利用可控自然風壓調控礦井通風系統可行性探討

摘要:文章通過對自然風壓產生機理的分析，提出調節控制自然風壓的方法，利用自然風壓通風，可以節省大量的電能和設備，這一節能的新方法將是今后礦井通風發展的方向。

關鍵詞:可控；自然風壓；通風系統；節能

中圖分類號：TD724文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）18-0166-01

自然風壓是一種非機械能量的附加壓力，由于目前各礦井普遍使用機械通風，人們往往忽略了自然風壓對礦井通風系統的影響，在地處平原地區開采較淺的礦井，自然風壓及其產生的風量均較小，可以忽略不計。但地處山區、平原地區的高溫深井以及東北西北地區的煤礦在冬季開采時，自然風壓產生的風量往往要占礦井機械風量的30%~40%，甚至有的礦井自然風壓產生的風量超過礦井機械風機的風量。

自然風壓受礦井進回風井的高差、空氣溫差、濕度及大氣壓力等諸多因素的影響，在這些因素發生變化時，造成其產生的風量也發生變化，甚至發生礦井或局部區域風流逆轉現象。由于自然風壓及其產生的風量、風流方向的這種不確定性，為防止事故發生，《煤礦安全規程》第121條規定:“礦井必須采用機械通風……”，《煤礦安全規程》同時還對主要通風機及其附屬設施的安裝、使用、檢查、維修、管理等都作了較為詳細的規定，由此可見機械通風在礦井安全生產中的作用。

礦井在利用機械通風期間，自然風壓依然存在，它的表現形式有時是幫助主要通風機工作，增加礦井的風量。有時則表現為抵消機械通風的能量，使礦井風量降低。機械通風和自然通風相比有著天然的優越性，機械通風在礦井安全管理上最大的優點是穩定可靠，因為我們通常認為機械通風是可以人為控制的，而自然通風好像不易控制。除此這外，我們還可以發現，機械通風比自然通風也有致命的缺點，比如機械通風存在設備投資大、系統復雜、電耗高、噪音大、操作復雜、管理難度大等問題，尤其是電耗，一個使用機械通風的礦井，其主要通風機的電耗往往要占到礦井總電耗的30%以上，而利用自然通風則可以節省大量的能量，無噪音，不需要大量的附屬設施。既然自然風壓通風有那么多的優點，而以前我們所強調的自然通風的主要缺點是不可靠、不容易控制，那么我們現在要考慮的問題是，能否人為控制礦井的自然風壓，利用可控自然風壓通風為礦井服務。

1自然風壓的形成

自然風壓是指在自然狀態下，由于礦井進回井之間溫度、氣壓等因素的差異，使得進回風井筒空氣重量變化而形成的一種壓力，其計算公式為：

Ｈ自=Ｚ(γ進-γ回)=Ｚγ進（Ｔ回-Ｔ進）/Ｔ回

式中：Ｈ自為礦井自然風壓，Pa；Ｚ為井筒深度，m；γ進為進風井筒的空氣平均重率，Ｎ/m3；γ回為回風井筒的空氣平均重率，Ｎ/m3；Ｔ進為進風井筒的空氣平均溫度，Ｋ；Ｔ回為回風井筒的空氣平均溫度，Ｋ。

由上述公式可以看出，自然風壓的大小與礦井的深度、進回風井的空氣平均溫度有關。于是，如何控制進回風井井筒之間的溫差，便成了控制自然風壓的關鍵。

2自然風壓的控制

2.1自然風壓控制的可行性分析

井筒中空氣柱的重量差異是形成礦井自然風壓的根本原因，而空氣溫度的差異又是造成空氣重量差異的關鍵。影響礦井進回風井溫差的因素較多，一般來講，影響進回風井溫度的因素有：大氣溫度、濕度、礦井地熱情況、礦井開采深度、開采強度、開采范圍的大小、機械化程度的高低等。但在同一季節的某段時間內，礦井開采沒有很大變化的前提下，進回井之間的溫差變化一般不會很大，可以認為基本穩定，由此產生的風量變化也不會太大。但在換季期間，礦井進回風井之間的溫差變化可能較大，由此產生的風量變化也會較大。

一個生產礦井，進回風井的高度應為一個固定數，要使自然風壓產生的風量保持相對的穩定，根據自然風壓公式，只要使進回風井的溫差保持相對穩定即可。為此，我們取△Ｔ為我們需要控制的進回井筒的溫差，（其實△Ｔ是一個溫度比率，無量綱），則由此產生的自然風壓為：

Ｈ自=Ｚγ進△Ｔ

其中：△Ｔ=（Ｔ回-Ｔ進）/Ｔ回

根據通風阻力定律：Ｈ=ＲＱ2= Ｚγ進△Ｔ

式中：Ｈ為礦井總風壓，Pa；R為礦井總風阻，Ｎ·s2/m8；Ｑ為礦井總風量，m3/s。

在此公式中，因△T是我們人為控制的數值，Z是一個定值，礦井風阻R在一段時間內不變，也可以看作是一個常量，那么由此自然風壓產生的風量Q也就成為一個固定值。

相反，一個礦井根據其生產需要的風量可以很容易地得出自然風壓所需控制的△T。

在一個生產礦井， 地面大氣直接進入進風井，進風井筒和進入的地面大氣經過長期接觸，進行了充分的熱交換，井筒不再對進入井筒的風流散熱，因而進風井筒的風流溫度和地面大氣溫度相近，受地面氣候影響較大；而從井下各采區及其它用風地點流入回風井筒的風流也與井巷進行了長期的熱交換，只是和回風井進行熱交換的風流經過采區時溫度不同程度地升高，大氣與回風井筒進行熱交換時將回風井筒變成一個恒溫圈。這樣，在進回風井就形成了一個初始的溫差△T′，這個溫差可能是一個正數，也可能是一個負數或零，這個△T′和需要控制的△T存在著一定的差距，要彌補這個溫度上的差距，通過對其中一條井筒降溫或升溫在理論上是可以實現的。

2.2可控自然風壓的實施

調節控制礦井的△T值，有許多不同的方法。比如對進風井筒降溫、對回風井筒增溫、增加井筒高度等，這些方法可以采用一種，有條件的礦井也可以多種方法同時使用。不同的礦井，同一礦井不同時期采用的方法也不盡相同，但較為簡單、易于操作的是增加回風井風流的溫度，比如在回風井設置空氣增熱器或在回風井鋪設暖風管道。

在礦井生產過程中，進風井的溫度變化較大，為使溫度控制更為準確，更快地控制自然風壓、調整風量，我們可以利用礦井的監控系統，在進回風井及地面的適當位置設置溫度傳感器和氣壓傳感器，對巷道溫度和地面大氣壓力進行實時監測。監控系統將收集到的數據傳輸到監控系統的計算機后，系統中的專門程序對這些數據進行篩選、分析、計算后，將輸出調整巷道溫度的指令，可以采用人工或自動的方法對井巷溫度進行調整，從而達到利用自然風壓通風穩定可靠節能的目的。

可控自然風壓通風的實施要根據各礦不同的情況具體進行，滿足自然通風條件難度較大的礦井可在一個季節里利用可控自然風壓通風，其余時間用機械通風；滿足自然通風條件容易的礦井可在更長的時間里利用自然風壓通風。這樣，既能保證礦井的安全，又能達到節能的目的。

3結語

在大中型礦井專門利用可控自然風壓通風目前尚未有實踐的先例。文章只是從理論上對其可行性進行分析探討。由于可控自然風壓通風不使用機械動能，因而可以節省大量的電力。由于井筒深度和井筒溫度不可能無限制地增加，自然通風產生的風量不會太大，因而可控自然風壓通風適合一些中小型礦井。在大型礦井中，由于用風量較大，僅用自然通風顯然是不能滿足的，但在利用機械通風的同時，利用可控自然風壓產生的風量對礦井通風系統進行補充調整，也同樣能達到增加礦井風量，降低能耗的目的。

參考文獻：

[1] 常心坦，劉劍，王德明.礦井通風及熱害防治[M].北京:中國 礦業大學出版社，2007.

[2] 國家安全生產監督管理總局.煤礦安全規程[M].北京:煤炭 工業出版社，2011.