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比较美国煤矿矿井通风系统的效率
摘 要
随着能源消耗的加剧，提高煤矿通风系统的效率成为了一个日益重要的课
题。因为通风机的耗能占了煤矿能耗的一大部分，因此建立一个高效的通风系统是煤矿主动降低生产成本的重要途径。通常，衡量矿井通风系统效率的方法是计算其容积效率，简记作用于矿井生产的有效风量占矿井总风量的比例。这个衡量标准的目的是用数据来对美国的矿井通风系统做一次全国性的比较。这项研究的成果旨在揭示当今煤矿通风系统的效率以及哪些因素可能导致矿井通风系统效率的或高或低。
容积效率的定义
矿井通风系统的容积效率定义为矿井的有效风量与矿井总风量的比值。大家
对“有效风量”的组成还是众说纷纭。McPherson把有效风量定义为：“到达工作面的风和那些用于稀释例如：机电硐室、水泵房和充电站等硐室内空气的风的总和”。然而，Hartman则认为有效风量包括总回风石门风量和带区内风量的总和。
本次研究中，我们认为矿井空气中的有效风量包括用于稀释工作面空气的风，还有用于主要生产设备（例如机电硐室、泵房以及充电站等）用风点的风量之和。在确定矿井主要风机总风量和矿井有效风量总和之后，下列公式可以用来计算矿
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井通风系统效率。
通风系统效率?矿井有效风量?100% （1）
主要风机总风量通风系统效率值会在一个很大的范围内波动。McPherson的陈述中透露通风效率值可以从75%降至10%。本次研究中，矿井通风系统的效率值在14.5%到71.6%的范围内。当矿井通风系统的效率值在一个较低的水平时，意味着主要通风机鼓出的大量的风没有起到作用，导致了大量潜在的能源浪费。
导致通风系统效率降低的因素
造成容积效率低下最主要的两个因素包括漏风和流经废弃工作面、采空区而
损失的风。
由于石门和填充物而产生的漏风可以通过改善矿井的建设以及加强维护来实现最小化。然而，无论矿井建设的质量有多么棒，在那些使用了大量填充物的矿井中想要避免漏风是不可能的。另外，随着通风机风压上升，漏风也自然而然的就会增多，因此，在高风压风机的矿井中更易于产生漏风。在矿井中减少漏风的一个可靠的方法是尽量避免入口处风流流向正相反的方向。这可以通过设置中立的一个甚至多个入口来分流、重建风路或者借助于防水煤柱来分流和重建风路来实现。当然，这需要在矿井的规划阶段就结合矿井通风系统来进行设计，但是这样的规划会在将来的矿井生产中节省大量通风机的运行费用。
新建矿井往往比进行了长时间生产的矿井在计算通风效率值上更有优势。在那些老矿井中，不仅密封条件老化而产生大量漏洞，而且其本身就存在大量煤矿采空区。当处理这些先前为房柱式采煤法或长壁式采煤法的采空区时，从法定规程上讲，必须要先用水冲洗矿井巷道，然后将其封住。由于分流到废弃工作面和被封区的风不计入有效风量。因此，拥有大量旧巷道和密封区的煤矿往往会得到一个相对较低的通风效率值。
数据分析
通风系统的数据从遍布全国范围内各地区的23个煤矿搜集而来，这些地区主要包括：阿巴拉契亚中部和北部、西肯塔基、伊利诺斯盆地、西山地区和圣胡安盆地。在这23个煤矿中，有11个煤矿采用的是长壁采煤法，另外12个煤矿采用的是房、柱式采煤法。这23个煤矿不仅在分布地区上大相径庭，而且在规模
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上也有很大差异，小到总风量为139700立方英尺每分钟的房、柱式煤矿，大到总风量为1150000立方英尺每分钟的长壁式煤矿。这些数据制成图表1，如下：
表一、不同型号矿井的总风量
矿井类型 矿井总数 矿井总进风量 (kcfm) 最小 平均 最大 长壁式 房、柱式 合计 11 12 23 270.0 139.7 139.7 686.6 332.1 551.2 1150.0 525.0 1150.0
下面是从所有煤矿搜集的信息，包括所有计算通风系统效率必需的数据。 ● 矿井类型 ● 主要通风机风量
● 最后回风石门和回风井的风量 ● 充电站、机电硐室及泵房的风量总和
长壁式煤矿通风系统的效率和房、柱式煤矿通风系统的效率有着显而易见的差异。统计数据显示，房、柱式采煤法的矿井通风系统效率有着较高的平均值。房、柱式采煤法矿井平均利用风量占总风量的44.4%，相反，长壁式采煤法的矿井的利用率只有33.9%。这个结果由图表2显示如下：
表二、不同类型矿井的容积效率
矿井类型 矿井总数 容积效率 (%) 最小 平均 最大 长壁式 房、柱式 11 12 14.5% 23.1% 33.9% 44.4% 65.0% 71.6% - 3 -
总计
23 14.5% 38.3% 71.6% 下面的图表显示了在不同效率范围的矿井分布情况。例如，图表显示，在20%-30%范围内的矿井数最多，为8个。
987654321010%-20 %-300%-40@%-50P%-60`%-70p%-80%Volumetic Effiency Range数据一：不同效率值的矿井数量分布图
根据所有煤矿通风系统的效率平均值，长壁式采煤法矿井和房、柱式采煤法矿井都可以用一下图来表示其风量利用分布。正如我们所预想的一样，绝大多数有效风量都用来为工作面服务，而只有非常少的一部分通风用于矿井设备。 下面就是收集到的用于矿井工作设备的风量的清单： ● 长壁工作面数量和连续工作的矿工组数 ● 缝隙的平均高度 ● 主要通风机的工作风压 ● 进入煤壁的风 ● 矿井密封处的大体数目
用于调查研究的所有收集到的相关数据都支持容积效率和矿井有关参数有关系。最明显的是全风压时期的容积效率，一个可以想到的事实是高风压将会产生更多的漏风进而降低矿井容积效率。下面的图表阐述了通风机作用和容积效率的
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