自然風壓對北嶺煤業通風的影響分析

郭 琦

(中煤平朔集團北嶺煤業有限公司,山西 朔州 036006)

礦井自然風壓的形成原因一般有兩個,一個是井筒的標高差,另一個是空氣的密度差。礦井自然風壓對礦井通風有一定影響,一般表現在冬季加強機械通風,夏季阻礙機械通風。但是一些地方小窯依據當地地勢修筑進、回風井,使得自然風壓對礦井通風的影響表現出多元化的特點。

1 原小窯通風系統概況

北嶺煤業原為地方小窯,原來采用中央并列式通風方式,抽出式通風方法。主斜井、副斜井進風,回風斜井回風。主井標高1 275.5 m,副井標高1 260.3 m,回風井標高1 275.3 m。礦井主通風機型號為FBCDZ-№24,其中1臺通風機工作,1臺備用。主斜井斷面為8.5 m2,副斜井斷面為12.6 m2。

2 問題的提出

2016年11月15號,氣溫下降明顯,測風數據如表1所示,主斜井進風量減少,副斜井進風量增加,總回風量基本保持不變,副斜井開始出現結冰現象。

表1 2016年11月15日測風數據和正常測風數據對比表

3 原因分析

隨著氣溫的下降,礦井的自然風壓發生了變化,對礦井通風系統產生作用,出現了上述的現象。

3.1 理論分析

1)主斜井井口標高高于副斜井井口標高,兩井筒井口標高相差15 m,形成自然風壓[1];

2)因季節變更,大氣晝夜溫差大,夜間大氣溫度驟降,這是出現這一現象的客觀因素之一[2];

3)副斜井支護采用鋼筋混凝土,主斜井支護采用錨網噴,地面空氣在溫度較低情況下分別進入井筒后,因兩井筒支護材料不同,副斜井空氣與圍巖熱交換較快,溫度下降幅度大,主斜井空氣與圍巖熱交換較慢,溫度下降幅度小,致使兩井筒空氣柱產生溫差,造成自然風壓;

4)副斜井井筒內有淋水,主斜井較干燥,兩井筒間的空氣濕度不同,兩井筒空氣密度出現差異,造成自然風壓[3];

5)因基建運輸影響,兩進風井筒間(在主輔聯巷)未徹底完善風流隔斷設施,這是造成主副斜井風量受氣溫下降而發生變化的主觀因素之一[4]。

3.2 數學分析

圖1為北嶺煤業通風簡化示意圖。

圖1 北嶺煤業通風簡化示意圖Fig.1 Simplified schematic diagram of ventilation in Beiling Coal Industry

根據圖1可知,我礦的通風系統有3個支路:主斜井—回風井支路(Z—A—H支路);副斜井—回風井通路(F—B—H支路);主斜井—副斜井支路(Z—A—B—F支路)。

主斜井進風處的綜合風壓為:

pZ=pZJ+pZH+pZF.

(1)

副斜井進風處的綜合風壓為:

pF=pFJ+pFH+pZF.

(2)

式中:pZJ為Z—A—H支路在Z處的機械風壓,Pa;pZH為Z—A—H支路在Z處的自然風壓,Pa;pFJ為F—B—H支路在F處的機械風壓,Pa;pFH為F—B—H支路在F處的自然風壓,Pa;pZF為Z—A—B—F支路產生的自然風壓,Pa。

我們規定機械風壓方向為正,冬天進風在進風井口被加熱,使得井內空氣溫度高于大氣溫度,則式(1)、(2)可整理為:

pZ=pZJ-pZH-pZF.

(3)

pF=pFJ-pFH+pZF.

(4)

對于主斜井—副斜井支路(Z—A—B—F支路),分析其自然風壓[5]:

(5)

式中:h為礦井最高點至最低點水平的距離,m;g為重力加速度,m/s2;ρ1、ρ2分別為Z′—B和Z—A巷道中dz段的空氣密度,kg/m3。

我們為了簡化計算,取ρ1、ρ2為Z′—B和Z—A巷道空氣的平均密度,則公式(5)可簡化為:

pZF=hg(ρ1-ρ2) .

(6)

同理:

pZH=hg(ρ3-ρ2) .

(7)

pFH=hg(ρ3-ρ1) .

(8)

式中:ρ3為回風井內空氣的平均密度,kg/m3。

副斜井支路由于線路短、斷面大、風阻小,因而風量大、風速高,在外界氣溫低的情況下進風流溫度升高的幅度小,加之副斜井有漏水處,空氣濕度也大,這就導致了空氣平均密度變大;而主斜井支路則由于線路長斷面小,風阻大,因而風量小,風速低,在外界氣溫低的情況下進風流溫度升高的幅度大,空氣平均密度變小,這樣副斜井和主斜井空氣平均密度的差值就會變大[6]。

隨著外界氣溫的降低副斜井和主斜井的空氣溫度都會下降,但是通過上述分析,我們知道副斜井和主斜井空氣平均密度的變化應該為:ρ1↑↑↑,ρ2↑。因為井下幾乎常年處于恒溫狀態,所以我們認為ρ3維持不變,則

pZF=hg(ρ1↑↑↑-ρ2↑)?pZF↑↑ .

(9)

pZH=hg(ρ3-ρ2↑)?pZH↓ .

(10)

pZ=pZJ-pZH↓-pZF↑↑?pZ↓ .

(11)

pFH=hg(ρ3-ρ1↑↑↑)?pFH↓↓↓ .

(12)

pF=pFJ-pFH↓↓↓+pZF↑↑?pF↑ .

(13)

由上述公式推導,我們發現,外界氣溫下降,主斜井的綜合風壓減小,副斜井的綜合風壓增大,所以就出現了主斜井進風量減少,副斜井風量增加的情況。

同理隨著外界氣溫的升高,副斜井和主斜井的空氣溫度都會上升,在我們認為ρ3維持不變的情況下,上述公式符號升降變為反向,會出現主斜井的綜合風壓增大,副斜井的綜合風壓減小,導致主斜井進風量增加,副斜井風量減少的情況。

4 解決措施

結合原因分析,礦通風部門及時并有針對性地采取了措施。

1)通過增加副斜井井口卷閘門的開合度,增大副斜井井筒風阻，減小其進風量,可以有效地消除副斜井結冰現象,同樣也可以達到增加主斜井機械風壓的作用;

2)清除主斜井冒落浮煤和雜物,增大主斜井的斷面,減小井筒風阻;

3)在保證主斜井最低進風溫度的前提下,適當的降低主斜井加熱風機的功率;

4)適當的提高副斜井加熱風機的功率;

5)在主輔聯巷處設置正反風門,完全隔斷兩個進風井筒間的連接,徹底形成獨立進風通道,最大程度的減少由于氣溫導致的自然風壓變化,影響礦井通風的現象。

采取上述綜合措施后,礦通風部門又進行了全面的測風,發現主斜井和副斜井進風量恢復到正常水平,副斜井結冰現象消失。在之后每旬一次的測風中也未發現兩個進風井筒風量大幅變化的情況。

5 結束語

自然風壓對礦井通風的影響隨著季節的變化在變化,主要表現在夏季和冬季。本文結合北嶺煤業的實際通風情況、井巷的布置和冬季氣溫變化，綜合分析了自然風壓的產生和影響礦井通風的原因,解決了自然風壓對北嶺煤業通風的影響,保證了礦井的通風安全可靠,同時為類似礦井消除自然風壓影響提供了借鑒。