張金堂，劉義孟

（平朔集團(tuán)公司，山西 朔州 036000）

多進(jìn)風(fēng)井筒自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響分析研究

張金堂，劉義孟

（平朔集團(tuán)公司，山西 朔州 036000）

摘要：自然風(fēng)壓是礦井通風(fēng)的一種動(dòng)力形式，但它是一把雙刃劍，利用得當(dāng)可以協(xié)助主通風(fēng)機(jī)克服礦井通風(fēng)阻力，利用不當(dāng)則成為礦井通風(fēng)的阻力，甚至引起井筒無風(fēng)、微風(fēng)或反風(fēng)現(xiàn)象，釀成安全事故。通過對(duì)自然風(fēng)壓的成因研究，分析溫度對(duì)礦井自然風(fēng)壓的影響程度，對(duì)井筒反風(fēng)時(shí)的溫度進(jìn)行定量分析并提出針對(duì)性的措施和建議，以消除礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全隱患。

關(guān)鍵詞：自然風(fēng)壓；通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)；獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)；溫度控制

1　自然風(fēng)壓的形成及計(jì)算

由于風(fēng)流流過井巷時(shí)與巖石、設(shè)備等發(fā)生了熱量交換，使得回風(fēng)溫度一般高于進(jìn)風(fēng)溫度，而密度低于進(jìn)風(fēng)流空氣密度，導(dǎo)致進(jìn)回風(fēng)井空氣柱作用在井下同一開采水平的重力不等，其重力差即為自然風(fēng)壓。見圖1，1-2表示進(jìn)風(fēng)井筒，3-4-5表示回風(fēng)井筒，2-3為開采水平，若將外界大氣視為斷面無限大、風(fēng)阻為零的假象網(wǎng)絡(luò)，則礦井通風(fēng)系統(tǒng)可以看做一個(gè)閉合回路。冬季時(shí)空氣柱0-1-2比3-4-5的平均溫度低，密度較高，作用在2-3水平的重力不等，形成自然風(fēng)壓，它使空氣從井筒1-2流向3-4-5；在夏季時(shí)，空氣柱0-1-2比3-4-5的平均溫度高，密度較低，此時(shí)自然風(fēng)壓使空氣從井筒3-4-5流向井筒1-2。

圖1 礦井自然風(fēng)壓簡化示意圖

如圖所示，自然風(fēng)壓的計(jì)算可采用下式：

式中：HN為自然風(fēng)壓，Pa；g為重力加速度，m/s2；dz為微積分中的變量，表示井筒在dz這個(gè)范圍內(nèi)密度是相同的，m；ρ1、ρ2分別為0-1-2和3-4-5井巷中的空氣密度，kg/m3。

由于空氣密度受多種因素影響，是溫度、高差、氣壓等參數(shù)的函數(shù)，采用上述公式計(jì)算很困難。因此，在工程實(shí)踐過程中一般采用平均密度計(jì)算自然風(fēng)壓，式（1）可替換為：

式中：Z為礦井井筒最高點(diǎn)至最低水平間的高差，m；ρ1、ρ2分別為0-1-2和3-4-5井巷中的平均空氣密度，kg/m3。

2　礦井通風(fēng)系統(tǒng)概況及存在問題

礦井通風(fēng)方式為中央并列式，副斜井、主斜井和副平硐進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)斜井回風(fēng)，其中副平硐為新開拓大斷面井筒，其余均為已有井筒，斷面小且成型較差。除冬季外，副斜井進(jìn)風(fēng)640m3/min，副平硐進(jìn)風(fēng)1 635 m3/min，主斜井進(jìn)風(fēng)300 m3/min，總回風(fēng)量2 708 m3/min，水柱計(jì)讀數(shù)580 Pa，回風(fēng)井安裝2 臺(tái)FBCDZ-NO.24型軸流式通風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率2× 132 kW。本地區(qū)較大的溫差導(dǎo)致自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響較為明顯。

由于該礦井正在進(jìn)行改擴(kuò)建，3條進(jìn)風(fēng)井筒的制暖設(shè)備均為原礦方遺留，故障率高、運(yùn)行穩(wěn)定性差，造成3條進(jìn)風(fēng)井筒溫度不均衡，冬季常發(fā)生副斜井和主斜井微風(fēng)甚至反風(fēng)現(xiàn)象。

3　自然風(fēng)壓影響分析及處理對(duì)策

3.1前期處理對(duì)策

該礦通風(fēng)系統(tǒng)可簡化為圖2所示的網(wǎng)絡(luò)圖。該礦副斜井和副平硐的風(fēng)流在井底車場匯合進(jìn)入輔運(yùn)大巷；主斜井的風(fēng)流則進(jìn)入皮帶運(yùn)輸大巷，皮帶運(yùn)輸大巷與輔運(yùn)大巷之間有4條聯(lián)巷相通，與輔運(yùn)大巷共同為各硐室和工作面供風(fēng)。

圖2　礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖

根據(jù)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)原理，3條井筒將形成3條通風(fēng)回路：①-⑤-②、①-⑤-④-③、②-⑤-④-③，其產(chǎn)生的自然風(fēng)壓相互疊加和影響，計(jì)算和分析起來相當(dāng)麻煩。為減小各井筒間風(fēng)壓影響，優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)，我們采取了第一步措施：將皮帶運(yùn)輸大巷改為獨(dú)立進(jìn)風(fēng)巷。具體為：將機(jī)尾主回聯(lián)巷的單道調(diào)節(jié)拆除，新建2道調(diào)節(jié)風(fēng)門，在副斜井和主斜井聯(lián)巷清理撒煤斜巷內(nèi)安裝一組自動(dòng)風(fēng)門，隔斷2個(gè)井筒的風(fēng)路；在輔運(yùn)和皮帶運(yùn)輸大巷3條聯(lián)巷中分別安裝一組普通風(fēng)門，隔斷輔運(yùn)大巷與皮帶運(yùn)輸大巷的風(fēng)流，使皮帶運(yùn)輸大巷、主斜井成為獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，其通風(fēng)路線為主斜井口→③→④→⑦→⑧→地面，各硐室和工作面由輔運(yùn)大巷單獨(dú)供風(fēng)。這樣受自然風(fēng)壓困擾的3條通風(fēng)回路只剩下①-⑤-②這一條，便于分析和控制。

2015年10月-11月，在完成上述風(fēng)門建設(shè)后，通過機(jī)尾調(diào)節(jié)風(fēng)門將主斜井進(jìn)風(fēng)控制在280 m3/min～300m3/min范圍內(nèi)（與春夏季相同），通過連續(xù)觀測，未發(fā)現(xiàn)過微風(fēng)或反風(fēng)現(xiàn)象，風(fēng)流穩(wěn)定。優(yōu)化后的礦井通風(fēng)見圖3。

圖3　優(yōu)化后的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖

3.2溫度與自然風(fēng)壓關(guān)系分析

主斜井通風(fēng)問題解決后，副斜井、副平硐依舊受自然風(fēng)壓影響。兩井筒的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　井筒通風(fēng)參數(shù)表

井底車場⑤標(biāo)高+1 180.1 m?；芈发?⑤-②見圖4。

圖4　通風(fēng)立體簡化示意圖

根據(jù)式（2），回路①-⑤-②產(chǎn)生的自然風(fēng)壓

式中：HN為副平硐與副斜井回路的自然風(fēng)壓，Pa；Z為副平硐井口至井底車場高差，m；g為重力加速度，取9.8m/s2；ρ①、ρ②分別為副平硐和②'②⑤段井巷中的平均空氣密度，kg/m3，由下式計(jì)算：

式中：P為測點(diǎn)空氣的大氣壓力，取88 900 Pa；t為測點(diǎn)空氣的溫度，℃。

由于②'②高差僅為14m，可以認(rèn)為產(chǎn)生的自然風(fēng)壓與①①'段相同，則回路①⑤②產(chǎn)生的自然風(fēng)壓HN=（1 261-1 180.1）×9.8×0.003 46×88 900/ （273+t①）-（1 261-1 180.1）×9.8×0.003 46×88 900/ （273+t②）=243 866.7/（273+t①）-243866.7/（273+t②）。則可得出井筒自然風(fēng)壓與溫度的函數(shù)關(guān)系為：

式中：t①為副平硐平均溫度，℃；t②為副斜井平均溫度，℃。

3.3自然風(fēng)壓與風(fēng)流關(guān)系

對(duì)于閉合回路①①'⑤②②'，能量守恒定律：

式中：H s為通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；HN為自然風(fēng)壓，Pa；ΣhR為該回路所有分支的通風(fēng)阻力，Pa。

由于①①'⑤②②'回路中不存在局部通風(fēng)機(jī)或主通風(fēng)機(jī)等動(dòng)力設(shè)備，故H s=0。式（6）可展開為HN=hR①①'⑤+hR②'②⑤。

當(dāng)副斜井無風(fēng)時(shí)，hR②'②⑤=0，則

對(duì)照表1可計(jì)算出，并聯(lián)回路①①'⑤與⑤②②'的等效風(fēng)阻RDX=0.0 030 Ns2/m8，設(shè)礦井其他回路風(fēng)阻為RQT，則（RDX+RQT）×Q2=580，Q為礦井總進(jìn)風(fēng)量。可得RQT=0.311 9 Ns2/m8。副斜井無風(fēng)時(shí)，①①'⑤與其他回路組成串聯(lián)通路，其總風(fēng)阻為0.006 0+ 0.311 9=0.317 9 N·s2/m8，在主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行角度、頻率仍保持不變的情況下，可得礦井風(fēng)量Q'=2 562 m3/min，①①'⑤回路進(jìn)風(fēng)Q①①'⑤=2 562-300=2 262 m3/min，代入式（7），得出HN=8.5 Pa。

根據(jù)公式（5），得出副斜井無風(fēng)時(shí)，副平硐與副斜井兩井筒溫度關(guān)系為：

簡化為

若消除副斜井無風(fēng)現(xiàn)象，則應(yīng)當(dāng)控制副平硐與副斜井溫度滿足的條件為：

3.4井筒溫度調(diào)控

由上所述，若保證副斜井不再發(fā)生無風(fēng)或風(fēng)流反向現(xiàn)象，應(yīng)縮小兩井筒空氣溫差，在暖風(fēng)機(jī)現(xiàn)有能力下維持井筒氣溫平衡。由式（8）得兩井筒氣溫差值如表2所示。

表2副斜井與副平硐溫度平衡表

表中t①、t②的意義是：在副平硐既定溫度t①下，副斜井溫度達(dá)到t②時(shí)將無風(fēng)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)通過對(duì)井筒氣溫進(jìn)行連續(xù)觀測，及時(shí)調(diào)整進(jìn)風(fēng)量或暖風(fēng)量，使副斜井氣溫低于t②同時(shí)不低于t①，保證副斜井井筒風(fēng)流正常。

4　控制井筒溫度的措施

1）降低副平硐進(jìn)風(fēng)量。在不影響副平硐通車的情況下，在其井口設(shè)置1道調(diào)節(jié)設(shè)施，將礦井通風(fēng)斷面由20 m2降為16 m2，減少副平硐進(jìn)風(fēng)量，其制暖能力不變的情況下井筒氣溫將升高。

2）對(duì)井筒制暖設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)整，通過調(diào)控暖風(fēng)量的方式控制井筒溫度。提高副平硐制暖設(shè)備運(yùn)行頻率同時(shí)降低副斜井制暖設(shè)備的運(yùn)行頻率，提高副平硐暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)口溫度，同時(shí)降低副斜井暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)口溫度。

3）減小副斜井通風(fēng)阻力，提高有效通風(fēng)斷面，使其進(jìn)風(fēng)量增加。將副斜井井口遺留的卷閘門等設(shè)備拆除；對(duì)副斜井兩幫、頂板突出或不平處進(jìn)行修整，使其斷面趨于一致，降低井筒幫壁摩擦阻力系數(shù)，提高副斜井進(jìn)風(fēng)量。

4）加密井筒氣溫觀測。在之前每條井筒暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)口下風(fēng)側(cè)50 m處安裝1臺(tái)溫度傳感器外，分別在副斜井150m、副平硐700 m處增設(shè)1臺(tái)溫度傳感器，使井筒氣溫監(jiān)測更加準(zhǔn)確。

5）對(duì)副斜井和副平硐的制暖設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖運(yùn)行。一旦其中1臺(tái)因故障、檢修、鍋爐停運(yùn)等原因必須停止運(yùn)行時(shí)，另1臺(tái)同時(shí)停止。

5　結(jié)束語

1）對(duì)多井筒進(jìn)風(fēng)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)行“逐個(gè)攻破”的策略。本例中將主斜井改為獨(dú)立進(jìn)行系統(tǒng)，不僅消除了井筒間自然風(fēng)壓的相互干擾，還大大提高了礦井皮帶運(yùn)輸巷的通風(fēng)防塵情況，提高了皮帶巷抗火災(zāi)能力。

2）對(duì)井筒安全監(jiān)控系統(tǒng)、制暖設(shè)備和鍋爐房統(tǒng)籌管理，加大井筒溫度控制的協(xié)調(diào)力度，提高礦井管理人員對(duì)氣溫變化的應(yīng)對(duì)能力，以加快應(yīng)對(duì)速度。

參考文獻(xiàn)：

［1］張國樞.通風(fēng)安全學(xué)（修訂版）［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

（編輯：李森森）

中圖分類號(hào)：TD72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5050（2016）03-030-04

DO I：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.009

收稿日期：2016-02-29

作者簡介：張金堂（1963-），男，安徽阜南人，大學(xué)本科，工程師，從事礦井“一通三防”管理工作。

Effect Analysis of Natural Air Pressure of M ultip le-intake Shaft on Ventilation System in M ines

ZHANG Jintang,LIU Yimeng
（Pingshuo Coal Group，Shuozhou 036000，China）

Abstract：Naturalair pressure is one of powers of the ventilation system inmines.However，it is a double-edged sword.In otherwords，if properly used，it could facilitate ventilators to overcome resistance inmines，otherwise，if improperly used，itwould become the ventilation resistance，even cause zero，light，or inverted wind，whichmay lead to accidents.Factors of the natural air pressure are studied.The paper also analyzes the effect of temperature on the natural air pressure.Based on the quantitative analysis of temperaturewhen inverted wind happens，appropriatemeasures are proposed to eliminate hidden security risksin the ventilation system in themines.

Keywords：naturalair pressure；ventilation network；independentventilation system；thermalcontrol