0 引言

矿井通风系统是矿山开采的八大系统之一，直接关系到矿山的安全生产和生产效率^[1-3].由于矿井开采范围的增大、作业地点的改变、巷道的贯通和堵塞、工作面的推移等生产条件的变化，矿井风阻大小以及全矿的总需风量都会发生改变，原通风设计及风量分配均可能与实际情况不一致^[4].因此，为使矿井通风能够不断适应生产条件的变化，保持井下良好的作业环境，就需要对矿井通风系统进行调查、测定和评价^[5-9].由于不同矿山的采矿方法、开拓系统、运输系统、通风系统等不同，其通风系统的调查测定方法也有所不同，因此，论文结合实际情况，对矿井通风系统评价方法进行研究.

1 通风系统调查与测定方法 1.1 通风系统调查内容

要了解某一矿山通风系统的真实情况，需对现场进行深入细致的调查和分析，调查内容主要包括通风网络、井巷的风流方向、通风构筑物、主扇、辅扇、局扇及地点、主要漏风地点、风质等^[10].

1.2 测点布置方法

测点布置是矿井通风系统测定的重要工作，实际测定中的测点主要包括四类，即进风测点、需风测点、回风测点以及反应风量分配的重要测点.不同测点的布置方法不一样，分述如下.

(1) 进风测点.反映矿井进风的井巷主要有副井、混合井、措施井、斜坡道、直通地表的平硐等.

对于多中段同时作业的矿山，进风竖井总进风量的测定，需要在各个中段的进风石门布置测点测出，再求进入各个中段的风量之和即得该井的总进风量，进风测点布置方法如图 1所示.

(2) 需风测点.矿井需风点一般随着采矿进程的变化而变动，主要包括采矿作业面、采准作业面、充填作业面、掘进作业面、破碎硐室、维修硐室、炸药库等.需风点的布置方法可以采用直接在采矿等作业面布置测点或在其它巷道布置测点计算需风点风量的方法.对于留矿法采场需风点测点的布置方法如图 2所示，若采场内便于测定，则布置测点3就可以; 若不便于布置，则需要布置测点4和测点5，测点4的风量减去测点5的风量，即得测点3的风量.其它采矿方法类同.

(3) 回风测点.回风测点的布置主要考虑各个中段的回风量和矿井的总回风量.各个中段的回风测点应布置在该中段回风巷道的末端，如测点6.矿井的总回风量一般布置在地表的风硐内，如测点7;若风硐内情况复杂不方便布置测点，则在总回风井与各个中段相连接的回风石门处布置测点，如图 3所示.

(4) 其它测点.其它反应矿井风量分配和井下漏风的测点的布置，应根据巷道风流的方向，和各个中段之间的贯通连接情况，一般将测点布置在井巷断面规整、平直、风流比较稳定的地点.

1.3 测定的仪器

矿井通风系统测定的仪器主要有: 2RQF系列风速仪、DEM6型杯式风速仪、Leica DISTO D2激光测距仪、通风干湿仪、空盒气压计、毕托管、8252型数字压力计、PG14B型多功能钳形功率表等.

为了测定数据的准确，测定之前先要用风表校正仪对各风表进行校正，并画出校正曲线.

1.4 测定方法

矿井通风系统主要测定内容有巷道断面积、测点风速、风机风压、电机输入功率、温度、相对温度和大气压等.

测定时，矿井主扇及井下各中段辅扇应正常运行，井筒提升和巷道运输停止，通风构筑物处于正常工作状态，无爆破作业等.

(1) 巷道断面测定.巷道断面采用抛物线求积公式法测量，具体计算如式(1)所示:

(1)

式(1)中B是巷道最大宽度，/m; n是B的等分数，取n=10;h₁是初始点的巷道高度，/m; h_n+1是末尾点的巷道高度，/m; h_单是除1及n+1点外单号点的巷道高度，/m; h_n+1是除1及n+1点外双号点的巷道高度，/m.

具体测定方法为:用激光测距仪测出巷道的最大宽度，然后将宽度等分，等分的份数视巷道的宽度大小而定.再依次测出每个等分点的巷道高度，计算巷道的断面积.若无激光测距仪，则可用塔尺替代，其测定方法与激光测距仪相同.

(2) 风速测定.采用热球式风速仪或轻便杯式风速仪测定巷道的风速，测定时每个测风点重复测量2~3次，当相对误差小于5 %时，取平均值.对所有具有贯穿风流的测点要求在一个班内完成.

在测定某一测点时，先根据巷道断面积的大小，把巷道的断面划分成9个或12个面积大致相等的方格，并在其中心测量点风速，取各点风速平均值即得巷道平均风速; 查阅风速校正曲线得校正后平均风速v_s.考虑到测定过程中测定人员占据了一定的巷道断面积，因此，要对风速值进行校正，公式如式(2)所示:

(2)

式(2)中S是测点断面积，/m²; v_s是校正后平均风速，/(m·s^-1); V是实际风速，/(m·s^-1); 0.4为人体占据巷道断面的面积，/m².

(3) 风机装置风压的测定.用皮托管和压差计测出风机前后的静压差H_s，鉴于风机安装位置的不同可用公式(3)、(4)计算风机装置风压:

(a) 风机安在井下

(3)

式(3)中H_扇是风机的全压，/Pa; H_s是风机的静压差，/Pa; ρ_出是风机出口处空气的密度，/(kg·m^-3); V_出是风机出口处的风速，/(m·s^-1); ρ_入是风机入口处空气的密度，/(kg·m^-3); V_入是风机入口处的风速，/(m·s^-1).

(b) 风机安在地面作抽出式通风

(4)

式(4)中H_扇是风机的全压，/Pa; H_s是风机的静压差，/Pa; ρ_出是风机出口处空气的密度，/(kg·m^-3); V_出是风机出口处的风速，/(m·s^-1); ρ_入是风机入口处空气的密度，/(kg·m^-3); V_入是风机入口处的风速，/(m·s^-1).

这两种情况在对装置风压的测定方法上大致相同，风机安装在井下需要测出风机出口处的风速，而安装在地表的风机出口风速则可近似等于0 m/s.

(4) 电机输入功率的测定.电机的输入功率采用电流、电压、功率因数表法进行测定，并用式(5)计算:

(5)

式(5)中N是电机输入功率，/kW; U是线电压，/kV; I是线电流，/A; cosψ是功率因数.

2 通风系统评价方法

矿井通风系统一般利用基本指标、综合指标、辅助指标进行评价.

2.1 基本指标

矿井通风系统评价的基本指标主要有风速合格率、风质合格率、有效风量率、风机装置效率和风量供需比.

(1) 风速合格率采用η_υ=n/z×100 %公式计算，式中z是同时工作的需风点总数; n是风速符合《金属非金属矿山安全规程》要求的需风点数.

(2) 风质合格率采用η_c=m/z×100 %公式计算，式中m是风源质量符合《金属非金属矿山安全规程》要求的需风点数.

(3) 有效风量率采用η_u= ΣQ_u/ΣQ_f×100 %公式计算，式中ΣQ_u是各需风点的有效风量之和，即达到各需风点的新风量之和，/(m³·s^-1); ΣQ_f是主扇装置的风量，/(m³·s^-1).

(4) 风机装置效率采用η_f=[(H_f×Q_f)/(102×9.8× N×η_e×η_d)]×100 %公式计算，式中H_f是主扇装置风压，/Pa; Q_f是主扇装置风量，/(m³·s^-1); N是主扇电机输入功率，/kW; η_e是主扇电机效率, /%; η_d是传动效率，/%，直联取100 %.

(5) 风量供需比采用公式β=ΣQ_f/ΣQ_r计算，式中ΣQ_r是按设计定额计算的同时工作各作业点需风量的风量之和，/(m³·s^-1); 当1≤β≤1.67时，风量供需指数β’=100 %.

2.2 综合指标

综合指标是反应矿山通风系统好坏的一个最为直观和重要的指标，采用公式C=(η_vη_cη_eη_fβ，)^1/5×100%计算.

2.3 辅助指标

矿井通风系统评价的辅助指标主要有单位有效风量所需功率、单位采掘矿石量的通风费用、年产万吨矿石供风量及单位采掘矿石量的通风能耗.

(1) 单位有效风量所需功率采用公式W=∑W_f/∑W_rL计算，其中W_f是矿山主扇的总功率之和，/kW; W_rL是风量与流经的距离之积，/[m³·(s·百m)^-1].

(2) 单位采掘矿石量的通风费用采用公式I= ∑F/10000A计算，其中∑F是为矿山用于通风的总费用，/元; A是矿山的年产量，/万t.

(3) 年产万吨矿石供风量采用公式q=∑Q/A计算，其中∑Q是矿山总进风量，/(m³·s^-1); A是矿山年产量，/万t.

(4) 单位采掘矿石量的通风能耗采用公式E=∑F/10000A计算，其中∑F是矿山用于通风的总电耗，/kWh; A是矿山的年产量，/万t.

以上10个评价指标，能够直接客观的反应出该矿山的通风系统的现状及优劣情况.

3 应用举例

依据矿井通风系统评价指标，对某大型金属矿山进行了全面调查，并布置了若干个测点，测定结果处理后如表 1.

根据现场调查测定和评价结果看出该矿山的通风系统主要存在的问题有: ①矿井实际进风量远小于设计需风量，不能满足生产的需要，导致多个作业面风量严重不足，不仅影响生产，而且不利于作业人员的身体健康; ②矿井的通风构筑物不够完善，风量分配不合理，且矿井漏风量大，使得矿井的有效风量率偏低; ③主扇工作效率低，小于国家规定60 %的基本要求; ④作业污风停滞、串联或循环的现象十分严重，导致作业面的风流质量差，风质合格率偏低.

针对矿山所存在的问题，建议采取更换主扇、完善通风构筑物、清理回风道，减少局部通风阻力等措施，以改善矿井的通风效果.

4 结束语

矿井通风系统测定和评价是矿山通风系统改造和优化的前提和基础，对能否正确合理地进行通风系统改造和优化有着指导性的作用和意义.因此，矿山要根据矿井生产的变化情况，不定期对矿井通风系统进行调查和测定，及时发现系统中存在的问题，并分析其原因，提出更好的通风系统完善方案，确保矿山持续安全生产.