深部开采条件下煤矿通风阻力分布规律及降阻技术研究

1 深部开采条件下煤矿通风面临的难题

1.1 地应力影响巷道变形

深部地应力显著增大，致使巷道围岩变形严重。巷道的收缩、扭曲等变形现象，使得通风断面减小，通风阻力大幅上升。相关研究表明，当巷道变形率每增加 10% ，摩擦阻力系数λ上升 0.015-0.025，实测最大可达0.035（对照浅部 0.012-0.018）。这种因巷道变形导致的风阻增加，严重影响了通风系统的正常运行。

1.2 高温环境改变空气特性

深部岩温梯度通常为 2.5-4.5^∘C/100m ，使得工作面进风温度可达30-35^∘ °C。高温环境下，空气密度降低，动力粘度增加。实测数据显示，温度每升高 10^∘ C，空气密度下降约 3.5% ，动力粘度增加约 2.8% 。空气特性的改变，不仅影响风流的流动状态，还增加了通风阻力，同时给井下作业人员带来不适，影响工作效率。

1.3 瓦斯含量增加通风要求提高

随着开采深度的增加，瓦斯含量呈上升趋势。为了稀释和排出瓦斯，确保井下作业安全，需要更大的通风量。然而，通风阻力的增大又限制了通风量的有效供给，这就对通风系统提出了更高的要求，如何在高阻力情况下实现足够的通风量成为亟待解决的问题。

2 煤矿通风阻力分布规律分析

2.1 通风阻力的构成

煤矿通风阻力主要由摩擦阻力和局部阻力构成。摩擦阻力是风流沿巷道流动时，由于空气与巷道壁以及空气分子之间的摩擦而产生的阻力，其大小与巷道长度、粗糙度、断面形状和尺寸以及风流速度等因素有关。局部阻力则是风流在经过巷道的转弯、分叉、汇合以及各种通风设施（如风门、风窗等）时，由于风流速度或方向的突然改变而引起的阻力。

2.2 深部开采通风阻力分布特点

2.2.1 巷道变形对摩擦阻力的影响

在深部开采中，巷道变形严重影响摩擦阻力。变形后的巷道，其实际通风断面减小，周边相对粗糙度增大，导致摩擦阻力系数增大。例如，某深部软岩巷道月均收缩率可达 0.8%-1.5% ，对应风阻年增长 15%-25% 。随着巷道长度的增加，这种因变形导致的摩擦阻力累积效应愈发明显，成为深部通风阻力的重要组成部分。

2.2.2 支护结构对局部阻力的影响

支护结构的突变处是产生局部阻力的关键位置。在深部巷道中，不同支护方式的衔接处、支架的安装位置等，都可能导致风流的突然变化，从而产生较大的局部阻力。实测数据表明，支护结构突变处局部阻力损失占比超 40% 。例如，在巷道支护方式从锚杆支护转变为U 型钢支护的过渡段，风流受到强烈干扰，局部阻力显著增加。

3 降阻技术研究

3.1 巷道优化设计

3.1.1 合理选择巷道断面形状

巷道断面形状对通风阻力有重要影响。在深部开采中，应尽量选择通风阻力小的断面形状。圆形巷道的周边相对粗糙度最小，通风阻力也最小，但在实际施工中，矩形巷道因其便于施工和布置设备而应用广泛。对于矩形巷道，可通过优化宽高比来降低通风阻力。理论分析表明，当矩形巷道宽高比接近1.6 时，通风阻力相对较小。

3.1.2 控制巷道长度和转弯次数

在满足开采需求的前提下，应尽量缩短巷道长度，减少不必要的转弯。巷道长度的增加会使摩擦阻力线性增加，而转弯则会产生局部阻力。例如，某铁矿主回风巷实测数据显示，当巷道长度从 1500m 增至 3000m 时，单位长度阻力增加 18%-22% 。因此，在巷道设计阶段，应充分考虑开采布局，优化巷道走向，减少通风线路中的迂回和曲折。

3.2 巷道维护与修复

3.2.1 及时修复变形巷道

对于已经变形的巷道，应及时进行修复，恢复其通风断面。修复方法包括扩刷巷道、更换支护等。通过扩刷巷道，可以增大通风断面，降低摩擦阻力。例如，某深部矿井对变形严重的巷道进行扩刷后，通风阻力降低了约 30% 。同时，应根据巷道的地质条件和变形情况，选择合适的支护方式，确保巷道的稳定性，减少后期变形。

3.2.2 采用新型支护材料与技术

新型支护材料和技术的应用可以有效控制巷道变形，降低通风阻力。如采用高强度锚杆锚索支护、可缩性支架等，能够提高巷道的承载能力，适应深部地应力环境。此外，一些新型的支护材料，如具有良好柔韧性和自适应性的材料，能够更好地与巷道围岩协同变形，减少因支护结构与围岩不匹配而产生的局部阻力。

3.3 通风设施优化

3.3.1 合理布置风门、风窗等设施

风门、风窗等通风设施的布置应遵循风流稳定、阻力最小的原则。在布置风门时，应尽量选择在风流平稳、巷道规整的位置，避免在风流急转弯处设置。风窗的面积和位置应根据实际通风需求进行精确计算和调整，以确保在调节风量的同时，将局部阻力控制在最小范围内。

3.3.2 采用低阻力通风设备

选用低阻力的通风设备，如高效风机、新型风筒等，可以有效降低通风系统的总阻力。高效风机具有更高的效率和更合理的叶片形状，能够在提供足够风量的同时，降低自身的能耗和阻力。新型风筒采用光滑的材料制作，其内壁粗糙度小，可减少风流在风筒内流动时的摩擦阻力。

3.4 通风系统智能调控

3.4.1 实时监测通风阻力

利用传感器、物联网等技术，实时监测通风系统中各关键位置的通风阻力、风速、风压等参数。通过建立通风阻力实时监测模型，对采集到的数据进行分析和处理，及时发现通风阻力异常变化的区域和原因。例如，基于数字孪生的实时风网解算技术，响应时间 <5s ，较传统SCADA 系统提升20 倍，能够快速准确地反映通风系统的运行状态。

3.4.2 动态调整通风参数

根据实时监测的数据，运用智能控制算法，动态调整通风机的转速、风门的开度等通风参数，以实现通风系统的最优运行。深度强化学习算法在风门协同控制中实现能耗降低 12%-15% ，通过对大量数据的学习和训练，能够根据通风系统的实际需求，精准地控制通风设施，在满足通风要求的同时，降低通风能耗和阻力。

结语：

综上所述，深部开采条件下，煤矿通风阻力分布规律受到多种复杂因素的影响，通风面临诸多难题。深入研究通风阻力分布规律，采取有效的降阻技术，是保障深部煤矿安全生产、提高开采效率的关键。通过巷道优化设计、维护与修复、通风设施优化以及通风系统智能调控等一系列降阻技术的综合应用，可以显著降低通风阻力，提高通风系统的稳定性和可靠性。然而，深部开采环境复杂多变，通风阻力问题仍需进一步深入研究，不断探索新的降阻技术和方法，以适应深部煤矿开采的发展需求。

参考文献：

[1]崔联兵，景剑峰.经坊煤矿通风系统优化改造方案选择[J].中国煤炭工业，2013，（07）：28-29.

[2]崔海威.东山煤矿通风系统改造方案优化[J].中国矿山工程，2011，40（03）：54-56.

[3]吴炳火.鸣山煤矿深部开采高温防治的思考与对策[J].江西煤炭科技，2011，（02）：12-13.