多進風井筒自然風壓對礦井通風系統(tǒng)的影響分析研究

張金堂，劉義孟

（平朔集團公司，山西 朔州 036000）

多進風井筒自然風壓對礦井通風系統(tǒng)的影響分析研究

張金堂，劉義孟

（平朔集團公司，山西 朔州 036000）

摘要：自然風壓是礦井通風的一種動力形式，但它是一把雙刃劍，利用得當可以協(xié)助主通風機克服礦井通風阻力，利用不當則成為礦井通風的阻力，甚至引起井筒無風、微風或反風現(xiàn)象，釀成安全事故。通過對自然風壓的成因研究，分析溫度對礦井自然風壓的影響程度，對井筒反風時的溫度進行定量分析并提出針對性的措施和建議，以消除礦井通風系統(tǒng)安全隱患。

關鍵詞：自然風壓；通風網(wǎng)絡；獨立通風系統(tǒng)；溫度控制

1　自然風壓的形成及計算

由于風流流過井巷時與巖石、設備等發(fā)生了熱量交換，使得回風溫度一般高于進風溫度，而密度低于進風流空氣密度，導致進回風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壓。見圖1，1-2表示進風井筒，3-4-5表示回風井筒，2-3為開采水平，若將外界大氣視為斷面無限大、風阻為零的假象網(wǎng)絡，則礦井通風系統(tǒng)可以看做一個閉合回路。冬季時空氣柱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，形成自然風壓，它使空氣從井筒1-2流向3-4-5；在夏季時，空氣柱0-1-2比3-4-5的平均溫度高，密度較低，此時自然風壓使空氣從井筒3-4-5流向井筒1-2。

圖1 礦井自然風壓簡化示意圖

如圖所示，自然風壓的計算可采用下式：

式中：HN為自然風壓，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)，采用上述公式計算很困難。因此，在工程實踐過程中一般采用平均密度計算自然風壓，式（1）可替換為：

式中：Z為礦井井筒最高點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　礦井通風系統(tǒng)概況及存在問題

礦井通風方式為中央并列式，副斜井、主斜井和副平硐進風，回風斜井回風，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，副斜井進風640m3/min，副平硐進風1 635 m3/min，主斜井進風300 m3/min，總回風量2 708 m3/min，水柱計讀數(shù)580 Pa，回風井安裝2 臺FBCDZ-NO.24型軸流式通風機，電機功率2× 132 kW。本地區(qū)較大的溫差導致自然風壓對礦井通風系統(tǒng)的影響較為明顯。

由于該礦井正在進行改擴建，3條進風井筒的制暖設備均為原礦方遺留，故障率高、運行穩(wěn)定性差，造成3條進風井筒溫度不均衡，冬季常發(fā)生副斜井和主斜井微風甚至反風現(xiàn)象。

3　自然風壓影響分析及處理對策

3.1前期處理對策

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

圖2　礦井通風網(wǎng)絡圖

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

2015年10月-11月，在完成上述風門建設后，通過機尾調(diào)節(jié)風門將主斜井進風控制在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)過微風或反風現(xiàn)象，風流穩(wěn)定。優(yōu)化后的礦井通風見圖3。

圖3　優(yōu)化后的礦井通風網(wǎng)絡圖

3.2溫度與自然風壓關系分析

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

表1　井筒通風參數(shù)表

井底車場⑤標高+1 180.1 m?；芈发?⑤-②見圖4。

圖4　通風立體簡化示意圖

根據(jù)式（2），回路①-⑤-②產(chǎn)生的自然風壓

式中：HN為副平硐與副斜井回路的自然風壓，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，由下式計算：

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

由于②'②高差僅為14m，可以認為產(chǎn)生的自然風壓與①①'段相同，則回路①⑤②產(chǎn)生的自然風壓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壓與溫度的函數(shù)關系為：

式中：t①為副平硐平均溫度，℃；t②為副斜井平均溫度，℃。

3.3自然風壓與風流關系

對于閉合回路①①'⑤②②'，能量守恒定律：

式中：H s為通風機風壓，Pa；HN為自然風壓，Pa；ΣhR為該回路所有分支的通風阻力，Pa。

由于①①'⑤②②'回路中不存在局部通風機或主通風機等動力設備，故H s=0。式（6）可展開為HN=hR①①'⑤+hR②'②⑤。

當副斜井無風時，hR②'②⑤=0，則

對照表1可計算出，并聯(lián)回路①①'⑤與⑤②②'的等效風阻RDX=0.0 030 Ns2/m8，設礦井其他回路風阻為RQT，則（RDX+RQT）×Q2=580，Q為礦井總進風量。可得RQT=0.311 9 Ns2/m8。副斜井無風時，①①'⑤與其他回路組成串聯(lián)通路，其總風阻為0.006 0+ 0.311 9=0.317 9 N·s2/m8，在主通風機運行角度、頻率仍保持不變的情況下，可得礦井風量Q'=2 562 m3/min，①①'⑤回路進風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），得出副斜井無風時，副平硐與副斜井兩井筒溫度關系為：

簡化為

若消除副斜井無風現(xiàn)象，則應當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)生無風或風流反向現(xiàn)象，應縮小兩井筒空氣溫差，在暖風機現(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，副斜井溫度達到t②時將無風。實際應用時應通過對井筒氣溫進行連續(xù)觀測，及時調(diào)整進風量或暖風量，使副斜井氣溫低于t②同時不低于t①，保證副斜井井筒風流正常。

4　控制井筒溫度的措施

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

2）對井筒制暖設備進行變頻調(diào)整，通過調(diào)控暖風量的方式控制井筒溫度。提高副平硐制暖設備運行頻率同時降低副斜井制暖設備的運行頻率，提高副平硐暖風機出風口溫度，同時降低副斜井暖風機出風口溫度。

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

4）加密井筒氣溫觀測。在之前每條井筒暖風機出風口下風側(cè)50 m處安裝1臺溫度傳感器外，分別在副斜井150m、副平硐700 m處增設1臺溫度傳感器，使井筒氣溫監(jiān)測更加準確。

5）對副斜井和副平硐的制暖設備實現(xiàn)聯(lián)鎖運行。一旦其中1臺因故障、檢修、鍋爐停運等原因必須停止運行時，另1臺同時停止。

5　結束語

1）對多井筒進風的礦井通風系統(tǒng)，實行“逐個攻破”的策略。本例中將主斜井改為獨立進行系統(tǒng)，不僅消除了井筒間自然風壓的相互干擾，還大大提高了礦井皮帶運輸巷的通風防塵情況，提高了皮帶巷抗火災能力。

2）對井筒安全監(jiān)控系統(tǒng)、制暖設備和鍋爐房統(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氣溫變化的應對能力，以加快應對速度。

參考文獻：

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

（編輯：李森森）

中圖分類號：TD72

文獻標識碼：A

文章編號：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