天山煤電公司106 煤礦自然風(fēng)壓的規(guī)律研究與應(yīng)用

上官昌培

（中煤能源新疆天山煤電有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831200）

0 引言

106 煤礦位于新疆昌吉高山地區(qū)，根據(jù)近幾年氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，冬季多雪，夏秋兩季多雨，晝夜溫差大，年最高氣溫35.6 ℃，最低氣溫-27.9 ℃。106 煤礦是典型的平硐進(jìn)風(fēng)、斜井回風(fēng)礦井，自然風(fēng)壓隨季節(jié)的變化及對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響十分明顯，自然風(fēng)壓已經(jīng)成為影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素[1]。為充分利用礦井自然風(fēng)壓，106 煤礦根據(jù)季節(jié)變化，對(duì)礦井自然風(fēng)壓規(guī)律進(jìn)行研究，為礦井主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的調(diào)整及抗災(zāi)能力具有重要意義[2-5]。研究表明，自然風(fēng)壓有幾點(diǎn)影響因素：①礦井某一回路中兩側(cè)空氣柱的溫差是主要影響因素；②空氣成分和濕度影響空氣的密度，從而影響自然風(fēng)壓；③井深；④主要通風(fēng)機(jī)的工作對(duì)自然風(fēng)壓的大小和方向也有一定影響。根據(jù)自然風(fēng)壓的影響因素，結(jié)合礦井的實(shí)際情況，有效控制自然風(fēng)壓以避免事故發(fā)生。

1 井田概況

天山煤電公司106 煤礦礦井通風(fēng)方式為中央分列式，是典型的平硐進(jìn)風(fēng)、斜井回風(fēng)礦井，主要進(jìn)風(fēng)平硐標(biāo)高+1273 m，回風(fēng)斜井標(biāo)高+1778 m，兩井筒標(biāo)高相差505 m，進(jìn)風(fēng)平硐和回風(fēng)斜井空氣溫度、冬季礦井防凍設(shè)施為礦井進(jìn)風(fēng)加溫，以及巷道巖體溫度不同，是形成自然風(fēng)壓的主要原因。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，回風(fēng)斜井空氣氣溫一般常年不變，在14 ～16 ℃，進(jìn)風(fēng)平硐空氣溫度則隨季節(jié)變化而變化，尤其冬季進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)溫度就低，經(jīng)過(guò)井口空氣加熱后，進(jìn)風(fēng)平硐溫度在15 ～20 ℃，一年四季氣溫變化大，自然風(fēng)壓也大，對(duì)礦井機(jī)械通風(fēng)影響大。

2 礦井自然風(fēng)壓規(guī)律探索

根據(jù)礦井自然風(fēng)壓測(cè)定方法，比較常用的有直接測(cè)定法、反風(fēng)測(cè)算法、間接測(cè)定法。由于礦井正常生產(chǎn)期間，用直接法測(cè)定影響較大，因此本文采用間接法進(jìn)行自然風(fēng)壓測(cè)定，用反風(fēng)法進(jìn)行驗(yàn)證，天山公司106 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)示意如圖1 所示。

圖1 106 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)示意Fig.1 Ventilation system of 106 Coal Mine

2.1 自然風(fēng)壓測(cè)定

測(cè)出進(jìn)、回風(fēng)兩井筒空氣柱的平均密度，由式（1） 可計(jì)算自然風(fēng)壓的大小，即：

式中：H 為礦井自然風(fēng)壓，Pa；ρ 為空氣的密度，kg/m3；g 為重力加速度；9.8 m/s2。

為了能更好的反映不同時(shí)段的自然風(fēng)壓變化規(guī)律，分別于2020 年1 月28 日、4 月28 日、07 月28 日、10 月28 日、11 月28 日的2:00、6:00、10:00、14:00、18:00、22:00 進(jìn)行測(cè)定，自然風(fēng)壓測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同時(shí)段自然風(fēng)壓測(cè)定結(jié)果Table 1 Results of natural wind pressure measurement in different periods

從表1 可以看出，106 煤礦自然風(fēng)壓變化規(guī)律，在1 月份自然風(fēng)壓處于最大，此時(shí)為冬季，環(huán)境溫度較低，自然風(fēng)壓平均值達(dá)到333 Pa。在7 月時(shí)自然風(fēng)壓最小，此時(shí)為夏季，環(huán)境溫度較高，自然風(fēng)壓平均值為32 Pa。由此得出，自然風(fēng)壓受環(huán)境溫度波動(dòng)影響大，氣候變化導(dǎo)致的通風(fēng)參數(shù)波動(dòng)。由此可以看出，自然風(fēng)壓在一天中的變化值小于40 Pa，正常情況下，礦井通風(fēng)機(jī)可進(jìn)行正常的運(yùn)行。從上述數(shù)據(jù)可以看出，通常情況下，全年自然風(fēng)壓值在每天的2:00 時(shí)達(dá)到一天中的最高值，在18:00 時(shí)處于最低值，在2:00 ～18:00 中，自然風(fēng)壓隨著時(shí)間的進(jìn)行逐漸降低。超過(guò)18:00時(shí)開始逐漸升高，到次日2:00 時(shí)左右，達(dá)到最高水平。

2.2 反風(fēng)測(cè)定法對(duì)間接法的比對(duì)

根據(jù)礦井通風(fēng)阻力定律列出方程式，反風(fēng)前為抽出式通風(fēng)，106 煤礦的風(fēng)阻R抽為：

反風(fēng)時(shí)為壓入式通風(fēng)，風(fēng)阻R壓為：

由于反風(fēng)前和反風(fēng)期間風(fēng)阻不變，即R抽=R壓聯(lián)立方程式（2）、（3），得出：

式中：R抽為抽出式通風(fēng)時(shí)的風(fēng)阻，N·s2/m8；R壓為反風(fēng)時(shí)（壓入式） 通風(fēng)時(shí)的風(fēng)阻，N·s2/m8；Q抽為抽出式通風(fēng)時(shí)的礦井風(fēng)量，m3/s；Q壓為反風(fēng)時(shí)（壓入式） 的礦井風(fēng)量，m3/s；h壓為反風(fēng)時(shí)（壓入式） 的礦井相對(duì)全壓，Pa；h抽為抽出式通風(fēng)時(shí)的礦井相對(duì)全壓，Pa。

根據(jù)2020 年6 月30 日反風(fēng)演習(xí)測(cè)定數(shù)據(jù)，礦井風(fēng)機(jī)運(yùn)行0、31 Hz，礦井進(jìn)風(fēng)4982 m3/min，靜壓-540 Pa；反風(fēng)時(shí)，礦井進(jìn)風(fēng)3717 m3/min，靜壓380 Pa，帶入式（3） 計(jì)算得h自=51 Pa，在4 月28 日—7 月28 日測(cè)定區(qū)間。

3 自然風(fēng)壓在礦井中的應(yīng)用

3.1 自然風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)關(guān)系分析

由于自然風(fēng)壓產(chǎn)生的特性，可以把自然風(fēng)壓看成與礦井主要通風(fēng)機(jī)是一種串聯(lián)關(guān)系，在機(jī)械通風(fēng)礦井中，自然風(fēng)壓絕對(duì)值隨風(fēng)量增大略有增大，風(fēng)機(jī)停止工作時(shí)自然風(fēng)壓依然存在，因此用平行于Q軸的直線表示自然風(fēng)壓特性。根據(jù)表1，春秋季節(jié)自然風(fēng)壓比較接近，分別用I春秋、I夏、I冬表示，繪制曲線如圖2 所示。

圖2 自然風(fēng)壓與通風(fēng)機(jī)關(guān)系Fig.2 Relationship between natural wind pressure and ventilator

由圖2 可知，I夏對(duì)主要通風(fēng)機(jī)幫助較小，I春秋其次，I冬最大，風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)隨自然風(fēng)壓的變化而移動(dòng)。

3.2 自然風(fēng)壓的應(yīng)用

106 煤礦主扇葉片安裝角度為0，2020 年6 月礦井需風(fēng)量為4856 m3/min，工況點(diǎn)在34 Hz，結(jié)合夏季自然風(fēng)壓，只需要將風(fēng)機(jī)調(diào)整到32 Hz，實(shí)際測(cè)得礦井進(jìn)風(fēng)量5019 m3/min，礦井負(fù)壓為540 Pa。11 月份隨著礦井掘進(jìn)工作面的增加，局部用風(fēng)地點(diǎn)增加，計(jì)算礦井需要風(fēng)量5662 m3/min，工況點(diǎn)在38 Hz，結(jié)合冬季自然風(fēng)壓，只需要將風(fēng)機(jī)調(diào)整到32 Hz，實(shí)際測(cè)得礦井進(jìn)風(fēng)量5712 m3/min，礦井負(fù)壓245 Pa。掌握礦井自然風(fēng)壓規(guī)律為礦井風(fēng)量調(diào)整提供了可靠的技術(shù)支撐（圖3）。

圖3 性能曲線圖Fig.3 Performance curve

根據(jù)2020 年7 月礦井通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果，礦井正常通風(fēng)的過(guò)程中，礦井通風(fēng)阻力一般為一個(gè)定值，礦井需風(fēng)量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)太大的變化。此處，礦井風(fēng)阻值為0.08407 N·s2/m8，根據(jù)式（5）：

式中：HN為礦井自然風(fēng)壓，Pa；R 為礦井的風(fēng)阻值，N·s2/m8；QN為自然風(fēng)壓?jiǎn)为?dú)作用時(shí)礦井總風(fēng)量，m3/s。

將表1 自然風(fēng)壓平均值代入式（5），得到不同時(shí)段自然風(fēng)壓可產(chǎn)生的風(fēng)量，見(jiàn)表2。表中1 月的風(fēng)量最大，為3775 m3/min，7 月的風(fēng)量最小，為1170 m3/min。

表2 不同時(shí)段自然風(fēng)壓可產(chǎn)生風(fēng)量Table 2 Natural wind pressure can produce air volume in different period

根據(jù)106 煤礦測(cè)試報(bào)告，并結(jié)合表2 繪制不同時(shí)段自然風(fēng)壓可產(chǎn)生風(fēng)量的變化曲線如圖4 所示。自然風(fēng)壓通風(fēng)風(fēng)量最低值為1170 m3/min，夏季自然風(fēng)壓達(dá)到全年最低值，約為32 Pa；自然風(fēng)壓通風(fēng)風(fēng)量最高值為3775 m3/min，此時(shí)為冬季，自然風(fēng)壓達(dá)到全年最大值，約為333 Pa。隨著季節(jié)變化，溫度升高，自然風(fēng)壓風(fēng)量隨之減少，溫度降低，自然風(fēng)壓風(fēng)量隨之升高。

圖4 不同時(shí)段自然風(fēng)壓可產(chǎn)生風(fēng)量Fig.4 Air volume produced by natural wind pressure in different periods

主要通風(fēng)機(jī)停風(fēng)后，及時(shí)打開防爆門，礦井自然風(fēng)壓可為礦井提供風(fēng)量，以保障機(jī)械設(shè)備停風(fēng)期間，主要巷道通風(fēng)良好。

4 自然風(fēng)壓產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)對(duì)比風(fēng)機(jī)性能曲線，充分利用礦井自然風(fēng)量，在不同季節(jié)礦井輸入的功率與工況點(diǎn)功率相關(guān)，例如，冬季期間每小時(shí)可減少輸入功率30 kW，一個(gè)月可節(jié)省能耗21600 kW，相當(dāng)于節(jié)省2萬(wàn)元，尤其在106 煤礦自然風(fēng)壓全年處于輔助通風(fēng)狀態(tài)，充分利用自然風(fēng)壓可為礦井創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 社會(huì)效益

自然風(fēng)壓是通風(fēng)動(dòng)力，掌握自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，可了解井下通風(fēng)變化情況，同時(shí)自然風(fēng)壓也是礦井事故發(fā)生的原因之一。因此，進(jìn)一步掌握自然風(fēng)壓的規(guī)律，有助于防止出現(xiàn)自然風(fēng)壓與礦井通風(fēng)動(dòng)力相反的現(xiàn)象。根據(jù)自然風(fēng)壓的時(shí)間分布，合理調(diào)整井下采、掘工作面布局，將生產(chǎn)任務(wù)向自然風(fēng)壓較大季節(jié)期間傾斜，使自然風(fēng)壓的效用最大化。

5 結(jié)論

（1） 106 煤礦自然風(fēng)壓變化規(guī)律，1 月自然風(fēng)壓達(dá)到最大值為333 Pa，7 月自然風(fēng)壓達(dá)到最小值為32 Pa。

（2） 自然風(fēng)壓與礦井主要通風(fēng)機(jī)是一種串聯(lián)關(guān)系，I夏對(duì)主要通風(fēng)機(jī)幫助較小，I春秋其次，I冬最大，風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)隨自然風(fēng)壓的變化而移動(dòng)。

（3） 不同時(shí)段自然風(fēng)壓產(chǎn)生的風(fēng)量，1 月的風(fēng)量最大，為3775 m3/min，7 月的風(fēng)量最小，為1170 m3/min。

（4） 針對(duì)106 煤礦自然風(fēng)壓的調(diào)查研究，掌握煤礦自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)采取應(yīng)急措施，避免自然發(fā)火的發(fā)生。