李亞俊 夏美瓊 李印洪 姚銀佩

摘要：自然風(fēng)壓作為一種客觀存在的自然現(xiàn)象，其受氣候、季節(jié)溫度等影響較大，難以控制，是影響礦山通風(fēng)系統(tǒng)不可控的因素之一。為克服自然風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響，此次通過(guò)對(duì)自然風(fēng)壓的形成機(jī)理及影響因素進(jìn)行分析，推演出計(jì)算自然風(fēng)壓的方法。研究以此為基礎(chǔ)，以某受自然風(fēng)壓影響的平硐開(kāi)拓礦山為實(shí)例對(duì)象，通過(guò)檢測(cè)、分析、計(jì)算自然風(fēng)壓對(duì)該礦山的影響，并給出相關(guān)優(yōu)化技術(shù)措施，解決了該礦山受自然風(fēng)壓影響，各主平硐季節(jié)性風(fēng)向變化的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：礦井;自然風(fēng)壓;通風(fēng);平硐開(kāi)拓;風(fēng)向

引 言

良好的礦井通風(fēng)條件是保證礦山安全生產(chǎn)的重要條件，礦井通風(fēng)按通風(fēng)方式分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)，自然通風(fēng)是依靠自然風(fēng)壓為動(dòng)力在礦井下形成風(fēng)流的通風(fēng)過(guò)程[1]。自然通風(fēng)受氣候、季節(jié)溫度等影響較大，難以控制，時(shí)利時(shí)弊，因此，GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求礦山必須采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。然而，自然風(fēng)壓作為一種客觀存在的自然現(xiàn)象，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)也有重要影響[2-3]，其中平硐開(kāi)拓礦山由于各平硐間高差較大，各平硐口溫差較大，其受自然風(fēng)壓影響最為明顯，平硐開(kāi)拓礦山常有通風(fēng)困難季節(jié)（夏季）平硐口出風(fēng)等違反安全規(guī)程的現(xiàn)象出現(xiàn)。

而對(duì)于自然風(fēng)壓對(duì)礦山通風(fēng)影響尚未有通用的解決方法，需根據(jù)礦山實(shí)際情況因地制宜，采取相對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施，克服自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響[4-5]。本文以某平硐開(kāi)拓礦山為實(shí)例，通過(guò)理論分析及實(shí)際技術(shù)措施相結(jié)合的方式，解決了礦井受自然風(fēng)壓影響的問(wèn)題，保障礦山通風(fēng)安全。

1 自然風(fēng)壓形成機(jī)理及影響因素

1.1 形成機(jī)理

礦井內(nèi)氣體與大氣是連通的統(tǒng)一整體，當(dāng)大氣溫度發(fā)生變化時(shí)，大氣密度也隨之發(fā)生變化;同時(shí)當(dāng)?shù)V山通風(fēng)系統(tǒng)與大氣連通的各地表井口高度不同時(shí)，溫度、氣壓也各不相同，各井口實(shí)際所受到的空氣柱的壓力也不相同，井口之間存在壓力差，井下各通路間溫度、濕度也各有差異，井下空氣密度也不盡相同。因此，與地表連通的通路間由于空氣密度的差異，致使通風(fēng)系統(tǒng)中進(jìn)風(fēng)端和回風(fēng)端兩側(cè)的空氣柱密度不相同，從而形成空氣柱的重力壓差，也就是自然風(fēng)壓。所以自然風(fēng)壓會(huì)隨著季節(jié)的轉(zhuǎn)換不斷地發(fā)生周期變化[6]。

1.2 影響因素

礦井的自然風(fēng)壓主要與自然能量差有關(guān)[7-8]，而其產(chǎn)生原因可分為3種：①礦山表面自然狀況不同;②礦山井下自然條件的差異;③礦山生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)。這3種方式對(duì)自然風(fēng)壓的影響可以歸結(jié)為以下3個(gè)方面：

1）溫差。

溫差直接影響礦井兩側(cè)回路空氣柱的勢(shì)能，是影響礦井自然風(fēng)壓的最主要因素。影響礦井通風(fēng)進(jìn)、回路兩端溫差的因素主要有：①進(jìn)、回風(fēng)口空氣溫度;②礦井風(fēng)流與巖體之間的熱交換。而溫差的影響程度又隨地理地形、開(kāi)拓方式、開(kāi)采條件及深度的變化而改變。

山區(qū)開(kāi)拓較淺的礦山受地表溫度影響明顯，地表溫度變化時(shí)刻影響著自然風(fēng)壓的方向及大小，通常四季甚至一天中白晝和黑夜自然風(fēng)壓均會(huì)出現(xiàn)較大變化。

豎井開(kāi)拓的礦山，由于豎井內(nèi)氣流與巖體恒溫層之間的熱交換，豎井內(nèi)的氣溫隨氣候變化相對(duì)較小，主要受地表進(jìn)風(fēng)端空氣溫度影響，因此這類礦山在冬季、夏季自然風(fēng)壓會(huì)有明顯變化。

2）濕度及空氣組成成分。

礦井中的空氣成分及濕度影響空氣密度，而空氣密度對(duì)空氣柱的重力壓差造成影響，雖然空氣成分影響較小，但實(shí)際影響仍然存在，也是影響自然風(fēng)壓因素之一。

3）礦井開(kāi)拓布局及深度。

受地溫梯度影響，礦井越深其井下空氣溫度也相對(duì)較高，若礦井通風(fēng)進(jìn)、回風(fēng)口兩端溫差固定，則自然風(fēng)壓與礦井進(jìn)、回風(fēng)口端的高度差成正比例關(guān)系。同樣，若通風(fēng)系統(tǒng)中存在并聯(lián)的2條斜井，當(dāng)某一條斜井中溫度較高，阻力較大時(shí)，則這2條并聯(lián)斜井間也會(huì)產(chǎn)生自然風(fēng)壓。當(dāng)某條回路間自然風(fēng)壓等于或超過(guò)機(jī)械風(fēng)壓，則這條回路的風(fēng)流將停滯或反向。

2 自然風(fēng)壓計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)上述自然風(fēng)壓形成機(jī)理的研究，自然風(fēng)壓形成是由于礦井進(jìn)、回風(fēng)口端空氣密度不同，致使兩端空氣柱形成重力壓差，最終產(chǎn)生自然風(fēng)壓，其計(jì)算模型如圖1所示。

在圖1計(jì)算模型中，節(jié)點(diǎn)0至節(jié)點(diǎn)1表示大氣產(chǎn)生的虛擬空氣柱;節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)2表示進(jìn)風(fēng)通路，此處為豎井;節(jié)點(diǎn)2至節(jié)點(diǎn)3表示井下用風(fēng)段;節(jié)點(diǎn)3至節(jié)點(diǎn)4表示回風(fēng)斜井;節(jié)點(diǎn)4至節(jié)點(diǎn)5表示回風(fēng)豎井（通地表）。在無(wú)機(jī)械通風(fēng)的條件下，夏季時(shí)外部大氣氣溫相對(duì)較高，節(jié)點(diǎn)0至節(jié)點(diǎn)2密度較小，產(chǎn)生的空氣柱壓力也較節(jié)點(diǎn)5至節(jié)點(diǎn)3產(chǎn)生的空氣柱壓力小，夏季風(fēng)流由節(jié)點(diǎn)5流入，從節(jié)點(diǎn)1流出礦井。冬季則相反，外部大氣氣溫低，礦井內(nèi)空氣溫度較高，節(jié)點(diǎn)0至節(jié)點(diǎn)2產(chǎn)生的空氣柱壓力較節(jié)點(diǎn)5至節(jié)點(diǎn)3產(chǎn)生的空氣柱壓力大，風(fēng)流從節(jié)點(diǎn)1流入，從節(jié)點(diǎn)5流出，風(fēng)向恰好與夏季相反。

2.2 計(jì)算方法

根據(jù)上述自然風(fēng)壓形成機(jī)理及相關(guān)理論歸納，自然風(fēng)壓受地表氣溫、進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井高差及位置影響。根據(jù)自然風(fēng)壓計(jì)算模型，自然風(fēng)壓是由節(jié)點(diǎn)0至節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)5至節(jié)點(diǎn)3的空氣柱形成的壓強(qiáng)差[9]。因此，自然風(fēng)壓計(jì)算如式（1）所示。

p=∫20ρ1gdh-∫53ρ2gdh（1）

式中：p為自然風(fēng)壓（Pa）;g為重力加速度，9.8 m/s2。

空氣柱密度的影響因素眾多，其與礦井總深度（h）關(guān)系屬于負(fù)的非線性關(guān)系，根據(jù)式（1）計(jì)算自然風(fēng)壓在操作上較為困難，實(shí)際中一般采用巷道平均密度代替計(jì)算，即節(jié)點(diǎn)0至節(jié)點(diǎn)2空氣柱平均密度為ρm1，節(jié)點(diǎn)5至節(jié)點(diǎn)3空氣柱平均密度為ρm2。則有：

p=hg（ρm1-ρm2）（2）

由此可知，自然風(fēng)壓計(jì)算最關(guān)鍵的是計(jì)算空氣柱各狀態(tài)下的平均密度，空氣柱平均密度一般按式（3）計(jì)算。

ρ=0.003 484pj273+t1-0.378φpspj（3）250460BF-818D-4010-ABDD-39EB0C58E054

式中：ρ為空氣柱平均密度（kg/m3）;pj為空氣絕對(duì)靜壓力（Pa）;φ為空氣相對(duì)濕度（%）;ps為濕空氣中飽和水蒸氣絕對(duì)分壓（Pa）;t為空氣溫度（℃）。

根據(jù)式（3）計(jì)算空氣平均密度，結(jié)合式（2）即可計(jì)算出礦井自然風(fēng)壓。

3 自然風(fēng)壓影響下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)況

因平硐開(kāi)拓礦山受自然風(fēng)壓影響最為明顯，故本次以四川省某平硐開(kāi)拓礦山為實(shí)例，對(duì)該礦山受自然風(fēng)壓影響狀況及解決方法進(jìn)行研究。

該礦山采用平硐+盲斜坡道開(kāi)拓，現(xiàn)開(kāi)采高度為1 884～2 064 m，每60 m劃分為一個(gè)中段，共有4個(gè)中段，目前2 004 m中段及1 944 m中段為其主要作業(yè)中段，各中段均有平硐與地表相連接。該礦山井下以礦體中線為界線劃分東、西2個(gè)區(qū)，東部礦體采用膠結(jié)充填采礦法開(kāi)采，西部礦體采用分段崩落采礦法開(kāi)采。該礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用各主平硐進(jìn)風(fēng)，東、西兩翼地表抽出式通風(fēng)的布局方式，通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)存在問(wèn)題

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及查閱相關(guān)資料，原設(shè)計(jì)東、西兩翼地表抽出式通風(fēng)系統(tǒng)未考慮自然風(fēng)壓的影響，風(fēng)機(jī)能力不足以克服困難時(shí)期通風(fēng)阻力，同時(shí)由于通風(fēng)主系統(tǒng)不完善（西部風(fēng)井與1 944 m中段未貫通，東部風(fēng)井與1 884 m中段未貫通），致使系統(tǒng)風(fēng)流紊亂，2 004 m、1 884 m主平硐風(fēng)流不穩(wěn)，風(fēng)向隨季節(jié)性周期變化，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查各主平硐冬、夏季風(fēng)量及風(fēng)向結(jié)果如表1所示。

表1中夏季測(cè)定時(shí)間為6月初，冬季測(cè)定時(shí)間為11月底，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，該礦山夏季自然風(fēng)壓反作用，阻礙礦井通風(fēng)，其中，1 884 m主平硐和2 004 m主平硐均出現(xiàn)反風(fēng)現(xiàn)象，不符合GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求。冬季自然風(fēng)壓幫助礦井通風(fēng)，礦山各主平硐風(fēng)向均為進(jìn)風(fēng)。造成礦山季節(jié)性風(fēng)向變化的主要原因是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，未考慮自然風(fēng)壓影響，夏季困難時(shí)期礦山主扇能力無(wú)法克服自然風(fēng)壓影響。

3.3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)措施

受自然風(fēng)壓影響，該礦山風(fēng)向、風(fēng)量不穩(wěn)，解決技術(shù)措施如下：

1）應(yīng)考慮礦井夏季通風(fēng)困難時(shí)期自然風(fēng)壓的逆向影響，原礦山主扇風(fēng)機(jī)能力不足（型號(hào)均為K40-6-No18），主扇負(fù)壓不足以克服礦井通風(fēng)阻力（考慮自然風(fēng)壓影響），計(jì)算自然風(fēng)壓值并更換能力滿足要求的主扇。

2）增加相應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)工程，延伸西部風(fēng)井至1 944 m中段與之貫通，延伸東部風(fēng)井至1 884 m中段，使東、西部各中段通風(fēng)系統(tǒng)形成回路，使主扇負(fù)壓能作用于各作業(yè)中段，以克服自然風(fēng)壓影響。

3）增加風(fēng)門(mén)、風(fēng)窗等風(fēng)量調(diào)控構(gòu)筑物。西部2 064 m中段與西風(fēng)井貫穿處，東部2 004 m中段與東風(fēng)井貫穿處，應(yīng)砌筑風(fēng)墻;主扇負(fù)壓下延，防止風(fēng)流短路;在各中段回風(fēng)端構(gòu)筑調(diào)節(jié)風(fēng)窗，對(duì)風(fēng)量加以控制。

3.4 優(yōu)化改造效果

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)措施，優(yōu)化后各主平硐冬、夏季風(fēng)量及風(fēng)向結(jié)果如表2所示。

由表2可知，經(jīng)過(guò)技術(shù)改造優(yōu)化后，該礦山通風(fēng)系統(tǒng)冬、夏季風(fēng)向一致，各主平硐均為進(jìn)風(fēng)，且系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量有明顯提升，有效解決了自然風(fēng)壓造成的礦井通風(fēng)困難問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

自然風(fēng)壓對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)的影響是普遍存在的，其中平硐開(kāi)拓的礦山影響較為明顯，影響自然風(fēng)壓大小的因素主要為礦山周邊自然條件、空氣溫度、溫差等，此次研究分析了自然風(fēng)壓作用機(jī)理及計(jì)算方法，以受自然風(fēng)壓影響較大的某平硐開(kāi)拓礦山為實(shí)例，對(duì)該礦山通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)、分析、計(jì)算并優(yōu)化。該礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化后，解決了礦山受自然風(fēng)壓影響造成的主平硐季節(jié)性風(fēng)向變化問(wèn)題。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 文虎，王寶元，劉文永，等.自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響分析及防治[J].煤炭技術(shù)，2018，37（3）：137-139.

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Mine ventilation system optimization engineering practices under

the influence of natural air pressure

Li Yajun1，2，Xia Meiqiong3，Li Yinhong1，2，Yao Yinpei1，2

（1.Hunan Nonferrous Metals Labour Protection Academy Co.，Ltd.;

2.Hunan Key Laboratory of Ventilation and Dust Control for Non-coal Mines; 3.Hunan Research Academy of Environmental Sciences）

Abstract：As an objective natural phenomenon greatly affected by climate，seasonal temperature and so on，natural air pressure is difficult to control and is one of the uncontrollable factors that affect the mine ventilation system.To overcome the effect of natural air pressure on the ventilation system，the method of calculating natural air pressure is deduced by analyzing the principles and influencing factors of natural air pressure formation.Based on this study，a case study of a mine with adit development influenced by natural air pressure is used to calculate the impact of natural air pressure on the mine by example detection analysis，and related optimized technical measures are made，in order to solve the problem that the mine is affected by natural air pressure and seasonal wind direction change in each main adit.

Keywords：shaft;natural air pressure;ventilation;adit excavation;wind direction250460BF-818D-4010-ABDD-39EB0C58E054