矿井通风设施外部漏风的检测方法研究①

焦殿志 彭 辉 王建军 朱 峰 王志亮

(1.安徽皖北煤电集团公司五沟煤矿，安徽 淮北 235157;2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

矿井通风设施外部漏风的检测方法研究①

焦殿志1②彭 辉1王建军1朱 峰1王志亮2

(1.安徽皖北煤电集团公司五沟煤矿，安徽 淮北 235157;2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

矿井外部漏风率大小是衡量主要通风机运行状况和通风管理水平的重要指标之一，其测定方法的选择是现场技术人员进行漏风测定时面临的首要问题。依据矿井通风原理，分析了各种外部漏风测试方法的原理、步骤、适用条件。以五沟煤矿外部漏风测定为实例，论述其方法选择的依据和过程。现场测试结果表明:在1#风机和2#风机运行状态下矿井外部漏风率分别为8.4%和7.85%，其中备用风机的装置漏风是主要的漏风源，必须采取有针对性的措施予以治理。测试结果对消除矿井漏风隐患、优化矿井通风系统提供科学的现场依据。

外部漏风率;测定方法;漏风源;通风设施

矿井外部漏风既是影响矿井通风系统合理运行的因素之一，也是衡量矿井主要通风机运行状况和通风管理水平的一个重要指标。矿井外部漏风会引起电能的无谓消耗，增大主要通风机设备的容量，如果风流短路漏风严重时，会引起主通风机工作风量剧增，电机产生过负荷现象，造成严重通风事故;同时漏风风路构成了矿井通风网路的组成部分，必然会造成通风系统复杂化，因而会使通风系统的稳定性、可靠性及抗灾能力受到一定程度的影响，并增加矿井风量调节的困难［1-2］。因此，减小漏风量，提高矿井的有效风量，是搞好通风安全工作的基础，更是保证矿井安全生产的关键。《煤矿安全规程》明确要求:无提升设备时矿井外部漏风率不得超过5%，有提升设备时不得超过15%。矿井外部漏风的测定方法较多，针对具体矿井首先需要明确不同方法的特点及适用条件，然后结合本矿通风系统、主要通风机运行状况、外部漏风通道、参数测定方法等现场因素来制定具体实施方案［3-6］。因此，选择适用于本矿的外部漏风测试方法，是现场通风技术人员进行外部漏风测定时面临的首要问题。

1 外部漏风测试方法分析

1.1 风表直接测定法

1)原理:在风硐内选取适当的断面测得主要通风机工作风量，同时在井下总回风道内选取合适的测点测得总回风量，通过二者之差可计算出矿井外部漏风量和漏风率。

2)测定步骤:首先在通风系统图上合理布置测点，并按顺序编号;现场实地勘察测点状况，若测试条件不满足布点要求，可作调整。沿预先布置的测点，对断面、风速、温度及压力等参数进行测量，测定过程中应注意观察测段内的巷道状况、积水和杂物，并进行记录。现场测试完成后进行数据处理，计算矿井外部漏风量。

3)特点:该方法操作方便，计算简单直观，若测定误差在允许范围内，可作为矿井日常的外部漏风率测试方法。但受主要通风机辅助设施布置方式和风速的限制，在某些矿井难以现场实测通风机排风量，因此无法准确计算出外部漏风量和漏风率。

1.2 瓦斯等值法

1)原理:根据同一时间矿井总回风与矿井主通风机排出的绝对瓦斯涌出量相等的原理来进行测定，外部漏风虽然增大了主通风机的排风量，但矿井总的瓦斯绝对涌出量未变。

2)测定步骤:依据矿井回风大巷和回风井的具体布置方式，选择井下合适地点测定矿井总回风量、瓦斯浓度及大气物理参数;在风机入口或扩散器口测定主要通风机的瓦斯浓度及大气物理参数。通过计算可求出矿井外部漏风量。

3)特点:等值测定法的优点在于不需在风硐或扩散器口测定风量，比较安全，若气体浓度分析正确则计算准确，误差相对较小，特别是在扩散器口风量无法准确测定的条件下，应用等值测定法能取得较好效果。但该方法的关键是能准确采集有代表性的气样，并且气体浓度检测需要采用气相色谱仪分析至ppm数量级。因此应用等值法测定矿井外部漏风量需具备以下几个基本条件:①待测气体浓度尽可能大且分布均匀，采集的气样具有代表性;②高精确度的检测仪器;③总回风巷道至风机扩散器口之间没有被测气体涌出。

1.3 示踪气体法

1)原理及步骤:其测试原理为在井下总回风大巷中连续、定量释放示踪气体，当风流带着示踪气体流入回风井时，若矿井存在外部漏风，则风硐内风量增加，当携带有示踪气体的风流由主通风机排出地面时，示踪气体的浓度必然降低，通过取样并检测示踪气体浓度的降低值即可计算出矿井的外部漏风量。

2)特点:该方法存在两个关键点，一个是示踪气体的释放，要求释放装置能连续定量地释放示踪气体，释放装置工作原理简单，操作方便，释放量要依据回风量、巷道断面、外部漏风量及色谱仪的合理检测范围而定，释放前需用皂膜流量计校正仪器;第二个是取样，要求风流将示踪气体充分混合后，在巷道有代表性的地点取样，为保证取样的合理性，应在巷道的上、中、下分别取样分析，取其平均值进行计算。因此，该方法测定矿井外部漏风率的精度主要取决于释放装置的释放流量和取样点的浓度分布是否均匀。在现场采用该方法测定时，需提前做多次试验来确定示踪气体释放量、采样时间、采样位置等参数，准备工作较为繁琐。另外还存在示踪气体可能被风井及风硐内含有机玻璃、内聚乙烯等物质的支护材料所吸收等问题，这些问题的存在将对该方法带来操作上的不便及一定的误差。

1.4 精密测风仪表法

1)原理及步骤:利用主要通风机性能鉴定时，将精密测定仪器布置在风机的集风器或扩散器内，当主要通风机恢复到正常工作状态，待风流稳定后同时测定主要通风机的排风量和井下总回风量，根据二者风量之差求出矿井外部漏风量。

2)特点:该方法测量准确，操作简单，适用于在风机性能鉴定时进行测定，但需要停开主要通风机，当外部漏风量变化后若再采用该方法，则影响生产;同时井下各掘进地点恢复正常通风后需要排放瓦斯，存在一定不安全因素。因此，该方法可在风机性能鉴定时作为附属的一项测试内容，不适于日常外部漏风量的测定。

1.5 漏风路线风阻法

1)原理及步骤:将矿井外部漏风的每一条漏风路线视为与矿井通风网路相并联的分支，若能采用其它方式预先求得每条漏风路线的风量，则按照并联风路阻力平衡定律可得出每条漏风路线的风阻，在以后的矿井外部漏风量计算中，则可方便的由风机排风量和风机房水柱计压力直接计算出每条漏风路线的漏风量。其计算公式如式(1):

式中:Q漏为每条外部漏风路线的漏风量，m3/s;h静为主要通风机装置的静压，Pa;R漏为每条漏风路线的风阻，N.S2/m8;h水为风机房水柱计压力值，Pa;h速为风硐内水柱计承压口处的风流速压，Pa;ρ为风硐内水柱计承压口处的空气密度，kg/m3;V为风硐内水柱计承压口处的风流速度，m/s;

2)特点:该方法需预先测出每条漏风通道的漏风风阻，然后在风硐构筑物没有发生较大变动的条件下，可在任何时候方便的计算出每条漏风通道的漏风量和漏风率。该方法计算简单方便，分析全面，适用于对本矿井的外部漏风源及漏风通道非常明确的矿井，同时漏风量计算人员必须具备较为扎实的通风理论知识。

1.6 风机房水柱计法

1)原理及步骤:为更加方便直观地确定风机工况点，从而确定风机排风量，将主要通风机静压特性曲线转化为水柱计特性曲线，从而可由风机房的水柱计压力值直接得出风机的排风量，井下的总回风量实测得出后，即可求出矿井外部漏风量和漏风率。

2)特点:该方法前期需要做一定的风机性能曲线转化工作，后期应用非常简单方便。需要指出的是，必须使用实测风机特性曲线。《煤矿安全规程》规定，主要通风机性能鉴定每5年进行一次，在此期间，若风机运转正常，没有发生过较大变化则此曲线可以使用，否则应重新测算风机性能特性曲线。在风机性能鉴定时可同时做出风机水柱计特性曲线，为今后计算矿井外部漏风率提供方便。

2 应用实例

2.1 矿井通风概况

五沟煤矿位于淮北市濉溪县境内，矿井设计生产能力60万t/a，2009年矿井核定生产能力为150万t/a。矿井通风方式为中央并列式，通风方法为抽出式，主、副井进风，风井回风。矿井主要可采煤层72、81、82、10 均有自然发火倾向性，都属Ⅱ类自燃煤层;煤尘均具有爆炸危险性。矿井72、81、82煤为突出煤层，自然瓦斯含量分别为10.03 m3/t、8.50 m3/t、3.56m3/t;10煤为无突出危险煤层，自然瓦斯含量为1.08m3/t。依据2011年8月矿井组织的瓦斯等级鉴定，矿井需要风量7440 m3/min，实际总进风7956m3/min，总回风8032 m3/min，矿井排风量8470m3/min，矿井静压2180Pa，全矿瓦斯平均绝对涌出量2.76m3/min，平均相对涌出量0.99m3/t，全矿二氧化碳平均绝对涌出量5.28 m3/min，平均相对涌出量1.90m3/t。为摸清五沟矿外部漏风具体现状，优化主要通风机工况参数，降低通风费用，消除漏风安全隐患，提高通风管理水平，本矿决定对外部漏风进行准确测定。

2.2 五沟矿外部漏风量测定方法确定

风表直接测定法虽然测定过程比较繁琐，但测定结果准确，适用范围广，五沟矿具备测定的条件;瓦斯等值法不需要测定风机的排风量，若能准确取样分析，则可为今后的外部漏风测试提供简单方法，但依据五沟煤矿2011年度8月份进行的瓦斯等级鉴定结果，全矿井绝对瓦斯涌出量2.88 m3/min，矿井总排风在9000m3/min之上，虽然本矿具备测试条件，但预计瓦斯浓度变化不明显，本次测定不采用该方法;示踪气体法测定过程较为复杂，同时受到外界各种干扰因素影响较多，误差较大，暂不采用;精密测风仪表法适用于风机性能测试时期，该矿目前不具备测试条件;漏风路线风阻法需预先准确测定出每个漏风通道的漏风量，然后才能计算出漏风通道的漏风风阻，本次测定将计算出各条漏风源的漏风风阻;风机房水柱计法的前提是必须有现行风机的性能特性曲线，该矿2010年进行的性能检测只对不同叶片角度下单一工况点进行测试，没有给出风机详细的工作特性曲线，因此不具备测试条件。

通过对矿井外部漏风量各种测定方法的对比和分析，结合该矿主要通风机及附属设施的实际布置，本次外部漏风测定采用直接测定法为主、漏风路线风阻法验证的实测方法体系。

2.3 测试方案及结果

2.3.1 测试方案

测定方法确定后，按照矿井通风现状制定详细的现场测定实施方案。依据五沟矿主要通风机及附属设施的实际布置，按照矿井总回风的流动路线和外部漏风源分布，矿井外部漏风量测定划分为三个区域，即井下回风大巷区、地面风硐区和主扇扩散器排风口。其中地面风硐区是本次测定的重点地段，也是矿井外部漏风通道的主要区域。经现场考查并与矿方通风技术人员充分探讨后，地面风硐区共布置5个测点，测点布置位置及编号见图1所示。

图1 地面风硐区测点布置位置及编号示意图

其中1号测点布置在1#风机的两道检修门之间，用于测定检修门的漏风;2号测点布置在1#风机导风门前3m处，当1#风机运行时该测点用来测定风硐处的总风量，当2#风机运行时该测点用来测定1#风机的漏风量;测点3、4分别与测点1、2对称布置，作用相同;测点5布置在安全出口靠近内侧的两道风门之间，用来测定安全出口的漏风量。

2.3.2 测试结果

对所测参数进行现场实测和数据整理，可得在不同风机运行状态下各漏风通道的漏风量及漏风风阻，详见表1所示，两台风机分别运行状态下漏风率对比见图2所示。

表1 不同风机运行状态下漏风量与漏风风阻计算表

图2 不同风机运行状态下矿井外部漏风量对比图

3 结论

1)结合五沟矿生产实际，适用于该矿日常外部漏风测定的方法为直接测定法和漏风路线风阻法。实测结果表明:在1#风机运行状态下，矿井总回风8811 m3/min，风机排风量9620 m3/min，外部漏风量809 m3/min，外部漏风率8.4%;在2#风机运行状态下，矿井总回风8617 m3/min，风机排风量9351 m3/min，外部漏风量734 m3/min，外部漏风率7.85%。按照《煤矿安全规程》的要求:无提升设备时矿井外部漏风率不得超过5%。目前该矿两台风机在正常运行期间的外部漏风率均以超过此规定，需采取措施进行治理。

2)五沟煤矿的外部漏风通道为:安全出口、两道连接风硐的检修门、备用风机装置漏风、防爆门及地面裂隙。在1#风机运行状态下，漏风量最为严重的是2#备用风机，其漏风量达625m3/min，漏风比例为77.3%。其次为防爆门及地面裂隙漏风，漏风量为107 m3/min，漏风比例为13.2%;在2#风机运行状态下具有相同的漏风特性，此时1#备用风机漏风量 517 m3/min，漏风比例为70.4%。防爆门及地面裂隙漏风量为136 m3/min，漏风比例为18.5%。由此可讲，外部漏风治理的主要对象应集中于两个方面:一是备用风机的装置漏风，二是防爆门及地表裂隙的漏风。

3)五沟矿目前的风机性能检测只对不同叶片角度下单一工况点进行测试，没有给出两台风机详细的工作特性曲线，建议该矿对风机性能进行全面系统的测试，详细绘制出不同叶片角度下的风机性能曲线，为矿井通风提供必要的技术依据。在此前提下，可绘制出水柱计与风机排风量的特性曲线，由此该矿日常的外部漏风测试也可采用风机房水柱计法来计算。

［1］ 杨胜强，刘殿武.通风与安全［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2009

［2］ 王德明.矿井通风与安全［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2007

［3］ 王怀珍，孙文标.通风瓦斯常用数据测量实用手册［M］.北京:煤炭工业出版社，2010

［4］ 倪文耀.抽出式通风矿井外部漏风率的正确测算法［J］.中国安全科学学报，2004，14(4):90-92

［5］ 张军，叶建军.等值法测定矿井外部漏风率［J］.矿业安全与环保，2004 ，31(增刊):9-10

［6］ 刘智阔，王启海.利用示踪气体测定矿井的外部漏风［J］.煤矿安全，2000 ，31(5):20-21

(1.Wugou coal mine Anhui wanbei coal and electricity group，Huaibei Anhui235157;2.Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

Research on mensuration method of ventilation equipment external air leakage

JIAO Dianzhi1，PENG Hui1，WANG Jianjun1，ZHU Feng1，WANG Zhiliang2

It is one of signify indexes to evaluate running status of main fan and mine ventilation management level for external air leakage ratio，and the selection of mensuration methods is the chief issue for technique personnel when mensurating external air leakage.In term of coal mine ventilation theory，those characteristics were analyzed for various mensuration methods such as the principle，process，and applying condition.As a example of external air leakage mensuration of wugou mine，the gist and process of selecting mensuration methods was discussed.The result showed that mine external air leakage ratio was 8.4%and 7.85%respectively corresponding 1#fan and 2#fan running，equipment air leakage of spare fan was the most primary air leakage fountainhead，so specific measures must be applied to reduce air leakage.The research conclusion will provide scientific field reference for eliminating air leakage hidden trouble and optimizing mine ventilation system.

external air leakage ratio;mensuration method;air leakage fountainhead;ventilation equipment

TD728

A

1672-7169(2012)03-0031-05

2012-05-16。基金项目:中央高校基本科研业务费资助(项目编号:AQ1201B)。

焦殿志(1972-)，男，安徽淮北人，硕士，工程师，安徽皖北煤电公司五沟煤矿总工程师。