深部開采礦井自然風壓演化規律研究

韓 明 王 凱 國 琛

（山東唐口煤業有限公司，山東 濟寧 272000）

自然風壓現象是受地溫、地質條件、當地氣候影響及井上下多種因素共同作用所引起的促使空氣沿井巷流動的現象。由于大氣壓和溫度隨著季節的變化而變化，地面空氣進入礦井后與井下熱源進行熱量交換，致使井下各段空氣溫度不同[1-2]；同時由于大氣壓隨深度的增加而增加以及風流在流動過程發生自壓縮，均會不斷改變空氣的密度，導致進風段和回風段空氣柱重力不平衡而出現能量差，促進風流沿井巷流動[3]。但自然風壓不可作為礦井通風的主要動力源，因其是一種可變的動力源，自然風壓會對機械通風的礦井產生作用，其大小和方向在礦井內會隨著季節的不同而改變[3]。張明等[4]為降低自然風壓波動對礦井通風系統穩定性的影響，減少主通風機能耗，通過間接測定法對梁寶寺二號礦井的自然風壓進行測定，為下一步的采區設計及搬遷工作提供了有力依據。孫維麗等[5]為揭示低負壓礦井自然風壓變化規律，基于寬溝煤礦進行了現場實際探究，對礦井地表大氣壓、溫度、濕度及通風系統自然風壓進行了測算，并分析了礦井自然風壓的變化規律以及自然風壓對礦井通風系統、井下采空區密閉的影響規律。上官昌培[6]為有效地節省能源和避免通防事故的發生，通過探索礦井自然風壓的規律，并將其應用到礦井通風中去，對礦井中出現的漏風現象及時采取相應的措施，從而避免礦井自然發火。唐口煤礦為混合式通風系統，目前礦井總進風量約為25 400 m3/min，總回風量約為26 981 m3/min，南風井回風量約為15 300 m3/min，負壓約為2926 Pa，北風井回風量約為12 960 m3/min，負壓約為2580 Pa。礦井南風井目前運轉西臺1#風機，風機型號為GAF33.5-18-1F，配套電機功率為1800 kW。區域之間供風不均衡。因此，研究不同季節自然風壓變化規律，對唐口煤礦南翼井區的礦井通風系統穩定性具有重要意義。為保障唐口礦井的正常安全生產，在礦井實際生產過程中，必須依據礦井實際情況，結合自然風壓的變化規律及時調整礦井通風系統。

1 唐口煤礦自然風壓測定

研究采用間接測定法[7]對唐口煤礦南翼井區自然風壓進行測定。該煤礦南翼井區立體圖如圖1所示。

為了更全面地反映自然風壓在全年的波動情況，減小氣象改變造成的誤差，在每季度選取具有當季氣候代表性的四天進行測定，同時將能準確反映當季度氣象情況的數據作為此次的主要研究對象，其他均作為參考。春、夏、秋、冬主要原始記錄信息如表1 所示。

表1 自然風壓測定原始數據表

2 唐口煤礦自然風壓變化規律研究

濟寧春季為大氣環流調整時期，易旱多風，回暖較快。通過對濟寧氣溫的分析可以看出，在春季3、4、5 月期間，濟寧的氣溫是逐漸升高的，地表溫度的變化會直接帶來井下溫度的變化，進而導致礦井自然風壓的變化。因為春季地表溫度的變化規律接近于一次函數，那么春季自然風壓的變化也必將呈現一定的規律。夏季的6、7、8 月是濟寧地區氣溫最高的時期。因此，夏季是唐口煤礦南翼井區一年中地表溫度最高的時期。秋季的地表溫度與春季相似，略高于春季略低于夏季，但秋季這三個月期間的溫度變化相較于春、夏、冬季是最快速的。因此，位于濟寧市的唐口煤礦南翼井區的秋季自然風壓變化規律與其他三個季節的自然風壓變化規律也會不同。濟寧市冬季的地表溫度是全年最低的，此時唐口煤礦南翼井區的進風口和回風口處的溫度將是全年中最低的。因此，冬季南翼井區的自然風壓與其他三季相比也將會有自己的變化規律。

為了更精確地反映唐口煤礦南翼井區春、夏、秋、冬不同季節的礦井自然風壓的演化規律，將根據唐口煤礦南翼井區的實際生產狀況每隔3 h 測量一次，即通過3：00、6：00、9：00、12：00、15：00、18：00、21：00、24：00 將一天分為8 個時間段。唐口煤礦春、夏、秋、冬四季自然風壓測定結果如表2 及圖2 所示。

表2 唐口煤礦四季一天中不同時段自然風壓測定結果

圖2 四季中不同階段自然風壓變化趨勢圖

從表2 和圖2 可以看出，春季時期，唐口煤礦南翼井區的自然風壓在3：00～9：00 呈現逐漸遞減的趨勢，遞減程度接近一次函數關系；9：00～14：00 期間快速下降；14：00～18：00 期間快速上升；18：00～21：00 期間繼續上升，但趨勢減緩；21：00～24：00 期間又快速上升。以14：00 為分界線，唐口煤礦南翼井區的自然風壓變化規律呈先下降后上升的趨勢，且最高不超過413 Pa，最低不低于372 Pa。

夏季時期，唐口煤礦南翼井區的自然風壓在3：00 至6：00 為緩慢下降階段；6：00～9：00 呈現直線快速下降變化；9：00～12：00 繼續下降，但相比6：00～9：00 期間下降趨勢變緩；12：00～15：00 繼續呈現快速下降的變化規律；15：00～18：00 開始快速上升；18：00～21：00 上升趨勢變緩，呈現中速上升變化規律；21：00～24：00 又進入快速上升階段。從整體出發，以15：00 為分界線，唐口煤礦南翼井區的自然風壓變化規律依然呈現先下降后上升的趨勢。與春季自然風壓的變化規律相比，分界時間點向后推遲約1 h，整體的自然風壓最高不超過-10 Pa，最低不低于-60 Pa。

秋季時期，唐口煤礦南翼井區的自然風壓在3：00～9：00 期間，從195.2 Pa 開始快速下降，下降的趨勢基本呈現一次函數的直線；9：00～12：00 緩慢下降，但下降趨勢先變緩后變快；12：00～15：00繼續快速下降，直至下降到166.7 Pa；15：00～18：00 開始快速上升；18：00～21：00 依舊呈現上升趨勢，但相比15：00～18：00 期間上升趨勢變緩；21：00～24：00繼續上升，且上升的速度是一天中最快的。以15：00 為分界線，唐口煤礦南翼井區的自然風壓變化規律呈現先下降后上升的趨勢。與春季自然風壓的變化規律相比，分界時間點向后推遲了約1 h，與夏季的自然風壓變化規律相比，分界時間基本相同，且春、夏、秋三季唐口煤礦南翼井區的自然風壓變化趨勢基本一致，都是先下降后上升。秋季的自然風壓最高不超過196 Pa，最低不低于165 Pa。

冬季時期，唐口煤礦南翼井區的自然風壓在3：00～6：00 期間，從495.5 Pa 開始下降，且這段時間內下降趨勢呈現越來越快的狀態；6：00～9：00 快速下降；9：00～12：00 仍呈下降狀態，但下降趨勢變緩；12：00～14：30 繼續快速下降，直至下降到457 Pa 左右；14：30～18：00 開始快速上升，上升趨勢接近一次函數直線關系；18：00～24：00 繼續上升，但上升的趨勢變緩。以14：30 為分界時間點，唐口煤礦南翼井區的自然風壓變化規律呈現先下降后上升的趨勢。與春季、夏季、秋季相比，冬季的分界時間比夏季和秋季早約30 min，比春季晚越30 min。但與其他三季相比，冬季的自然風壓是最大的，最大達到了約496 Pa，最低也不低于455 Pa。

3 唐口煤礦自然風壓的影響分析

分別記錄各季度溫度數據的具體變化，并分析整理所得的數據，獲得各季度當天自然風壓與溫度的變化，如圖3 所示。

從圖3 可以看出，每天自然風壓的變化規律與溫度的變化規律基本相反，自然風壓的變化規律基本呈現sin 函數的關系，溫度的變化規律呈-sin 函數的關系。取變化的中值所在的橫線為中心軸，可以看出從0：00 到3：00，自然風壓的變化規律基本為逐漸增加，溫度的變化規律基本為逐漸下降；從3：00 到15：00 期間，自然風壓的變化規律為迅速下降，而溫度的變化規律為迅速上升；從15：00 到24：00 期間，自然風壓的變化規律為迅速上升，溫度的變化規律為迅速下降。自然風壓與溫度的函數變化規律拐點基本在每天的9：00 和20：00 左右。

分別記錄各季度相對濕度數據的具體變化，并分析整理所得的數據，獲得各季度自然風壓與相對濕度的變化關系如圖4 所示。

圖4 自然風壓與相對濕度變化關系圖

從圖4 可以看出，每天自然風壓的變化規律與相對濕度的變化規律一致，都基本呈現sin 函數的關系。取變化的中值所在的橫線為中心軸，可以看出從0：00 到3：00，自然風壓和相對濕度的變化規律基本為逐漸增加；從3：00 到15：00 期間，自然風壓和相對濕度的變化規律為迅速下降；從15：00 到24：00 期間，自然風壓和相對濕度的變化規律為迅速上升。雖然自然風壓變化規律與相對濕度變化規律基本一致，但兩者的變化拐點還是有一定的時間延遲，大約在0～2 h 之間。

4 結語

唐口煤礦的自然風壓在每個季節都呈現中午最低、早上和晚上最高的變化規律，且春季、秋季和夏季的自然風壓為正，夏季的自然風壓為負。溫度和相對濕度對自然風壓都有一定的影響，溫度與自然風壓的變化規律相反，相對濕度與自然風壓的變化規律基本一致。