廖冬明

（福建省永安煤業(yè)有限責(zé)任公司池坪蘆坑煤礦 福建三明 365000）

1 自然風(fēng)壓的概念及其形成原因

自然風(fēng)壓是一種受礦井地形、地溫以及當(dāng)?shù)貧夂驐l件等因素影響而產(chǎn)生的能量，由于礦井進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)風(fēng)路中質(zhì)量不同而產(chǎn)生的壓差。風(fēng)路中質(zhì)量的大小取決于風(fēng)路中的溫度和高度。一般來(lái)說(shuō)，冷空氣密度大質(zhì)量重向下流動(dòng)，熱空氣密度小質(zhì)量輕向上流動(dòng)，這種自然因素作用就形成了自然通風(fēng)［1］。井下巷道高差不一，縱橫交錯(cuò)又緊密相聯(lián)，使得巷道自身標(biāo)高與空氣密度不等，所以存在標(biāo)高差和氣溫差的井下連通巷道之間就會(huì)存在自然風(fēng)壓。

圖1 為簡(jiǎn)化的池坪礦井巷系統(tǒng)，1 為+720 m 主平硐，5 為+808 m 回風(fēng)井，2-3 為+500 m 水平大巷，0-5 為虛擬的系統(tǒng)最高點(diǎn)水平線。在冬季，風(fēng)路0-1-2 比風(fēng)路5-4-3 的平均溫度低，平均空氣密度較大，導(dǎo)致兩風(fēng)路作用在+500 m 水平大巷上的重力不等，這兩風(fēng)路的重力之差就是通風(fēng)系統(tǒng)上的自然風(fēng)壓，它使空氣源源不斷地從+720 m 主平硐1 流入，從+808 m回風(fēng)井5 流出。在夏季時(shí)，風(fēng)路5-4-3 比風(fēng)路0-1-2 溫度低，平均密度大，則產(chǎn)生的自然風(fēng)壓方向與冬季相反，地面空氣從+800 m 回風(fēng)井5 流入，從+720 m 主平硐1 流出。

圖1 礦井自然風(fēng)向示意圖

2 自然風(fēng)壓的計(jì)算及測(cè)定

2.1 自然風(fēng)壓的計(jì)算

自然風(fēng)壓（HN）常采用公式（1）計(jì)算。

式中：Z 為礦井最高點(diǎn)至最低水平間的距離，m；g 為重力加速度，m/s2；ρ1為進(jìn)風(fēng)井空氣空氣密度，kg/m3；ρ2為回風(fēng)井空氣密度，kg/m3。

池坪礦冬季自然風(fēng)壓計(jì)算：

2.2 直接測(cè)定自然風(fēng)壓

首先停止主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，立即將風(fēng)硐中的閘板放下，以隔斷自然風(fēng)壓下產(chǎn)生的風(fēng)流。再接入風(fēng)硐內(nèi)的壓差計(jì)，通過(guò)壓差計(jì)讀出的數(shù)據(jù)就是礦井的自然風(fēng)壓。

3 礦井通風(fēng)基本概況

池坪礦有完整的獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，采用中央分列式通風(fēng)方式，機(jī)械抽出式通風(fēng)方法。在+808m 地面安裝兩臺(tái)型號(hào)為FBCDZ-6-NO19/2×110 對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)（一臺(tái)使用，一臺(tái)備用）。礦井有3 個(gè)進(jìn)風(fēng)井口1 個(gè)回風(fēng)井口，進(jìn)風(fēng)井口為+720 m主平硐、+800 m 平硐和+800 m 斜井，回風(fēng)井為+808 m 風(fēng)井。各采區(qū)實(shí)行分區(qū)通風(fēng)，礦井總進(jìn)風(fēng)量1 724 m3/min，總回風(fēng)量1 918 m3/min，有效風(fēng)量率89.9%。

礦井采用平硐暗斜井開(kāi)拓方式，共分+800 m～+500 m、+500 m～+300 m 二個(gè)開(kāi)采水平。+720 m 區(qū)段以上水平只保留生產(chǎn)系統(tǒng)巷道，作為通風(fēng)、行人、提升運(yùn)輸、排水。目前共有101采區(qū)和103 采區(qū)2 個(gè)生產(chǎn)采區(qū)，實(shí)行分區(qū)通風(fēng)，采煤工作面均實(shí)現(xiàn)獨(dú)立通風(fēng)，掘進(jìn)工作面使用專(zhuān)用局部通風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)“三專(zhuān)供電”。

4 自然風(fēng)壓的主要影響因素

影響自然風(fēng)壓的決定性因素是進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)風(fēng)路的密度差，空氣密度主要受溫度、大氣壓力與濕度等影響［1］。

（1）溫差。某一回路中兩側(cè)風(fēng)路的溫差是影響自然風(fēng)壓最為關(guān)鍵的因素。影響氣溫差的是地面進(jìn)風(fēng)氣溫和風(fēng)流與井下圍巖的熱交換。氣溫差隨礦井的開(kāi)拓方式、采深、氣候、地形和地理位置的不同而有所不同［2］。池坪礦屬于南方丘陵地帶大陸性氣候，自然風(fēng)壓大小和方向受氣溫差影響最為明顯，尤其是在冬夏季節(jié)。井下回風(fēng)流一年當(dāng)中溫差變化較小，但地面進(jìn)風(fēng)氣溫則隨季節(jié)變化而變化，井下風(fēng)流中氣溫與地面進(jìn)風(fēng)氣溫差兩者綜合作用，導(dǎo)致自然風(fēng)壓發(fā)生周期性的變化。池坪礦夏季地面平均氣溫為35 ℃，空氣密度低，+720 m 主平硐進(jìn)風(fēng)量減少，而+800 m 進(jìn)風(fēng)平硐（斜井）進(jìn)風(fēng)量加大。地面冬季氣溫平均氣溫為5 ℃，空氣密度高，礦井受自然風(fēng)壓影響就更為突出，+720 m 主平硐進(jìn)風(fēng)量加大，而+800 m 進(jìn)風(fēng)平硐（斜井）進(jìn)風(fēng)量減少，甚至出現(xiàn)+800 m 進(jìn)風(fēng)平硐風(fēng)流反向，見(jiàn)表1。

表1 池坪礦冬夏季節(jié)井下主要巷道進(jìn)風(fēng)量變化情況表

（2）空氣濕度。濕度會(huì)影響到空氣的密度，對(duì)自然風(fēng)壓有一定的影響，這種影響很小?？諝鉂穸入S氣溫的變化而變化，濕度與氣溫成正比，夏季濕度高，冬季濕度低?？諝鉂穸葘?duì)池坪礦自然風(fēng)壓影響很小，可忽略不計(jì)。

（3）空氣密度?？諝饷芏戎饕芸諝鉂穸扔绊?，而濕度隨氣溫的變化而變化，所以氣溫的變化同時(shí)影響著空氣濕度與密度?？諝饷芏扰c溫度成反比，即所謂的冷空氣重，熱空氣輕?？諝饷芏葘?duì)礦井自然風(fēng)壓的影響很小。

（4）主要通風(fēng)機(jī)工作。主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)決定井下主要巷道風(fēng)流的方向，進(jìn)風(fēng)風(fēng)流進(jìn)入井下與圍巖之間存在熱交換，冬季回風(fēng)井中氣溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于進(jìn)風(fēng)井。所以冬季主要通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)驟停，進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井之間在一定的時(shí)間內(nèi)有一定的氣溫差，仍有一定的自然風(fēng)壓在起作用，井下風(fēng)流會(huì)在一定的時(shí)間內(nèi)按原先風(fēng)流方向流動(dòng)。

（5）礦井采深。當(dāng)兩風(fēng)路中空氣溫差既定，礦井采深越深往往自然風(fēng)壓就越大，二者成正比的關(guān)系。礦井開(kāi)采至深部，井下地溫會(huì)升高。地溫高會(huì)直接影響回風(fēng)井中的氣溫，回風(fēng)井與進(jìn)風(fēng)井的氣溫差就會(huì)變得更大。氣溫差大就直接導(dǎo)致自然風(fēng)壓值大，礦井開(kāi)采至深部后通風(fēng)系統(tǒng)受自然風(fēng)壓的影響更為顯著。池坪礦處于二水平開(kāi)拓延深階段，二水平開(kāi)拓至深部，井下地溫會(huì)逐步升高，更應(yīng)注重預(yù)防自然風(fēng)壓。

5 自然風(fēng)壓的利用和預(yù)防措施

自然風(fēng)壓不能作為礦井通風(fēng)的主要?jiǎng)恿Γ鳛橐环N不穩(wěn)定的動(dòng)力源，自然風(fēng)壓也會(huì)對(duì)礦井通風(fēng)產(chǎn)生一定的影響，需加以研究以趨利避害。特別是池坪礦正處于水平延深時(shí)期，掌握利用好自然風(fēng)壓變化規(guī)律更為重要。

5.1 自然風(fēng)壓的變化規(guī)律

主要表現(xiàn)為夏季地面氣溫高，礦井總進(jìn)風(fēng)量減少380 m3/min左右。冬季礦井總進(jìn)風(fēng)量增加410 m3/min 左右，+800 m 排矸平硐與101 采區(qū)人行上山進(jìn)風(fēng)量減少明顯，甚至出現(xiàn)風(fēng)流反向。

5.2 自然風(fēng)壓的控制

（1）根據(jù)自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，適時(shí)調(diào)整主要通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)葉角度或運(yùn)行頻率，使其既能滿(mǎn)足礦井通風(fēng)的需要，又可減少電耗。主要通風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行頻率既定，池坪礦冬季進(jìn)風(fēng)量會(huì)有所增加，這時(shí)可利用自然風(fēng)壓，適度降低主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，加強(qiáng)井下測(cè)風(fēng)與風(fēng)量調(diào)節(jié)，減少主要通風(fēng)機(jī)電耗，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。池坪礦夏季總進(jìn)風(fēng)量會(huì)有所減少，則需適當(dāng)提高主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，強(qiáng)化測(cè)風(fēng)與風(fēng)量調(diào)節(jié)，使各采區(qū)區(qū)段進(jìn)回風(fēng)量分配合理，克服自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)造成的危害。

（2）掌握自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，防止井下巷道出現(xiàn)微風(fēng)無(wú)風(fēng)甚至風(fēng)流反向，造成通風(fēng)事故。夏季，池坪礦+720 m 主平硐進(jìn)風(fēng)量有所減少，+800 m 進(jìn)風(fēng)平硐（斜井）進(jìn)風(fēng)量會(huì)有所增加。冬季，+720 m 主平硐進(jìn)風(fēng)量有所增加，+800 m 進(jìn)風(fēng)平硐（斜井）進(jìn)風(fēng)量會(huì)有所減少，甚至+800 m 進(jìn)風(fēng)平硐及101 采區(qū)人行上山出現(xiàn)風(fēng)流反向，加大對(duì)101 采區(qū)與103 采區(qū)及各區(qū)段進(jìn)回風(fēng)量調(diào)節(jié)，確保礦井風(fēng)量分配合理，通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

（3）加強(qiáng)日常測(cè)風(fēng)，掌握各點(diǎn)風(fēng)量變化情況，及時(shí)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。在夏冬季節(jié)，更需加強(qiáng)井下測(cè)風(fēng)與進(jìn)回風(fēng)巷巡查，巷道風(fēng)量出現(xiàn)較大變化，及時(shí)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。提高主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，加大總進(jìn)回風(fēng)量，克服自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)造成的危害，防止井下巷道出現(xiàn)微風(fēng)無(wú)風(fēng)或風(fēng)流反向，而導(dǎo)致瓦斯集聚事故。

（4）冬季對(duì)進(jìn)風(fēng)流進(jìn)行加溫，減小進(jìn)風(fēng)流與回風(fēng)流的氣溫差，亦可減小自然風(fēng)壓值，降低自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)造成的威脅。此措施池坪礦未采取。

5.3 自然風(fēng)壓的利用

（1）利用池坪礦冬季進(jìn)風(fēng)量會(huì)有所加大這一規(guī)律，將主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率適當(dāng)降低，減少主要通風(fēng)機(jī)電耗，礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理。

（2）利用自然風(fēng)壓做好特殊時(shí)期的通風(fēng)。冬季，池坪礦如遇到主要通風(fēng)機(jī)驟停，會(huì)及時(shí)將井口防爆門(mén)和相關(guān)風(fēng)門(mén)打開(kāi)，充分利用自然風(fēng)壓幫助井下通風(fēng)，防止井下出現(xiàn)瓦斯集聚。

6 措施應(yīng)用效果

（1）未采取有效措施下，池坪礦通風(fēng)主要存在的問(wèn)題：冬夏季節(jié)進(jìn)風(fēng)量不穩(wěn)定，總進(jìn)風(fēng)量冬季大，夏季進(jìn)風(fēng)量小，冬夏季節(jié)進(jìn)風(fēng)量差距大；101 采區(qū)人行上山與+800m 主平硐在冬季出現(xiàn)風(fēng)流停滯，甚至風(fēng)流反向；101 采區(qū)與103 采區(qū)進(jìn)回風(fēng)量失衡，各用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量分配不合理，不利于井下通風(fēng)安全。

（2）采取有效措施合理控制自然風(fēng)壓，所取得的成效：礦井總進(jìn)風(fēng)量均衡，冬夏季節(jié)差距很小，通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定；通過(guò)對(duì)采區(qū)之間合理的風(fēng)量調(diào)節(jié)，有效杜絕了101 采區(qū)人行上山與+800 m 主平硐風(fēng)流停滯或反向；通過(guò)對(duì)井下風(fēng)量合理調(diào)配，各用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量分配合理，既滿(mǎn)足了生產(chǎn)布局的需求，又達(dá)到通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)管理先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定安全可靠的要求；通過(guò)對(duì)主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率的有效調(diào)控，礦井進(jìn)回風(fēng)量既能滿(mǎn)足了生產(chǎn)作業(yè)需求，又未造成風(fēng)流短路，降低了主要通風(fēng)機(jī)電耗，礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理。

7 結(jié)論

掌握自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，及時(shí)采取措施進(jìn)行預(yù)防，克服其對(duì)礦井通風(fēng)造成危害，防止井下巷道出現(xiàn)微風(fēng)無(wú)風(fēng)或風(fēng)流反向，導(dǎo)致瓦斯集聚。合理利用自然風(fēng)壓，使礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠。