淺談礦井通風(fēng)阻力產(chǎn)生的原因及降低阻力的方法

楊加偉

(貴州省勞動保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究院,貴州遵義市 563000)

淺談礦井通風(fēng)阻力產(chǎn)生的原因及降低阻力的方法

楊加偉

(貴州省勞動保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究院,貴州遵義市 563000)

礦井通風(fēng)阻力對礦井通風(fēng)效果及其經(jīng)濟(jì)效益有嚴(yán)重的影響。合理選擇巷道參數(shù),采取有效措施,可降低礦井通風(fēng)阻力,提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。分析了礦井通風(fēng)阻力產(chǎn)生的原因,提出了降低通風(fēng)阻力的方法。

礦井通風(fēng);摩擦阻力;局部阻力;巷道參數(shù);降阻措施

0 前 言

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)我國對617對井口和1023個風(fēng)井的調(diào)查和統(tǒng)計(jì),有40%的礦井通風(fēng)阻力屬于中阻力和大阻力礦井,個別礦井的通風(fēng)電耗甚至占到了礦井總電耗的50%。因此,無論是在礦井設(shè)計(jì)還是在實(shí)際生產(chǎn)中,都要想方設(shè)法分析阻力產(chǎn)生的原因及制定實(shí)施降低通風(fēng)阻力的方案,以減少能量損失及降低對礦井通風(fēng)的影響。本文首先分析了礦井通風(fēng)阻力產(chǎn)生的直接原因,然后有針對性的提出降低礦井通風(fēng)阻力的方法。

1 礦井通風(fēng)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

風(fēng)流在井巷中流動時,沿程受到井巷固定壁面的限制,引起內(nèi)外摩擦,因而產(chǎn)生阻力,這種阻力叫摩擦阻力。

流體在運(yùn)動中有層流流動和紊流流動兩種不同的狀態(tài)。層流,是指流體各層的質(zhì)點(diǎn)相互不混合,呈流束狀,為有秩序地流動,各流束的質(zhì)點(diǎn)沒有能量交換。質(zhì)點(diǎn)的流動軌跡為直線或有規(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,流體質(zhì)點(diǎn)在流動過程中有強(qiáng)烈混合和相互碰撞,質(zhì)點(diǎn)之間有能量交換,質(zhì)點(diǎn)的流動軌跡極不規(guī)則,除了有總流方向的流動外,還有垂直或斜交總流方向的流動,流體內(nèi)部存在著時而產(chǎn)生、時而消失的渦流。

根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn),水流在各種粗糙面、平直的圓內(nèi)流動,當(dāng)Re≤2000時,水流呈層流狀態(tài);當(dāng)Re＞2000時,水流開始向紊流過渡,故稱2000為臨界雷諾系數(shù);當(dāng)Re≥10000時,水流呈完全的紊流。把這些數(shù)值近似應(yīng)用于風(fēng)流,便可以大致估算出風(fēng)流在各種狀態(tài)下的平均風(fēng)速。例如某巷道的斷面積S=2.5m2,周長U=6.58m,風(fēng)流的運(yùn)動粘性系數(shù)ν=14.4×10-6m2/s。則可以估算出風(fēng)流開始向紊流過渡的平均風(fēng)速大約為0.019m/s。由于井巷中最低風(fēng)速大都在0.95m/s以上,而且大多數(shù)井巷的斷面都大于2.5m2,故井巷風(fēng)流不會出現(xiàn)層流狀態(tài),多數(shù)完全是紊流,只有一小部分風(fēng)流可能處于向完全紊流過渡的狀態(tài)。

在完全紊流狀態(tài)下,摩擦阻力的計(jì)算公式是:

式中:h摩——摩擦阻力,Pa;

S——巷道的斷面,m2;

U——巷道的周界,m;

L——巷道的長度,m;

Q——巷道的風(fēng)量,m3/s。

對于已經(jīng)確定的井巷,巷道的長度L、周長U、斷面S以及巷道的支護(hù)形式(摩擦阻力系數(shù)α)都是確定的,把L、U、S用一個參數(shù)R摩來表示,得到下式:

式中:R摩——摩擦風(fēng)阻,N·S2/m8。

顯然R摩是空氣密度、巷道的粗糙程度、斷面積、斷面周長、井巷長度等參數(shù)的函數(shù)。當(dāng)這些參數(shù)確定時,摩擦風(fēng)阻R摩值是固定不變的。所以,可將R摩看作反映井巷幾何特征的參數(shù),它反映的是井巷通風(fēng)的難易程度。

上式就是完全紊流時摩擦阻力定律,它說明了當(dāng)摩擦風(fēng)阻一定時,摩擦阻力與風(fēng)量的平方成正比。

1.2 局部阻力

在風(fēng)流運(yùn)動過程中,由于井巷邊壁條件的變化,風(fēng)流在局部地區(qū)受到局部阻力物(如巷道斷面突然變化、風(fēng)流分叉與交匯、斷面堵塞等)的影響和破壞,引起風(fēng)流流速大小、方向和分布的突然變化,導(dǎo)致風(fēng)流本身產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊,形成極為紊亂的渦流,造成風(fēng)流能量損失,這種均勻穩(wěn)定風(fēng)流經(jīng)過某些局部地點(diǎn)所造成的附加的能量損失,就叫做局部阻力。

井下巷道千變?nèi)f化,產(chǎn)生局部阻力的地點(diǎn)很多,有巷道斷面的突然擴(kuò)大與縮小(如采區(qū)車場、井口、調(diào)節(jié)風(fēng)窗、風(fēng)橋、風(fēng)硐等),巷道的各種拐彎(如各類車場、大巷、采區(qū)巷道、工作面巷道等),各類巷道的交叉、交匯(如井底車場、中部車場)等等。在分析產(chǎn)生局部阻力原因時,常將局部阻力分為突變類型和漸變類型兩種,如圖1所示。圖中a、b屬于突變類型,c、d屬于漸變類型。

圖1 巷道的漸變和突變

紊流流體通過突變部位時,由于慣性的作用,不能隨從邊壁突然變化,出現(xiàn)主流與邊壁脫離的現(xiàn)象,在主流與邊壁間形成渦流區(qū)。產(chǎn)生的大尺度渦流,不斷被主流帶走,補(bǔ)充進(jìn)去的流體,又形成新的渦流,因而增加了能量損失,產(chǎn)生局部阻力。

2 降低礦井通風(fēng)阻力的方法

2.1 降低摩擦阻力的措施

(1)減少摩擦阻力系數(shù)。礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)時盡量選用摩擦阻力系數(shù)較小的支護(hù)方式,如錨噴、砌碹、錨桿、錨鎖、鋼帶等。施工時一定要保證施工質(zhì)量,應(yīng)盡量采用光面爆破技術(shù),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。對于支架巷道,要注意支護(hù)質(zhì)量,支架不僅要整齊一致,有時還要剎幫背頂,并且要注意支護(hù)密度。及時修復(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)選擇適中的井巷風(fēng)量。因?yàn)槟Σ磷枇εc風(fēng)量的平方成正比,因此在通風(fēng)設(shè)計(jì)和技術(shù)管理過程中,不能隨意增大風(fēng)量,各用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量在保證安全生產(chǎn)要求的條件下,應(yīng)盡量減少。掘進(jìn)初期用局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)時,要對風(fēng)量加以控制。及時調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)的工況,減少礦井富裕總風(fēng)量。避免巷道內(nèi)風(fēng)量過于集中,要盡可能使礦井的總進(jìn)風(fēng)早分開、總回風(fēng)晚匯合。

(3)選用周界較小的井巷斷面。在井巷斷面相同的條件下,圓形斷面的周長最小,拱形次之,矩形和梯形的周長較大。因此,在礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)時,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)年限不長的巷道可以考慮矩形和梯形斷面。

(4)保證井巷通風(fēng)斷面。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)井巷通過的風(fēng)量一定時,井巷斷面擴(kuò)大33%,通風(fēng)阻力可減少一半,故常用于主要通風(fēng)路線上高阻力段的減阻措施中。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,可以采用雙巷并聯(lián)通風(fēng)的方法。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。

(5)減少巷道長度。因?yàn)橄锏赖哪Σ磷枇εc巷道長度成正比,所以在礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)和通風(fēng)系統(tǒng)管理時,在滿足開拓開采的條件下,要盡量縮短風(fēng)路長度,及時封閉廢棄的舊巷和采空區(qū),及時對生產(chǎn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造,選擇合理的通風(fēng)方式。

(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,如圖2所示。采用并聯(lián)風(fēng)道的礦井通風(fēng)風(fēng)阻可用以下公式表示:

圖2 并聯(lián)風(fēng)道

式中:R并——巷道并聯(lián)后的風(fēng)阻,N·S2/m8;

R1——巷道1的風(fēng)阻,N·S2/m8;

R2——巷道2的風(fēng)阻,N·S2/m8。

顯然,R并＜R1,R并＜R2。當(dāng)主扇風(fēng)機(jī)安裝葉片角度一定時,并聯(lián)風(fēng)道法可以降低通風(fēng)阻力,改善礦井通風(fēng)系統(tǒng)。

2.2 降低局部阻力的措施

產(chǎn)生局部阻力的直接原因,是由于局部阻力地點(diǎn)巷道斷面的變化,引起了井巷風(fēng)流速度的大小、方向、分布的變化。因此,降低局部阻力就是改善局部阻力物斷面的變化形態(tài),減少風(fēng)流流經(jīng)局部阻力物時產(chǎn)生的劇烈沖擊和巨大渦流,減少風(fēng)流能量損失,主要措施如下。

(1)最大限度減少局部阻力地點(diǎn)的數(shù)量。井下盡量少使用直徑很小的鐵風(fēng)橋,減少調(diào)節(jié)風(fēng)窗的數(shù)量;應(yīng)盡量避免井巷斷面的突然擴(kuò)大或突然縮小,斷面比值要小。

(2)當(dāng)連接不同斷面的巷道時,要把連接的邊緣做成斜線或圓弧型(見圖3)。巷道拐彎時,轉(zhuǎn)角越小越好,在拐彎的內(nèi)側(cè)做成斜線型和圓弧型。要盡量避免出現(xiàn)直角彎。巷道盡可能避免突然分叉和突然匯合,在分叉和匯合處的內(nèi)側(cè)也要做成斜線或圓弧型。

圖3 巷道連接處

(3)減少局部阻力地點(diǎn)的風(fēng)流速度及巷道的粗糙程度,在巷道表面粗糙的地方應(yīng)適當(dāng)降低風(fēng)流速度以減小阻力。

(4)減少井巷正面阻力物,及時清理巷道中的堆積物,采掘工作面所用材料要按需使用,不能集中堆放在井下巷道中。巷道管理要做到無雜物、無淤泥、無片幫,保證有效通風(fēng)斷面。在可能的條件下盡量不使成串的礦車長時間地停留在主要通風(fēng)巷道內(nèi),以免阻擋風(fēng)流,使通風(fēng)狀況惡化。

3 結(jié) 論

貴州省煤礦多屬于小煤礦,設(shè)計(jì)之初由于沒有合理選擇巷道斷面、形狀及支護(hù)類型,有50%以上的礦井通風(fēng)阻力屬于中阻力和大阻力礦井,個別礦井的通風(fēng)電耗甚至占到了礦井總電耗的55%。近年來,貴州省對小煤礦進(jìn)行了技改整合,通過合理的選擇巷道斷面、形狀及支護(hù)類型。技改驗(yàn)收的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,原來屬于中阻力和大阻力的礦井75%以上都降低了阻力,通風(fēng)電耗也普遍降低到礦井總電耗的30%以下,從而提高了經(jīng)濟(jì)效益。礦井通風(fēng)阻力越大,能量消耗越大,對礦井通風(fēng)及經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生的影響越大,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,從而達(dá)到提高礦山企業(yè)效益的目的。

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2009-09-22)

楊加偉(1984-),男,貴州遵義人,助理工程師,主要從事煤礦安全設(shè)備檢測檢驗(yàn)工作,Email:yangjiawei123@qq.com。