井下通風系統自然風壓影響與防治分析

燕 峰

(汾西礦業兩渡煤業，山西 靈石 031302 )

引 言

自然風壓是指煤礦井下進回風巷道空氣壓力存在顯著壓差而導致的空氣能自由流動現象，其壓差的大小及方向會伴隨空氣溫度的改變而持續變化，是確保井下空氣持續運動的主要動力之一。自然風壓的存在對礦井通風系統往往有著一定的影響，因此如何采取有效措施，確保自然風壓對礦井通風的負面影響得以充分消除，對于提升礦井生產綜合效益具有積極意義。

1 礦井概述

馬脊梁礦現階段處于擴建時期，礦井采用“斜井+立井”的開拓方法，其井下通風系統布設示意圖如圖1所示。礦井主斜井、副井及風井標高基本相同，均在+1 200 m左右，其中，主斜井選用15°折返式布設方式，總長近2 100 m，如圖1所示。由于馬脊梁礦基建期間主風機運行狀態為低負壓運行，一旦風機運行故障或因季節變化而停止運行，井下巷道兩側的自然風壓便會對通風系統的正常運行造成負面影響，使得進風井或巷道出現無風、微風乃至風流反轉的情況，對井下生產安全造成威脅[1-2]。

2 自然風壓對通風系統的影響性分析

2.1 自然風壓的產生與影響要素

煤礦井筒深度與井巷端部空氣柱的溫差能夠對井下自然風壓造成極為顯著的影響。由于馬脊梁礦進風井與回風井的深度基本一致，因此井筒深度對井下風壓的影響能夠基本忽略，在這里主要考慮井巷溫差對自然風壓的影響性[3-5]。

圖1 井下通風系統布設示意圖

2.2 自然風壓理論分析

基于“科馬洛夫”經驗公式對馬脊梁礦自然風壓的大小進行計算分析，進而就自然風壓對礦井通風系統的影響性作出判定。由于礦井深度超過100 m，其自然風壓計算公式，如式(1)所示。

(1)

式中：He為自然風壓，Pa；p為大氣壓力，取值87 kPa；H為礦井回采深度，m；g為重力加速度，m/s2；T1為進風測溫度均值，K；T2為回風測溫度均值，K；R為礦井空氣常數，取值287 J/(kg·K)。

結合馬脊梁礦氣溫變化情況，其冬季進、回風溫度分別為2 ℃和16 ℃；夏季進、回風溫度分別為31 ℃和24 ℃，計算可知，冬季與夏季的自然風壓分別為258 Pa和-121 Pa。可見，在冬季礦井自然風壓與通風方向相同，有助于提升井下通風效果；夏季自然風壓與井下通風方向相反，會對井下正常通風的開展造成嚴重制約。

2.3 自然風壓變化規律與影響性分析

1) 主通風機未啟動時自然風壓變化規律

馬脊梁礦主風機受水害影響，曾于2016年被迫停轉三個月，這期間馬脊梁礦主要依靠外界自然風壓進行通風作業，具體形式為副井進風，主斜井回風。主通風機未開啟時副井進風量與溫度變化關系，如圖2所示[6]。

圖2 主通風機未開啟時副井進風量與溫度變化關系示意圖

由圖2可以發現，隨著礦井進風溫度的減小，礦井副井進風量持續增加，當進風溫度增加時進風量會持續降低。造成這種現象的根源在于自然風壓的變化，由于礦井主斜井溫度始終維持穩定，副井進風溫度便會對自然風壓的大小產生決定性的影響，當副井進風溫度增大時空氣密度降低，進風井與回風井之間的氣柱壓差便會減小，反之亦然。因此，在25 d前，進風溫度維持在25 ℃左右，進風量維持在1 500 m3/min；在25 d以后，進風溫度下降至20 ℃左右，此時風量增大至2 000 m3/min～2 500 m3/min。

2) 主通風機啟動時自然風壓變化規律

在礦井主通風機恢復正常運轉后，馬脊梁礦井下通風選用“兩進一回”的通風方式，由主斜井和副井進風，風井回風。此時，自然風壓對礦井通風系統的影響體現為3個井口間空氣柱的相互影響，如圖3所示。

圖3 主通風機開啟時副進、回風量與溫度變化關系示意圖

從圖3分析可知，主斜井與副井的進風溫度同回風井溫度相比整體偏低，在理論層次分析此時主副井相較于風井的風壓對于井下通風的開展是有力的，但若井下回風量保持基本不變，主副井的進風量會出現相互的影響，表現出此消彼長的態勢。圖3可見測量開始第2天便有顯著體現，當礦井進風通自然風壓方向相同時，進風量會顯著增大，而當進風通自然風壓方向相悖時，進風量會顯著降低。引起這一現象的根源便是主、副井溫差所引起的自然風壓所致[7]。

3) 季節轉換時自然風壓對通風影響性分析

圖4所示為巷道風量與主風機負壓變化趨勢，由圖4分析可知，冬季礦井回風巷風量始終保持相對穩定，維持在5 000 m3/min左右，同時，主副井井筒在自然風壓的影響性，其風量存在此消彼長的態勢。此外，在冬季礦井主斜井曾發生回風現象，分析其原因是因為其井口保暖效果不佳，且大門開啟導致進風溫度較低，但巷道長度較大，加之運輸機持續運轉，使得主斜井溫度高出副井5 ℃～8 ℃左右，結合公式(1)，主、副井自然風壓可達102 Pa～270 Pa，但該時期主風機負壓約為250 Pa左右，分配至主斜井路線上的動力可能低于主副井建的自然風壓，從而會引起主斜井的回風。

圖4 主斜井風量與主風機負壓變化示意圖(負值代表回風)

3 提升通風系統運行穩定性的應對措施

為確保生產作業時通風系統運行的穩定性，應當采取措施進行應對：對主通風機運行參數進行調整，降低主通風機外部漏風現象，提升通風機運行效率；盡可能采用機械通風；縮小井筒間溫度差；主斜井回風時，盡量減小進風溫度并提升副井進風溫度；在主斜井適宜位置安裝局部風機，一旦出現主斜井風流反向的情況，則啟動局部風機向主斜井壓風，改變風流方向。

4 結語

礦井通風系統作為井下生產作業安全的根本性保障，其運行的有效性對生產安全質量的高低至關重要。而自然風壓作為影響井下通風系統運行的主要因素之一，礦井管理者必須增強對其的研究重視度，組織精干力量，對礦井自然風壓變化規律加以探究，并在此基礎上制定有效的自然風壓危險防范措施，從而為整個礦井生產安全的持續開展提供根本性保障。