自然風(fēng)壓對(duì)云南某礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響分析

王孝東，童學(xué)林，陳書鵬，符浩南

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

自然風(fēng)壓作為礦井通風(fēng)動(dòng)力源之一，是影響礦井安全生產(chǎn)的重要因素，部分礦山建井初期甚至完全依賴于自然風(fēng)壓通風(fēng)[1]。其主要形成原因是，進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)溫度差、高度差與影響空氣重率變化等因素，導(dǎo)致兩井筒空氣柱質(zhì)量不等引起的壓差[2]。自然風(fēng)壓的影響有利有弊，大部分礦山面對(duì)自然風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響并沒有有效的處理措施。近年來，我國礦山與學(xué)者對(duì)自然風(fēng)壓的變化規(guī)律及對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響做了大量研究。文虎等[3]針對(duì)鄂爾多斯高原晝夜溫差大的特點(diǎn)，分析了不同時(shí)期自然風(fēng)壓變化及對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響，驗(yàn)證了進(jìn)、回風(fēng)井筒溫差越大，自然風(fēng)壓越大的變化規(guī)律。趙文彬等[4]通過測算一天中礦井自然風(fēng)壓的大小，建立變化曲線，得出15：00左右自然風(fēng)壓最低，通風(fēng)最困難。黃啟銘等[5]采用現(xiàn)場實(shí)測與模擬的方法，對(duì)受自然風(fēng)壓影響嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行定性定量分析，闡明了自然風(fēng)壓全年變化如正弦曲線。杜翠鳳等[6-7]模擬出不同環(huán)境溫度條件下礦井的自然風(fēng)壓，利用Origin和MINITAB等軟件對(duì)多種環(huán)境氣溫條件下的自然風(fēng)壓曲線進(jìn)行擬合，導(dǎo)出回風(fēng)豎井中自然風(fēng)壓的經(jīng)驗(yàn)公式。馬恒等[8]運(yùn)用流體靜力學(xué)、熱力學(xué)，結(jié)合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算算法，得出了礦井自然風(fēng)壓實(shí)時(shí)計(jì)算算法。

1 工程概況

云南省某礦山位于云南省滇東北，礦區(qū)屬亞熱帶高原型季風(fēng)氣候，雨量充沛，氣候良好，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，四季溫差不大。礦區(qū)年平均降雨量858.4 mm，最大降雨量1 156.8 mm，最小562.9 mm。每年11月至次年4月為干季，5至10月為雨季，雨季降水量占全年的87.7%，最小月降雨量9.1 mm(1月)，最大月降雨量187.5 mm(7月)。最大晝夜降雨量為220.3 mm。全年平均降雨日數(shù)155.7天。年平均有霜日36天，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，最大風(fēng)速19 m/s，平均風(fēng)速2.6 m/s。年平均相對(duì)濕度71%。

礦山采用“豎井—平巷—斜井”聯(lián)合開拓，通風(fēng)方式為3級(jí)抽出多級(jí)機(jī)站通風(fēng)，回風(fēng)平巷A平面風(fēng)機(jī)(下文稱1#風(fēng)機(jī))與B平面風(fēng)機(jī)(下文稱2#風(fēng)機(jī))串聯(lián)布置，型號(hào)為DK45-6-№20，1 332 m平面安裝1臺(tái)輔扇作為接力風(fēng)機(jī)使用(下文稱3#風(fēng)機(jī))，型號(hào)為DK40-6-№19。新鮮風(fēng)來自1#進(jìn)風(fēng)平巷、2#進(jìn)風(fēng)平巷與1#豎井，污風(fēng)通過回風(fēng)平巷排出。其中，礦井最低水平為1 031 m中段，1#豎井(標(biāo)高2 538 m)與地表相連，1#進(jìn)風(fēng)平巷(標(biāo)高1 568.2 m)、2#進(jìn)風(fēng)平巷(標(biāo)高1 928.8 m)與回風(fēng)平巷(標(biāo)高1 627.7 m)與礦山外部相連，位置最高的1#豎井與位置最低的1#進(jìn)風(fēng)平巷標(biāo)高相差969.8 m。

2 自然風(fēng)壓測算

本文主要研究礦井總自然風(fēng)壓[9]，根據(jù)進(jìn)回風(fēng)口及主、輔扇位置，整理了5條線路。為不影響井下正常施工，采用間接測定法對(duì)自然風(fēng)壓進(jìn)行測定，研究對(duì)象井深超100 m，井筒內(nèi)空氣狀態(tài)變化屬等溫過程，采用等溫公式計(jì)算自然風(fēng)壓[10]?？紤]到礦區(qū)晝夜溫差大的特點(diǎn)，避免特殊環(huán)境對(duì)計(jì)算造成誤差，在四季測量多組相關(guān)參數(shù)，取平均值作為計(jì)算參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表1，自然風(fēng)壓變化曲線見圖1。

圖1 自然風(fēng)壓變化曲線Fig.1 Natural wind pressure change curves

表1 自然風(fēng)壓計(jì)算表Table 1 Natural wind pressure calculation table

由表1可知，大部分自然風(fēng)壓為正值，幫助礦井通風(fēng)，線路一夏季的自然風(fēng)壓出現(xiàn)負(fù)值，不利于礦井通風(fēng)，H1夏季=-95.51 Pa。由于1#豎井口至1#進(jìn)風(fēng)口的高差較大，導(dǎo)致線路四自然風(fēng)壓值較大，全年波動(dòng)范圍約298.47 Pa。

分析圖1可知，5條線路自然風(fēng)壓呈現(xiàn)出基本相同的規(guī)律，即“夏季低、冬季高”形如正弦曲線的變化趨勢。

3 自然風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響

3.1 自然風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響

礦山采用“三進(jìn)一回”的通風(fēng)方式，自然風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響主要表現(xiàn)為1#進(jìn)風(fēng)平巷、2#進(jìn)風(fēng)平巷、回風(fēng)平巷與1#豎井間的相互作用。對(duì)一般礦井而言，自然風(fēng)壓不隨風(fēng)量而變[11]，但隨著通風(fēng)阻力的增大，導(dǎo)致井下風(fēng)量減少，從而使風(fēng)量達(dá)不到生產(chǎn)要求。為直觀準(zhǔn)確地得到自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響，結(jié)合現(xiàn)場測量與自然風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果，通過繪制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的方式進(jìn)行分析，見圖2。

圖2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Ventilation network diagram

圖2中，①～⑨為節(jié)點(diǎn)，①表示1#豎井，③表示2#進(jìn)風(fēng)口，⑦表示1#進(jìn)風(fēng)口，⑨表示回風(fēng)口，e1、e4、e7為進(jìn)風(fēng)分支，e10為回風(fēng)分支。由圖2可知，作為進(jìn)風(fēng)的1#豎井出現(xiàn)反風(fēng)現(xiàn)象，由“三進(jìn)一回”變成了“兩進(jìn)兩回”的通風(fēng)方式，其主要原因是受自然風(fēng)壓作用，相當(dāng)于在1#豎井井口安裝一臺(tái)風(fēng)壓200 Pa左右的風(fēng)機(jī)，2#進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的部分新鮮風(fēng)經(jīng)作業(yè)區(qū)通過回風(fēng)平巷排出，另一部分未經(jīng)過作業(yè)區(qū)被1#豎井抽出，造成大量新鮮風(fēng)外漏，使礦井內(nèi)風(fēng)流紊亂，局部地區(qū)甚至?xí)霈F(xiàn)風(fēng)量低、無風(fēng)等現(xiàn)象；由于1#進(jìn)風(fēng)口距1#豎井口較遠(yuǎn)，對(duì)1#豎井的影響較小，大部分新鮮風(fēng)通過e6與e9兩條分支流入作業(yè)區(qū)，最后由回風(fēng)平巷排出。

為解決1#豎井反風(fēng)現(xiàn)象，建議在進(jìn)風(fēng)分支e1處采用安裝風(fēng)門的形式進(jìn)行封堵，封堵后的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

圖3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖(進(jìn)風(fēng)分支e1封堵后)Fig.3 Ventilation network diagram(after the air inlet branch e1 is blocked)

由圖3可知，進(jìn)風(fēng)分支e1被封堵后，1#豎井作自由井使用，通風(fēng)方式變成了“兩進(jìn)一回”，2#進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的新鮮風(fēng)風(fēng)流線路為“e4→e3→e2→e8→e10”與“e4→e5→e9→e10”，有效解決了1#豎井的反風(fēng)問題。

3.2 自然風(fēng)壓對(duì)風(fēng)機(jī)的影響

本文研究對(duì)象井下3臺(tái)風(fēng)機(jī)在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中屬串聯(lián)關(guān)系，在風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行曲線分析中，使用風(fēng)機(jī)出廠特性曲線。其中，1#風(fēng)機(jī)與2#風(fēng)機(jī)葉片安裝角度40°/35°，3#風(fēng)機(jī)葉片安裝角度為35°/30°。根據(jù)“風(fēng)壓相加，風(fēng)量相等”的原則，繪制夏季、冬季不同風(fēng)機(jī)串聯(lián)作業(yè)時(shí)的等效合成特性曲線及串聯(lián)風(fēng)機(jī)與自然風(fēng)壓串聯(lián)的特性曲線，R2為風(fēng)機(jī)串聯(lián)后的風(fēng)阻，R1為臨界風(fēng)阻，點(diǎn)A為臨界工況點(diǎn)，如圖4～7。

圖4 風(fēng)壓特性曲線不同的風(fēng)機(jī)串聯(lián)作業(yè)時(shí)等效特性曲線(夏季)Fig.4 Equivalent characteristic curves of fans with different wind pressure characteristic curves in series operation(summer)

由于不同海拔高度的空氣密度不同，在葉輪直徑與轉(zhuǎn)速不變的情況下，風(fēng)壓與空氣密度關(guān)系[12]如下：

(1)

式中，H出廠為出廠工況點(diǎn)的風(fēng)壓，Pa；H實(shí)測為實(shí)測工況點(diǎn)的風(fēng)壓，Pa；ρ出廠為風(fēng)機(jī)工廠所在地區(qū)空氣密度，取1.293 g/L；ρ實(shí)測為風(fēng)機(jī)安裝位置空氣密度，1 332 m平面取1.115 g/L，回風(fēng)平巷取1.085 g/L；因此，實(shí)測工況點(diǎn)風(fēng)壓略小于出廠工況點(diǎn)風(fēng)壓，冬季同理。

圖4中，F(xiàn)1表示3#風(fēng)機(jī)性能曲線，M1、M2分別為出廠工況點(diǎn)與實(shí)測工況點(diǎn)，H1=2 172.4 Pa，Q1=72 m3/s，H2=1 872.7 Pa，Q2=72 m3/s；F2表示1#風(fēng)機(jī)性能曲線，M5、M6分別為風(fēng)機(jī)的出廠工況點(diǎn)與實(shí)測工況點(diǎn)，H5=3 216.4 Pa，Q5=80.5 m3/s，H6=2 698 Pa，Q6=80.5 m3/s；F3表示2#風(fēng)機(jī)性能曲線，M3、M4分別為風(fēng)機(jī)的出廠工況點(diǎn)與實(shí)測工況點(diǎn)，H3=3 249.8 Pa，Q3=81.1 m3/s，H4=2 726 Pa，Q4=81.1 m3/s；M7表示在3臺(tái)風(fēng)機(jī)串聯(lián)等效合成特效曲線上的工況點(diǎn)，H7=6 463.5 Pa，Q7=83.2 m3/s。

圖5中，F(xiàn)1表示3#風(fēng)機(jī)性能曲線，M1、M2分別為風(fēng)機(jī)的出廠工況點(diǎn)與實(shí)測工況點(diǎn)，H1=2 090.2 Pa，Q1=74.1 m3/s，H2=1 801.8 Pa，Q2=74.1 m3/s；F2表示1#風(fēng)機(jī)性能曲線，M5、M6分別為風(fēng)機(jī)的出廠工況點(diǎn)與實(shí)測工況點(diǎn)，H5=3 111.5 Pa，Q5=84.1 m3/s，H6=2 610.0 Pa，Q6=84.1 m3/s；F3表示2#風(fēng)機(jī)性能曲線，M3、M4分別為風(fēng)機(jī)的出廠工況點(diǎn)與實(shí)測工況點(diǎn)，H3=3 119.5 Pa，Q3=85.4 m3/s，H4=2616.7 Pa，Q4=85.4 m3/s；M7表示在3臺(tái)風(fēng)機(jī)串聯(lián)等效合成特效曲線上的工況點(diǎn)，H7=5 832.1 Pa，Q7=87.3 m3/s。

圖5 風(fēng)壓特性曲線不同的風(fēng)機(jī)串聯(lián)作業(yè)時(shí)等效特性曲線(冬季)Fig.5 Equivalent characteristic curves of fans with different wind pressure characteristic curves in series operation(winter)

自然風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)在井下類似于串聯(lián)作業(yè)，線路一、線路二和線路三均通過風(fēng)機(jī)，鑒于1#進(jìn)風(fēng)平巷與回風(fēng)巷距離較近，能較好地反映出自然風(fēng)壓對(duì)風(fēng)機(jī)的影響，故選取線路一作為風(fēng)機(jī)的主要影響線路。

如圖6，曲線F1+F2+F3為串聯(lián)風(fēng)機(jī)單獨(dú)作用時(shí)的特性曲線，曲線F′指自然風(fēng)壓為-95.51 Pa時(shí)與風(fēng)機(jī)聯(lián)合作用的特性曲線。對(duì)于3#風(fēng)機(jī)，a點(diǎn)為自然風(fēng)壓-95.51 Pa時(shí)反映在特性曲線上的工況點(diǎn)，同理，b點(diǎn)是反映在1#風(fēng)機(jī)特性曲線上的工況點(diǎn)，c點(diǎn)是反映在2#風(fēng)機(jī)特性曲線上的工況點(diǎn)?？梢娫谙募撅L(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)向風(fēng)機(jī)特性曲線左側(cè)偏移，自然風(fēng)壓不利于礦井通風(fēng)，風(fēng)量降低約3.5%，建議在通風(fēng)困難時(shí)期采用增大風(fēng)機(jī)功率和減少風(fēng)阻的方法提高礦井風(fēng)量。

圖6 夏季自然風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行曲線Fig.6 Combined operation curves of natural wind pressure and fan in summer

如圖7，曲線F1+F2+F3為串聯(lián)風(fēng)機(jī)單獨(dú)作用時(shí)的特性曲線，曲線F′指自然風(fēng)壓為162.81 Pa時(shí)與風(fēng)機(jī)聯(lián)合作用的特性曲線。對(duì)于3#風(fēng)機(jī)，a點(diǎn)為自然風(fēng)壓162.81 Pa時(shí)反映在特性曲線上的工況點(diǎn)，同理，b點(diǎn)是反映在1#風(fēng)機(jī)特性曲線上的工況點(diǎn)，c點(diǎn)是反映在2#風(fēng)機(jī)特性曲線上的工況點(diǎn)。冬季風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)向風(fēng)機(jī)特性曲線右側(cè)偏移，自然風(fēng)壓幫助風(fēng)機(jī)做功，風(fēng)量增加約4.9%。

圖7 冬季自然風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行曲線Fig.7 Combined operation curves of natural wind pressure and fan in winter

4 結(jié)論

1)整理了5條線路，自然風(fēng)壓均呈現(xiàn)“夏季低、冬季高”形如正弦曲線的變化趨勢，大部分時(shí)間自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)有利，線路四自然風(fēng)壓值最大，全年波動(dòng)范圍約298.47 Pa。

2)對(duì)自然風(fēng)壓的研究，大部分還停留在計(jì)算的層面，本文通過繪制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的方式，更加直觀地分析了自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)作為進(jìn)風(fēng)的1#豎井存在反風(fēng)現(xiàn)象，建議使用安裝風(fēng)門封堵的方式解決。

3)利用繪制風(fēng)機(jī)特性曲線圖的方式，定量地分析了自然風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)機(jī)的影響。冬季自然風(fēng)壓有利于礦井通風(fēng)，風(fēng)量增加約4.9%；夏季自然風(fēng)壓阻礙礦井通風(fēng)，風(fēng)量降低約3.5%，可以在通風(fēng)困難時(shí)期采取增大風(fēng)機(jī)功率和減少風(fēng)阻的方法提高礦井風(fēng)量。