礦井通風(fēng)摩擦阻力產(chǎn)生的原因及降阻方法

趙文利

（大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西大同037003）

礦井通風(fēng)摩擦阻力產(chǎn)生的原因及降阻方法

趙文利

（大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西大同037003）

礦井通風(fēng)阻力是影響礦井通風(fēng)的重要因素.通常情況下，礦井通風(fēng)的阻力分為摩擦阻力和局部阻力兩類.摩擦阻力是礦井通風(fēng)總阻力的主要部分.本文介紹了礦井通風(fēng)摩擦阻力產(chǎn)生的原因及降低摩擦阻力的方法.

礦井通風(fēng)；摩擦阻力；降阻措施

伴隨著煤礦安全生產(chǎn)的日漸重視，煤礦瓦斯治理是安全生產(chǎn)的重中之重，而礦井通風(fēng)是解決瓦斯積聚的重要手段.礦井通風(fēng)阻力是影響礦井通風(fēng)的重要因素，通風(fēng)阻力越大，損失的能量越多.根據(jù)我國(guó)對(duì)617對(duì)井口和1023個(gè)風(fēng)井的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，有40%的礦井風(fēng)阻力屬于中阻力和大阻力礦井，個(gè)別礦井的通風(fēng)電耗甚至占到了礦井總電耗的50%.降低通風(fēng)阻力，提高通風(fēng)能力是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、經(jīng)常性的工作.礦井通風(fēng)總阻力中的摩擦阻力是主要影響部分，如何減小摩擦阻力對(duì)礦井通風(fēng)有著至關(guān)重要的作用.本文首先分析了礦井通風(fēng)摩擦阻力產(chǎn)生的直接原因，然后針對(duì)性的提出降低礦井通風(fēng)摩擦阻力的方法.

1 礦井通風(fēng)摩擦阻力產(chǎn)生的原因

通常情況下礦井通風(fēng)阻力分為摩擦阻力和局部阻力兩類，它們與風(fēng)流的狀態(tài)有關(guān)系.一般情況下，摩擦阻力是礦井通風(fēng)總阻力的主要組成部分.

1.1 摩擦阻力

當(dāng)空氣在井巷中流動(dòng)時(shí)，由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力.流體在運(yùn)動(dòng)中有層流流動(dòng)和紊流流動(dòng)兩種不同狀態(tài).層流，是指流體各層的質(zhì)點(diǎn)相互不混合，呈束狀，為有秩序地流動(dòng)，各流束的質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有能量交換.質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡為直線或有規(guī)則的平滑曲線，并與其通道軸線方向基本平行.紊流和層流相反，體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過(guò)程中有強(qiáng)烈混合和相互碰撞，質(zhì)點(diǎn)之間有能量交換，質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡極不規(guī)則，除了有總流方向的流動(dòng)外，還有垂直或斜交總流方向的流動(dòng)，流體內(nèi)部存在著時(shí)而產(chǎn)生、時(shí)而消失的渦流.根據(jù)雷諾公式Re=（v表示流體的流動(dòng)狀態(tài)與平均流速，d表示管道直徑，σ表示流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)），流體在直圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，當(dāng)雷諾數(shù)Re<2320時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為層流；當(dāng)雷諾數(shù)Re>4000時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為紊流；在2320≤Re≤4000之間時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)不是固定的，由管壁的粗糙程度、流體進(jìn)入管道的情況而定，稱為不穩(wěn)定的過(guò)渡區(qū).雷諾數(shù)Re=2300時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界風(fēng)速為0.012m/s《.規(guī)程》規(guī)定，井巷中的最低允許風(fēng)速為0.15m/s，由此可見(jiàn)，礦井內(nèi)所有通風(fēng)井巷中的風(fēng)流均為紊流狀態(tài).

1.2 摩擦阻力公式

在完全紊流狀態(tài)下，摩擦阻力的計(jì)算公式是:

(1)式中:hf為摩擦阻力；Rf為巷道的摩擦風(fēng)阻；λ為沿程阻力系數(shù)（由實(shí)驗(yàn)可求得到）；ρ為空氣密度；S為巷道的斷面；U為巷道的周界；L為巷道的長(zhǎng)度；Q為巷道的風(fēng)量.

對(duì)于已經(jīng)確定的井巷，巷道的長(zhǎng)度L、周界U、斷面S以及λ巷道的沿程阻力系數(shù)都是確定的，把L、U、S、λ、ρ用一個(gè)參數(shù)Rf來(lái)表示，得到下式:

(2)式中:Rf為摩擦風(fēng)阻.顯然Rf是空氣密度、巷道的粗糙程度、斷面積、斷面周長(zhǎng)、井巷長(zhǎng)度等參數(shù)的函數(shù).當(dāng)這些參數(shù)確定時(shí)，摩擦風(fēng)阻Rf值是固定不變的.所以，可將Rf看作反映井巷幾何特征的參數(shù)，它反映的是井通風(fēng)的難易程度.

(3)式就是完全紊流時(shí)摩擦阻力定律，它說(shuō)明了摩擦風(fēng)阻一定時(shí)，摩擦阻力與風(fēng)量的平方成正比.

2 降低礦井通風(fēng)摩擦阻力的方法

2.1 減少沿程阻力系數(shù)λ

礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)盡量用摩擦阻力系數(shù)較小的支護(hù)方式，如錨噴、砌碹、錨鎖、鋼帶等.施工時(shí)一定要保證施工質(zhì)量，應(yīng)盡量采用光爆工藝，盡可能使井巷壁面平整光滑，使井巷壁面的凹凸度不大于50mm.對(duì)于支巷道，要注意支護(hù)質(zhì)量，支架不僅要整齊一致，而且還要?jiǎng)x幫背頂，并且要注意支護(hù)密度.及時(shí)修復(fù)被破壞的支架，失修率不大于7%.在不設(shè)支架的巷道，一定注意把頂板、兩幫和底板修整好，以減少摩擦阻力.

2.2 選擇適中的井巷風(fēng)量Q

因?yàn)槟Σ磷枇εc風(fēng)量的平方成正比，生產(chǎn)礦井應(yīng)隨著生產(chǎn)情況及規(guī)模的變化，及時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)能力，使之適應(yīng)生產(chǎn)的需要.及時(shí)調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)的工作功率，減少礦井富?？傦L(fēng)量.避免巷道內(nèi)風(fēng)量過(guò)于集中，要盡可能使礦井的總進(jìn)風(fēng)早分開(kāi)、總回風(fēng)晚匯合.提高有效風(fēng)量，減少風(fēng)門漏風(fēng)，對(duì)于中央邊界風(fēng)井風(fēng)門漏風(fēng)的問(wèn)題，采取由兩道風(fēng)門在增加一道變成三道風(fēng)門；永久風(fēng)門采取加大包邊材料厚度；經(jīng)常通過(guò)大件設(shè)備地點(diǎn)采用組合式風(fēng)門，應(yīng)隨時(shí)通過(guò)，隨時(shí)分解安裝.

2.3 選用周界較小的井巷斷面U

在井巷斷面相同的條件下，圓形斷面的周長(zhǎng)最小，拱形次之，矩形和梯形的周長(zhǎng)較大.因此，在礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求立井井筒采用圓形斷面，斜井、石門、大巷等主要井巷采用拱型斷面，次要巷道及采區(qū)內(nèi)服務(wù)年限不長(zhǎng)的巷道可以考慮梯形斷面.

2.4 保證井巷通風(fēng)斷面S

因?yàn)槟Σ磷枇εc通風(fēng)斷面積的3次方成反比，所以擴(kuò)大井巷斷面能大大降低通風(fēng)阻力，當(dāng)井巷通過(guò)的風(fēng)量一定時(shí)，井巷斷面擴(kuò)大33%，通風(fēng)阻力可減少一半.對(duì)于主風(fēng)流線上的高風(fēng)阻區(qū)段，要盡量增大其斷面面積.當(dāng)受到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的限制，不能任意擴(kuò)大井巷斷面時(shí)，可以開(kāi)掘并聯(lián)巷道.在日常通風(fēng)管理工作中，要經(jīng)常修整巷道，減少巷道堵塞物，使巷道清潔、完整、暢通，保持巷道足夠斷面.

2.5 減少巷道長(zhǎng)度L

因?yàn)橄锏赖哪Σ磷枇εc巷道長(zhǎng)度成正比，所以在礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)和通風(fēng)系統(tǒng)管理時(shí)，在滿足開(kāi)拓開(kāi)采的條件下，要盡量縮短風(fēng)路長(zhǎng)度，及時(shí)封閉廢棄的舊巷和采空區(qū).同時(shí)隨著礦井生產(chǎn)的發(fā)展，通風(fēng)線路會(huì)不斷加長(zhǎng)，而瓦斯量的增加，將導(dǎo)致風(fēng)量和摩擦阻力大增，當(dāng)利用現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可以考慮開(kāi)掘新井巷降阻通風(fēng).

2.6 使用并聯(lián)風(fēng)道通風(fēng)

在礦井通風(fēng)中，采用并聯(lián)風(fēng)道.采用并聯(lián)風(fēng)道的礦井通風(fēng)風(fēng)阻R并小于任一風(fēng)道上的風(fēng)阻Ri.當(dāng)主扇風(fēng)機(jī)安裝葉片度一定時(shí)，并聯(lián)風(fēng)道法可以降低通風(fēng)阻力，改善礦通風(fēng)系統(tǒng).

3 結(jié)論

筆者所在的大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，是與新中國(guó)同齡的大型國(guó)有企業(yè).口泉溝的煤礦大多數(shù)礦井已經(jīng)資源枯竭，而云崗溝的煤礦開(kāi)采巷道普遍都比較長(zhǎng)，新建設(shè)成功的塔山礦由原來(lái)規(guī)劃的年產(chǎn)一千萬(wàn)噸增至二千萬(wàn)噸，這些都對(duì)礦井提出了更高的通風(fēng)要求增大，但同煤集團(tuán)技術(shù)部門通過(guò)合理選擇巷道斷面、形狀、支護(hù)等參數(shù)，采取有效措施，可以降低通風(fēng)阻力，減少能源損失，降低通風(fēng)阻力很好的解決了當(dāng)前制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸.綜上所述，降低通風(fēng)阻力具體措施是多種多樣的，本著因地制宜，簡(jiǎn)單可行的原則通過(guò)方案比較選取有效措施，從而達(dá)到提高礦山企業(yè)效益的目的.

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〔3〕黃顯東，劉志梅.礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法及應(yīng)用[J].煤礦安全，2004，35(8):13-14.

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1673-260X（2010）11-0078-02