Q1，而直接使用礦井井下測量的總回風(fēng)量就會使測量結(jié)果偏離真實值。

因此，在計算礦井外部漏風(fēng)率時，Q1值應(yīng)當(dāng)使用回風(fēng)井上口測得的風(fēng)量值。而實際上這個Q1值在井口上部并沒有合適的位置測量。

圖1 考察礦井外部漏風(fēng)率的通風(fēng)示意圖

在圖1中，對于深度較大的回風(fēng)井，由于其上、下兩端的風(fēng)流狀態(tài)變化較大，所以其風(fēng)流就不能視為理想氣體。流體力學(xué)中的風(fēng)流連續(xù)性方程不能成立，即Q1≠Q(mào)2。必須將回風(fēng)井看作是礦井通風(fēng)系統(tǒng)中與井下其他所有巷道不同的一條特殊巷道?？紤]到在回風(fēng)井中的風(fēng)流流動是一個熱力變化過程，應(yīng)根據(jù)熱力學(xué)的基本原理來考察其狀態(tài)參數(shù)的變化。由于空氣從井下總回風(fēng)道至風(fēng)井上口與外界無熱量交換，可看作是一個絕熱膨脹過程，有以下方程成立:

式中：

Q2-回風(fēng)井下口的風(fēng)量，即井下總回風(fēng)量，m3/s；

T1-回風(fēng)井上口空氣溫度，K；

T2-回風(fēng)井下口空氣溫度，K；

n-絕熱指數(shù)，礦井空氣屬雙原子氣體，取1.4。

1.3 計算礦井外部漏風(fēng)率基本參數(shù)測定

采用風(fēng)表風(fēng)速法測定北風(fēng)井、南風(fēng)井總回風(fēng)量及主要通風(fēng)機的工作風(fēng)量，即北風(fēng)井、南風(fēng)井井上、下約定在同一時間分別測定井下總回風(fēng)量及主要通風(fēng)機工作風(fēng)量，南北風(fēng)井地面測點為風(fēng)硐內(nèi)，井下測點為南北翼總回風(fēng)巷。同時測定北風(fēng)井、南風(fēng)井井上、下溫度。要求各測點連續(xù)測定三次，且測定誤差在2%之內(nèi)，取其平均值為該巷道的平均風(fēng)速，同時測定測風(fēng)斷面的巷道斷面積，按下式計算井下總回風(fēng)量及主要通風(fēng)機的工作風(fēng)量。

式中：

Q-巷道內(nèi)風(fēng)量，m3/s；

S-測風(fēng)點處巷道斷面，m2；

V-巷道的平均風(fēng)速，m/s。

2 礦井外部漏風(fēng)率計算

2.1 根據(jù)熱力學(xué)方程計算礦井外部漏風(fēng)率

（1）北風(fēng)井外部漏風(fēng)率計算

根據(jù)現(xiàn)場測定和計算，北風(fēng)井T1北=295K，T2北=298K，Q2北=176.73m3/s。

因此根據(jù)公式（2）變形得：Q1北=177.45m3/s。

根據(jù)公式（1）得：C北=1.25%。

（2）南風(fēng)井外部漏風(fēng)率計算

根據(jù)現(xiàn)場測定和計算，南風(fēng)井T1南=295K，T2南=298K，Q2南=170m3/s。

因此根據(jù)公式（2）變形得：Q1南=170.69m3/s。

根據(jù)公式（1）得：C南=1.12%。

由此測得北風(fēng)井外部漏風(fēng)量為2.25m3/s，外部漏風(fēng)率為1.25%，南風(fēng)井外部漏風(fēng)量為1.93m3/s，外部漏風(fēng)率為1.12%。

2.2 根據(jù)理想氣體方程計算礦井外部漏風(fēng)率

（1）北風(fēng)井外部漏風(fēng)率計算

使用理想氣體方程時，不考慮氣體膨脹變化，北風(fēng)井Q1北’=Q2北’=176.73m3/s。

根據(jù)公式（1）得：C北’=1.65%。

（2）南風(fēng)井外部漏風(fēng)率計算

使用理想氣體方程時，不考慮氣體膨脹變化，南風(fēng)井Q1南’=Q2南’=170m3/s。

根據(jù)公式（1）得：C南’=1.52%。

由此測得北風(fēng)井外部漏風(fēng)量為2.96m3/s，外部漏風(fēng)率為1.65%，南風(fēng)井外部漏風(fēng)量為2.62m3/s，外部漏風(fēng)率為1.52%。

表1 風(fēng)量測定表

2.3 兩種方法測算的外部漏風(fēng)率比較

表2 誤差分析表

通過上述計算，明顯看出直接根據(jù)理想氣體方程計算礦井外部漏風(fēng)率比考慮氣體熱力學(xué)變化情況測算的礦井外部漏風(fēng)率要大，且兩種方法測得的外部漏風(fēng)率誤差在30%以上。可見，井筒深度較大時，使用理想狀態(tài)方程測算的外部漏風(fēng)率是不準(zhǔn)確的。

3 結(jié)論

（1）為提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的管理水平，本文以陳四樓礦為例，在礦井外部漏風(fēng)率測定過程中，選定適合礦井的測算方法，測定了礦井外部漏風(fēng)率。對于其他井筒深度較大的立井，精確測算礦井的外部漏風(fēng)率具有參考意義。

（2）根據(jù)陳四樓礦主要通風(fēng)機及附屬設(shè)施的實際布置位置，選定該礦測定礦井外部漏風(fēng)率的方法為風(fēng)表直接測定法。通過測定的礦井外部漏風(fēng)率基本參數(shù)，采用熱力學(xué)方程和理想氣體方程分別進行計算，對比分析誤差率，充分考慮了井筒深度、溫度對風(fēng)量的影響，采用熱力學(xué)方程計算的外部漏風(fēng)率較為準(zhǔn)確。

（3）最終測定并計算，陳四樓礦外部漏風(fēng)率：北風(fēng)井為1.25%，南風(fēng)井為1.12%。