馬祖杰，閆 松，王 剛，王繼勝，劉昆輪

(1.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590； 2.山東省滕州監(jiān)獄，山東 滕州 277516；3.山東省滕東生建煤礦，山東 滕州 277522； 4.神華新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830001)

深部開采礦井自然風壓是影響礦井通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性和礦井的安全生產(chǎn)的重要因素，深井自然風壓的變化容易引發(fā)礦井瓦斯涌出異常、局部瓦斯超限、采空區(qū)漏風自燃等問題，對礦井的災(zāi)害防治造成不利影響[1-5]。掌握礦井自然風壓的變化規(guī)律及影響因素，根據(jù)礦井的實際情況，合理地利用和控制自然風壓，降低自然風壓對礦井通風系統(tǒng)的負面影響，減弱由于自然風壓變化引起深部大面積采空區(qū)漏風現(xiàn)象，對于礦井的安全生產(chǎn)、災(zāi)害防治以及經(jīng)濟效益的提高具有重要意義[6-7]。

本文對深井自然風壓變化規(guī)律進行了研究，針對滕東生建煤礦由于自然風壓變化引起的采空區(qū)漏風現(xiàn)象進行分析，為滕東生建煤礦對自然風壓的合理控制和利用，提高礦井通風系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，減少礦井漏風，降低采空區(qū)煤炭自燃的危險性提供了理論基礎(chǔ)和解決方向。

1 礦井概況

滕東生建煤礦位于滕州市南約5km，本區(qū)氣候溫和，四季分明，雨量充沛，光照充足，季風型大陸性氣候明顯。年均氣溫13.6℃，年均地溫16.3℃。氣壓平均為100.7kPa。區(qū)內(nèi)恒溫帶37.8m，地表平均溫度15.57℃，本區(qū)屬地溫正常區(qū)，地溫梯度為2.72℃/100m。當前底板溫度達39.4～48℃。

滕東煤礦礦井采用箕斗井回風。開拓方式為單水平開拓，設(shè)主井、副井兩個井筒，-865m水平北翼設(shè)軌道大巷、運輸大巷、回風大巷三條大巷。礦井通風方式為中央并列式，副井進風，主井回風；通風方法為抽出式。主井地面安裝有2臺同等能力的軸流式通風機(一備一用)，通風機型號均為FBCDZ-8-№26，轉(zhuǎn)速均為740r/min，配用電動機功率均為2×315kW，測定時運行1#通風機，運行頻率40Hz，雙級運行。礦井總進風量：6259.8m3/min；礦井總回風量：6437.0m3/min。通風負壓799.4Pa。

2 自然風壓變化規(guī)律研究

滕東生建煤礦的通風系統(tǒng)可簡化為如圖1所示。滕東生建煤礦的通風系統(tǒng)可看作簡單的串聯(lián)風路，副井進風，主井出風，通風方式為抽出式。空氣由副井口1經(jīng)副井1—2、井下巷道2—3至主井口4(通風機出風口)。

2.1 自然風壓測定

滕東生建煤礦的通風系統(tǒng)可看作簡單的串聯(lián)風路，如圖1所示。其自然風壓由式(1)計算：

Hn=Z1ρig-(Zcρcg+Z0ρ0g) (1)

式中，Hn為自然風壓，Pa；ρi、ρc、ρ0分別為副井空氣、進回風井高差部分空氣、回風井空氣的平均密度密度，kg/m3；Z1、Zc、Z0分別為副井深度、進回風井高差、回風井深度，m；g為重力加速度，m/s2。

圖1 滕東生建煤礦的通風系統(tǒng)簡化圖

此次課題組對滕東生建煤礦自然風壓進行測定采用間接測定的方法，間接測定法是測出進、回風兩井筒空氣柱的平均密度，間接求算出自然風壓大小。為了更加全面的反映自然風壓在全年的變化，減小氣象變化帶來的誤差，根據(jù)滕東生建煤礦的實際情況，課題組在每季度選取四天進行測定，時間均選在上午11：00到12：00之間。同時將具有代表性的當季度氣象情況作為此次的主要研究對象，其他均作為參考，得到滕東生建煤礦全年不同季節(jié)自然風壓變化圖，如圖2所示。

圖2 滕東生建煤礦全年自然風壓變化

從圖2可以看出：滕東生建煤礦自然風壓變化規(guī)律形如正弦曲線，冬季自然風壓達到最大為478.875Pa，夏季自然風壓達到最小值為-32.15Pa，自然風壓波動范圍為511Pa。在冬、春、秋三季自然風壓作用方向為正，即自然風壓方向與風機作用方向一致，有利于礦井通風，夏季為負，即自然風壓方向與風機作用方向相反，對礦井通風造成阻礙[8]。

為了更直觀地表示不同季節(jié)中不同時段自然風壓的變化趨勢，對所測數(shù)據(jù)進行處理，得到滕東生建煤礦不同季節(jié)不同時段自然風壓變化趨勢圖如圖3所示。

從圖3可以得知，滕東生建煤礦自然風壓在一天中是不停變化的，自然風壓在春季一天中變化值為35Pa，夏季一天中變化值為48Pa，秋季一天中變化值為30Pa，冬季一天中變化值為35Pa。由此可以得出，在非特殊環(huán)境下，一天中自然風壓變化的大小基本在40Pa，對主通風機運行狀態(tài)影響不大。從四個季節(jié)來分析，全年自然風壓值在一天當中基本保持中午處于較低水平，15時左右基本達到最低值，自然風壓在凌晨到次日3時左右，處于最高水平。

2.2 溫度、相對濕度對自然風壓的影響

對于一個特定的礦井，自然風壓的影響因素主要是溫度、濕度和空氣成分，礦內(nèi)空氣的成分影響空氣的密度，而空氣的密度與空氣重率又有直接的關(guān)系。因此，礦內(nèi)空氣成分的變化對自然風壓存在一定的影響，但在一般情況下影響較小，可以忽略。

本系統(tǒng)中，礦內(nèi)空氣的密度由式(2)計算：

式中，ρ為空氣的密度，kg/m3；P為空氣的絕對靜壓，kPa；Ps為飽和水蒸汽的絕對分壓，kPa；φ為空氣的相對濕度，%；T為空氣的絕對溫度，T=273+t，K。

由式(2)可知，溫度和相對濕度對礦內(nèi)空氣密度影響最大，進而影響自然風壓。

分別記錄各季度進行數(shù)據(jù)測定時當日的溫度與濕度變化，并對所得數(shù)據(jù)進行整理，得到各季度當天自然風壓與溫度、濕度的變化，以冬季為例，如圖4所示。

圖4 一天中自然風壓與溫度、相對濕度變化圖(以冬季為例)

根據(jù)圖4顯示的自然風壓與溫度、相對濕度的變化規(guī)律可知，溫度和濕度都對自然風壓的大小產(chǎn)生影響[9-12]。溫度與自然風壓成反比，溫度增大時自然風壓減小，溫度較小時自然風壓增大。而相對濕度與自然風壓接近同步變化，相對濕度增大，自然風壓也會增大，相對濕度減小，自然風壓也會減小。溫度和濕度的改變都會影響密度的大小，進而造成自然風壓的大小發(fā)生變化，式(2)表眀了密度與溫度、相對濕度的關(guān)系，且溫度的變化對密度大小影響更大。結(jié)合以上自然風壓變化規(guī)律可以得知，對于一個特定礦井來說，影響其自然風壓變化的最主要因素是溫度和濕度，由溫度和濕度變化引起的空氣密度改變是導致自然風壓變化的最主要原因[13，14]。

3 自然風壓對大面積采空區(qū)漏風的影響

3.1 密閉內(nèi)外壓差與漏風強度的關(guān)系

根據(jù)伯努利方程及采空區(qū)內(nèi)風流的阻力定律可知，漏風壓差可以用來表征漏風強度的大小[15，16]。對于同一密閉來說，由于密閉內(nèi)采空區(qū)的實際情況復雜難以掌握各項參數(shù)，且同一點密閉內(nèi)外標高相同，因此，可近似將密閉內(nèi)外壓能差當作漏風壓差反應(yīng)采空區(qū)密閉內(nèi)外的漏風趨勢，即可通過密閉外U型管讀數(shù)確定此密閉處的進漏風方向。滕東生建煤礦的各密閉測點布置如圖5所示。

3.2 自然風壓變化與采空區(qū)漏風分析

根據(jù)所測自然風壓的原始數(shù)據(jù)以及各季度一天中測點密閉內(nèi)外U型管讀數(shù)所表示的壓能差，作出自然風壓與各測點密閉內(nèi)外壓能差變化規(guī)律圖，如圖6所示(以冬季為例)。

根據(jù)圖6分析自然風壓與密閉測點內(nèi)外壓能差的關(guān)系，自然風壓從凌晨到晚上先減小后增大，除測點7外，各測點密閉內(nèi)外壓能差均在自然風壓減小時增大，且大致都在下午自然風壓最低時達到最大值。說明自然風壓大小會影響采空區(qū)內(nèi)外漏風，當自然風壓減小時，若采空區(qū)密閉處壓能差為正，則密閉內(nèi)外壓能差變大，漏風趨勢明顯，出風量增加，若采空區(qū)密閉處壓能差為負，則密閉處壓能差變小甚至變?yōu)檎?，密閉處漏風趨勢由進風減弱，還可能變?yōu)槌鲲L。當自然風壓增大時，若采空區(qū)密閉處壓能差為正，則密閉處壓能差變小甚至變?yōu)樨撝?，密閉處漏風趨勢由出風減弱，還可能變?yōu)檫M風。若采空區(qū)密閉處壓能差為負，則密閉處壓能差變大，漏風趨勢明顯，進風量增加。

測點7密閉內(nèi)外壓能差保持為負值，且隨著自然風壓的減小，先增大后減小，可能是由于3下109采空區(qū)旁的3下111工作面運輸巷側(cè)存在漏風通道，且自然風壓減小時漏風較多，導致3下109采空區(qū)前部及測點7處風流向后運動，因此測點7密閉內(nèi)外壓差在自然風壓變化時先增大后減小。

圖5 采空區(qū)沿途密閉內(nèi)外壓能測定點

圖6 一天中自然風壓與各密閉測點內(nèi)外壓能差變化圖(冬季)

在抽出式礦井中通風機靜壓與自然風壓聯(lián)合作用共同克服礦井通風阻力：

Hs+Hn=hr

根據(jù)滕東生建煤礦通風阻力測試報告，一采區(qū)通風系統(tǒng)通風阻力為799.4Pa，對于一個特定的礦井來說，礦井正常通風的過程中，礦井通風阻力一般為一個定值，礦井需風量在一定范圍內(nèi)波動，不會出現(xiàn)太大的變化。對于滕東生建煤礦而言，冬季時自然風壓達到全年最大值，約為478Pa，自然風壓為正值，幫助通風機通風，井下接近一半以上的風量都由自然風壓提供，夏季時自然風壓達到全年最低值，約為-32Pa，自然風壓為負值，削弱通風機通風。井下所需風量需全由通風機提供，通風機功率增大，使采空區(qū)密閉或裂隙處漏風量增加。而自然風壓大小主要由溫度和濕度影響，一天當中溫度是不斷變化的，一般來說，在凌晨時溫度最低，中午時溫度最高，因此，自然風壓也會有規(guī)律的變化。

4 結(jié) 論

1)滕東生建煤礦自然風壓變化規(guī)律全年形如正弦曲線，冬季自然風壓達到最大值為478.875Pa，夏季自然風壓達到最小值為-32.15Pa，自然風壓波動范圍為511Pa。自然風壓作用方向冬、春、秋三季為正，即自然風壓方向與風機作用方向一致，有利于礦井通風，夏季為負，即自然風壓方向與風機作用方向相反，對礦井通風造成阻礙。

2)自然風壓的大小對采空區(qū)漏風存在影響，滕東生建煤礦在自然風壓較大時，采空區(qū)各密閉或裂隙處漏風量較小，甚至進風，當自然風壓隨溫度的增大而減小時，采空區(qū)各密閉或裂隙處漏風量增加。因此，在一年中，滕東生建煤礦在夏季井下采空區(qū)各密閉或裂隙處出風最多，在一天中，滕東生建煤礦在下午3時左右溫度最大時，井下采空區(qū)各密閉或裂隙處出風量最多。

3)自然風壓的大小與多種因素有關(guān)，但對于一個特定礦井來說，影響其自然風壓變化的最主要因素是溫度和濕度，且溫度的變化對密度大小影響更大，由溫度和濕度變化引起的空氣密度改變是導致自然風壓變化的最主要原因。

4)在研究過程中，由于是對特定礦井進行研究，選取的研究對象較少，導致所得結(jié)論不能完全適用于各地區(qū)的不同類型礦井，這也是下一步的研究要點。