第十三届全国矿山救援技能竞赛

矿山组技术员应用题笔试样题

第十三届全国矿山救援技能竞赛组委办

2025年8月

目 录

一、巷道风流运移规律	1

二、气体分析	3

三、人员生存时间估算	6

四、火风压计算	8

五、爆炸冲击波衰减计算	9

六、管路最大注惰量计算	12

一、巷道风流运移规律

（一）规则

掌握伯努利方程的基本原理，能够应用该方程分析巷道内风流特性。掌握巷道摩擦阻力系数、风阻等基本概念及其对风流运移的影响。掌握串联、并联、角联分支巷道内风量分配，分析巷道内风阻变化对通风网络内风量分配的影响。掌握通风机工作基本原理及性能曲线。

（二）样题

某矿通风系统为抽出式通风，如图1所示，进风井与回风井的井口标高相同，在通风机风硐中安设有静压管与通风机房的U型管压差计相连接，压差计的读数Δh=2300Pa，该处断面S=9m2，流经风硐的风量Q=5400m3/min。入风井筒深度ZAB=300m，其空气密度ρ1=1.25kg/m3；回风井筒深度ZCD=250m，其空气密度ρ2=1.15kg/m3，两井筒间巷道中的空气平均密度ρ3=1.23kg/m3。巷道a的风阻Ra=0.1Ns2/m8，Rb=0.2Ns2/m8，若巷道a的需风量为Qa=3600m3/min，假设矿井总风量不变，请分析在哪条巷道布置风窗才能满足巷道a的需风量，并计算风流流经风窗的阻力损失？计算风流流经矿井克服的总阻力为多少？

图1 某矿通风系统

答：（1）由于矿井总风量Q=5400m3/min，巷道a的需风量Qa=3600m3/min，则巷道b的风量应为Qb=Q-Qa=1800m3/min

巷道a的风流阻力

巷道b的风流阻力

由于并联分支的阻力相等，当前Ha>Hb，故风窗应建在巷道b内

故风流流经风窗的阻力为180Pa。

（2）由于巷道两井口标高相同，巷道AB的空气密度最大，因此自然风压（ ）作用力与风机作用力一致，根据机械能守恒方程可知：

因此：

矿井风流总阻力为2497.30Pa。

二、气体分析

（一）规则

熟悉矿井内常见气体成分及其危害性，能够进行灾变气体关联性分析。能够根据气体变化对矿井火区内火势大小及可燃气体爆炸性进行分析。掌握常见气体检测设备基本原理及优缺点。

（二）样题

假设封闭火区体积一定，体积为V m3，气体不可压缩，火区内各种气体能够在极短的时间内充分混合，且无化学反应，根据气体体积守恒，进入火区气体同时会有等量气体流出火区。封闭空间内N2浓度为C1，O2浓度记为C2，CH4浓度为C3，封闭火区的空气漏风量为Q0 m3/min，N2的注入流量为Q1 m3/min，CH4的绝对涌出量为Q2 m3/min，流出火区的气体流量为Q3=Q0+Q1+Q2。火区中各种气体组份浓度的变化随时间的函数可用下式表示：

假设初始时刻t=0时，N2浓度为C10，O2浓度为C20，CH4浓度为C30，则：

（1）

（2）

（3）

某煤矿可采煤层为15#煤层，倾角3°～ 5°，平均厚度为6m。矿井属低瓦斯矿井，易自燃煤层，自然发火时间最短为36d。该矿1201工作面宽120m，工作面瓦斯绝对涌出量为6m3/min，工作面配风量1000m3/min。开采方式为综采放顶煤，采煤机割煤高度3m，放顶高度约3m，2024年10月27日1201工作面推采至800m处，上隅角CO体积分数急剧升高，根据束管监测，当日八点班至四点班采空区CO体积分数从正常体积分数上升至120×10-6，截至29日八点班CO体积分数达到370×10-6，经过10月28日至11月6日10天的现场治理，1201综放面上隅角CO体积分数上升得到抑制，但是CO体积分数仍然较高，决定对工作面临时封闭。

工作面于11月7日进行封闭，封闭位置为工作面上、下巷道距离巷口20m处，封闭巷道总长度约为500m，巷道断面为9m2，工作面宽120m，高3m，从煤帮到尾梁长度为16m，采空区内的未压实区走向约20m，采空区孔隙率为0.5，工作面于11月7日凌晨3:00开始封闭，此时CCH4=0.4%，CO2=19.9%，预计3:30完成封闭（封闭过程中的平均供风量为200m3/min）。请从气体浓度角度分析封闭过程中是否具备瓦斯爆炸条件？假设封闭火区无漏风，则封闭火区多长时间后气体浓度不再具备爆炸条件？

答：封闭火区的体积为

根据公式（2）和公式（3）可知,在封闭完成时，氧气和瓦斯浓度值分别为

因此，根据理论计算可知瓦斯浓度未达到爆炸极限。（注：该题为理论计算题，真实救灾过程中为了评估瓦斯爆炸风险还需综合考虑火源位置、瓦斯涌出源位置、漏风量及注惰量等参数）。

为了计算封闭火区多长时间后会失去爆炸风险性，需要将公式（2）和公式（3）进行变换，可知

（4）

（5）

由于瓦斯爆炸需要满足的气体条件是瓦斯浓度为5%～15%，氧气浓度大于12%，因此，需要分别计算封闭火区内氧气浓度降到12%、瓦斯浓度上升到5%和15%的时间。将已知条件代入公式（4）和公式（5）可知。

综上，封闭火区内瓦斯浓度超过爆炸下限的时间为88.01min，氧气浓度小于12%的时间为1188.26min，因此根据理论计算可知，封闭火区343.96min后不再具备爆炸条件。（注：该题为理论计算题，真实救灾过程中为了评估瓦斯爆炸风险还需综合考虑火源位置、瓦斯涌出源位置、漏风量及注惰量等参数）。

三、人员生存时间估算

（一）规则

基于氧气（O2）及二氧化碳（CO2）含量，计算遇险人员在灾害环境中的生存时间。掌握不同气体浓度对人员生存时间的影响。

（二）样题

某矿井发生突水事故，5名矿工紧急撤至独头巷道等待救援。独头巷道的空间体积约为100m³，无其他通风措施，无其它有害气体涌出，初始环境中O2浓度为21%，CO2浓度为1%。避难期间，矿工呈现休息状态，每人每分钟耗氧量0.2L，每人每分钟CO2产生量为0.18L。假设空气中O2降至12%、CO2浓度升至10%时为最低生存极限（按两者中的较小值取）。矿工在避难过程中如果开展自救措施，开展有不同劳动强度状态时的每人每分钟耗氧量和CO2产生量如下表1。

表1 不同劳动强度状态时的每人每分钟耗氧量和CO₂产生量

劳动强度	O2消耗量（L/min）	CO2产生量（L/min）
休息	0.2	0.18
轻劳动	0.6	0.54
中度劳动	1.2	1.08
重劳动	1.8	1.62
已知：在密闭空间无其他供风措施，也无其它有害气体涌出时，

基于O2变化计算生存时间：

基于CO₂变化计算生存时间：

式中： 为基于O2变化计算生存时间，h；

为基于CO₂变化计算生存时间，h；

V为避难空间体积，m3；

N为避险人数，人；

CO2为初始环境O2浓度，%；

CCO2为初始环境CO2浓度，%；

qO2每人每分钟O2产生量，升/人/分钟；

qCO2每人每分钟CO2产生量，升/人/分钟。

求：（1）估算该避险空间环境下，遇险人员的最长生存时间是多少小时？（2）若矿工全部开展自救措施，体力劳动强度为重劳动状态，生存时间将缩短多少？

答：遇险人员在休息状态下的耗氧量最小，因此遇险人员全部处于休息状态时的生存时间最长。

（1）休息状态下：

氧气计算：

二氧化碳计算：

取两者较小值，遇险人员的最小生存时间为150 h。

（2）重劳动状态下：

从表1查得：

O2消耗速率：1.8L/min

CO2产生速率：1.62L/min

取两者较小值，故重劳动状态下最小生存时间为16.67 h。

在重劳动强度下，人员生存时间比休息状态下的生存时间少133.33 h。

四、火风压计算

（一）规则

掌握火风压对矿井通风系统的影响机制。掌握火风压的节流作用和浮力作用，并进行相关计算。

（二）样题

某矿皮带上山长200m，巷道倾角15°，巷道风速2m/s，空气密度1.2kg/m3，该上山巷道阻力损失9.6Pa，巷道上山底部皮带发生火灾，火灾发生前该巷道风流的温度为300K，火灾发生后，该巷道下风侧巷道风流平均温度400K，请计算火风压大小并预测该巷道风量变化（火风压相关理论参见《矿井火灾救灾理论与实践》）。

答：火风压=浮力效应±节流效应

节流效应：

浮力效应：

火风压=浮力效应-节流效应=152-3.20=148.80Pa

由于该巷道为上山，因此浮力效应的作用力与机械风压的作用力一致，浮力效应远大于节流效应，因此在火风压作用下，该皮带上山风量迅速增加。

五、爆炸冲击波衰减计算

（一）规则

掌握爆炸冲击波的传播规律及其衰减特性。

（二）样题

已知1m³的纯瓦斯完全燃烧释放出的热量为3.68×104kJ，瓦斯爆炸冲击波在直巷道内的传播计算公式如下

式中：E0为瓦斯爆炸的总能量，kJ；

R为距离爆源的距离，m；

S巷道的断面积，m2；

dB为巷道水力直径，

β为巷道表面的粗糙性系数。

冲击波超压经过转弯、分岔、断面突变巷道时，会发生衰减。空气冲击波在通过分岔口时，分成两股或者三股各自向前传播。在每一条巷道中都形成一个与没有分岔巷道的冲击波相比，具有较小参数的新冲击波，其衰减系数可表示为k=ΔP/ΔP'，其中ΔP为主巷道中的冲击波超压值，ΔP'为分岔或转弯巷道中的超压值，下图给出了煤矿井下常见的90°、45°、135°的分岔和转弯巷道中冲击波超压衰减系数。

图2 分岔、转弯巷道中超压衰减系数

现假设巷道AB为掘进巷道，采用混凝土支护，长度RAB=100m，巷道BD采用U型钢支护，长度分别为RBC=50m，RCD=20m；巷道断面积均为S=12m2，粗糙性系数β=0.015。爆源A处有50m3当量浓度的瓦斯发生爆炸，其中瓦斯浓度为9.5%，试计算得到D处的冲击波超压值。

图3 巷道系统布置

答：瓦斯浓度为9.5%，表示在50m3混合气中，有：

瓦斯完全燃烧释放的能量：

则

水利直径：

D点距爆源的距离R=100+50+20=170m

根据：

计算不考虑超压衰减系数情况下，冲击波抵达D点时的超压值

根据超压衰减系数图2查询可以，冲击波需要经过两次衰减，衰减系数分别为2.05和1.3，因此校正后的D点实际超压值ΔPD为：

六、管路最大注惰量计算

（一）规则

根据管道特性，进行固定压力下管道最大注惰量计算。

（二）样题

某煤矿在西翼104工作面采空区出现高温，矿方决定利用现有的注氮系统向104工作面采空区连续注氮抑制自燃，制氮机距离104工作面距离约为2000米，制氮机供气端初始压力约为0.7MPa，采用DN100钢管输送氮气，管路连接良好，无泄漏，假设管路末端的绝对压力为0.2MPa，根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》（MT/T701-1997），计算该注氮管路能够输送的最大氮气量是多少？

式中：P2——管路末端的绝对压力，MPa；

Qmax——最大输氮流量，m3/h；

D0——基准管径，150mm；

Di——实际输氮管径，mm；--（按流量/速度=断面积)

Li——相同直径管路的长度，km；

λ0——基准管径的阻力损失系数，0.026；

λi——实际输氮管径的阻力损失系数，对于不同的钢管直径，则有如表2的关系。

表2 不同的钢管直径与对应的实际输氮管径的阻力损失系数

管径Di，mm	70	80	100	150	200	250	300	400
阻力系数λi	0.032	0.031	0.029	0.026	0.024	0.023	0.022	0.020
答：由题干可知：输送距离L=2000m=2km

供气初始绝对压力P1=0.7MPa

末端绝对压力P2=0.2MPa

输气钢管直径DN100（即Di=100mm）无泄漏、连接良好基准管径D₀=150mm标准阻力损失系数λ₀=0.026,Di=100mm对应λᵢ=0.029（见表2）。

代入公式：