天山煤電公司106 煤礦自然風壓的規律研究與應用

上官昌培

（中煤能源新疆天山煤電有限責任公司，新疆 昌吉 831200）

0 引言

106 煤礦位于新疆昌吉高山地區，根據近幾年氣象數據統計，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風、斜井回風礦井，自然風壓隨季節的變化及對礦井通風系統的影響十分明顯，自然風壓已經成為影響礦井通風系統穩定性的重要因素[1]。為充分利用礦井自然風壓，106 煤礦根據季節變化，對礦井自然風壓規律進行研究，為礦井主通風機運行工況點的調整及抗災能力具有重要意義[2-5]。研究表明，自然風壓有幾點影響因素：①礦井某一回路中兩側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，從而影響自然風壓；③井深；④主要通風機的工作對自然風壓的大小和方向也有一定影響。根據自然風壓的影響因素，結合礦井的實際情況，有效控制自然風壓以避免事故發生。

1 井田概況

天山煤電公司106 煤礦礦井通風方式為中央分列式，是典型的平硐進風、斜井回風礦井，主要進風平硐標高+1273 m，回風斜井標高+1778 m，兩井筒標高相差505 m，進風平硐和回風斜井空氣溫度、冬季礦井防凍設施為礦井進風加溫，以及巷道巖體溫度不同，是形成自然風壓的主要原因。實測數據表明，回風斜井空氣氣溫一般常年不變，在14 ～16 ℃，進風平硐空氣溫度則隨季節變化而變化，尤其冬季進風系統溫度就低，經過井口空氣加熱后，進風平硐溫度在15 ～20 ℃，一年四季氣溫變化大，自然風壓也大，對礦井機械通風影響大。

2 礦井自然風壓規律探索

根據礦井自然風壓測定方法，比較常用的有直接測定法、反風測算法、間接測定法。由于礦井正常生產期間，用直接法測定影響較大，因此本文采用間接法進行自然風壓測定，用反風法進行驗證，天山公司106 煤礦通風系統示意如圖1 所示。

圖1 106 煤礦通風系統示意Fig.1 Ventilation system of 106 Coal Mine

2.1 自然風壓測定

測出進、回風兩井筒空氣柱的平均密度，由式（1） 可計算自然風壓的大小，即：

式中：H 為礦井自然風壓，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段的自然風壓變化規律，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 進行測定，自然風壓測定結果見表1。

表1 不同時段自然風壓測定結果Table 1 Results of natural wind pressure measurement in different periods

從表1 可以看出，106 煤礦自然風壓變化規律，在1 月份自然風壓處于最大，此時為冬季，環境溫度較低，自然風壓平均值達到333 Pa。在7 月時自然風壓最小，此時為夏季，環境溫度較高，自然風壓平均值為32 Pa。由此得出，自然風壓受環境溫度波動影響大，氣候變化導致的通風參數波動。由此可以看出，自然風壓在一天中的變化值小于40 Pa，正常情況下，礦井通風機可進行正常的運行。從上述數據可以看出，通常情況下，全年自然風壓值在每天的2:00 時達到一天中的最高值，在18:00 時處于最低值，在2:00 ～18:00 中，自然風壓隨著時間的進行逐漸降低。超過18:00時開始逐漸升高，到次日2:00 時左右，達到最高水平。

2.2 反風測定法對間接法的比對

根據礦井通風阻力定律列出方程式，反風前為抽出式通風，106 煤礦的風阻R抽為：

反風時為壓入式通風，風阻R壓為：

由于反風前和反風期間風阻不變，即R抽=R壓聯立方程式（2）、（3），得出：

式中：R抽為抽出式通風時的風阻，N·s2/m8；R壓為反風時（壓入式） 通風時的風阻，N·s2/m8；Q抽為抽出式通風時的礦井風量，m3/s；Q壓為反風時（壓入式） 的礦井風量，m3/s；h壓為反風時（壓入式） 的礦井相對全壓，Pa；h抽為抽出式通風時的礦井相對全壓，Pa。

根據2020 年6 月30 日反風演習測定數據，礦井風機運行0、31 Hz，礦井進風4982 m3/min，靜壓-540 Pa；反風時，礦井進風3717 m3/min，靜壓380 Pa，帶入式（3） 計算得h自=51 Pa，在4 月28 日—7 月28 日測定區間。

3 自然風壓在礦井中的應用

3.1 自然風壓與風機關系分析

由于自然風壓產生的特性，可以把自然風壓看成與礦井主要通風機是一種串聯關系，在機械通風礦井中，自然風壓絕對值隨風量增大略有增大，風機停止工作時自然風壓依然存在，因此用平行于Q軸的直線表示自然風壓特性。根據表1，春秋季節自然風壓比較接近，分別用I春秋、I夏、I冬表示，繪制曲線如圖2 所示。

圖2 自然風壓與通風機關系Fig.2 Relationship between natural wind pressure and ventilator

由圖2 可知，I夏對主要通風機幫助較小，I春秋其次，I冬最大，風機的工況點隨自然風壓的變化而移動。

3.2 自然風壓的應用

106 煤礦主扇葉片安裝角度為0，2020 年6 月礦井需風量為4856 m3/min，工況點在34 Hz，結合夏季自然風壓，只需要將風機調整到32 Hz，實際測得礦井進風量5019 m3/min，礦井負壓為540 Pa。11 月份隨著礦井掘進工作面的增加，局部用風地點增加，計算礦井需要風量5662 m3/min，工況點在38 Hz，結合冬季自然風壓，只需要將風機調整到32 Hz，實際測得礦井進風量5712 m3/min，礦井負壓245 Pa。掌握礦井自然風壓規律為礦井風量調整提供了可靠的技術支撐（圖3）。

圖3 性能曲線圖Fig.3 Performance curve

根據2020 年7 月礦井通風阻力測定結果，礦井正常通風的過程中，礦井通風阻力一般為一個定值，礦井需風量在一定范圍內波動，不會出現太大的變化。此處，礦井風阻值為0.08407 N·s2/m8，根據式（5）：

式中：HN為礦井自然風壓，Pa；R 為礦井的風阻值，N·s2/m8；QN為自然風壓單獨作用時礦井總風量，m3/s。

將表1 自然風壓平均值代入式（5），得到不同時段自然風壓可產生的風量，見表2。表中1 月的風量最大，為3775 m3/min，7 月的風量最小，為1170 m3/min。

表2 不同時段自然風壓可產生風量Table 2 Natural wind pressure can produce air volume in different period

根據106 煤礦測試報告，并結合表2 繪制不同時段自然風壓可產生風量的變化曲線如圖4 所示。自然風壓通風風量最低值為1170 m3/min，夏季自然風壓達到全年最低值，約為32 Pa；自然風壓通風風量最高值為3775 m3/min，此時為冬季，自然風壓達到全年最大值，約為333 Pa。隨著季節變化，溫度升高，自然風壓風量隨之減少，溫度降低，自然風壓風量隨之升高。

圖4 不同時段自然風壓可產生風量Fig.4 Air volume produced by natural wind pressure in different periods

主要通風機停風后，及時打開防爆門，礦井自然風壓可為礦井提供風量，以保障機械設備停風期間，主要巷道通風良好。

4 自然風壓產生的經濟效益和社會效益

4.1 經濟效益

通過對比風機性能曲線，充分利用礦井自然風量，在不同季節礦井輸入的功率與工況點功率相關，例如，冬季期間每小時可減少輸入功率30 kW，一個月可節省能耗21600 kW，相當于節省2萬元，尤其在106 煤礦自然風壓全年處于輔助通風狀態，充分利用自然風壓可為礦井創造經濟效益。

4.2 社會效益

自然風壓是通風動力，掌握自然風壓的變化規律，可了解井下通風變化情況，同時自然風壓也是礦井事故發生的原因之一。因此，進一步掌握自然風壓的規律，有助于防止出現自然風壓與礦井通風動力相反的現象。根據自然風壓的時間分布，合理調整井下采、掘工作面布局，將生產任務向自然風壓較大季節期間傾斜，使自然風壓的效用最大化。

5 結論

（1） 106 煤礦自然風壓變化規律，1 月自然風壓達到最大值為333 Pa，7 月自然風壓達到最小值為32 Pa。

（2） 自然風壓與礦井主要通風機是一種串聯關系，I夏對主要通風機幫助較小，I春秋其次，I冬最大，風機的工況點隨自然風壓的變化而移動。

（3） 不同時段自然風壓產生的風量，1 月的風量最大，為3775 m3/min，7 月的風量最小，為1170 m3/min。

（4） 針對106 煤礦自然風壓的調查研究，掌握煤礦自然風壓的變化規律，發現漏風現象應及時采取應急措施，避免自然發火的發生。