井下通風(fēng)系統(tǒng)自然風(fēng)壓影響與防治分析

燕 峰

(汾西礦業(yè)兩渡煤業(yè)，山西 靈石 031302 )

引 言

自然風(fēng)壓是指煤礦井下進(jìn)回風(fēng)巷道空氣壓力存在顯著壓差而導(dǎo)致的空氣能自由流動(dòng)現(xiàn)象，其壓差的大小及方向會(huì)伴隨空氣溫度的改變而持續(xù)變化，是確保井下空氣持續(xù)運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿χ弧Ｗ匀伙L(fēng)壓的存在對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)往往有著一定的影響，因此如何采取有效措施，確保自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)的負(fù)面影響得以充分消除，對(duì)于提升礦井生產(chǎn)綜合效益具有積極意義。

1 礦井概述

馬脊梁礦現(xiàn)階段處于擴(kuò)建時(shí)期，礦井采用“斜井+立井”的開拓方法，其井下通風(fēng)系統(tǒng)布設(shè)示意圖如圖1所示。礦井主斜井、副井及風(fēng)井標(biāo)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(shè)方式，總長(zhǎng)近2 100 m，如圖1所示。由于馬脊梁礦基建期間主風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為低負(fù)壓運(yùn)行，一旦風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障或因季節(jié)變化而停止運(yùn)行，井下巷道兩側(cè)的自然風(fēng)壓便會(huì)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成負(fù)面影響，使得進(jìn)風(fēng)井或巷道出現(xiàn)無風(fēng)、微風(fēng)乃至風(fēng)流反轉(zhuǎn)的情況，對(duì)井下生產(chǎn)安全造成威脅[1-2]。

2 自然風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響性分析

2.1 自然風(fēng)壓的產(chǎn)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?qū)伦匀伙L(fēng)壓造成極為顯著的影響。由于馬脊梁礦進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井的深度基本一致，因此井筒深度對(duì)井下風(fēng)壓的影響能夠基本忽略，在這里主要考慮井巷溫差對(duì)自然風(fēng)壓的影響性[3-5]。

圖1 井下通風(fēng)系統(tǒng)布設(shè)示意圖

2.2 自然風(fēng)壓理論分析

基于“科馬洛夫”經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)馬脊梁礦自然風(fēng)壓的大小進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而就自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響性作出判定。由于礦井深度超過100 m，其自然風(fēng)壓計(jì)算公式，如式(1)所示。

(1)

式中：He為自然風(fēng)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(jìn)風(fēng)測(cè)溫度均值，K；T2為回風(fēng)測(cè)溫度均值，K；R為礦井空氣常數(shù)，取值287 J/(kg·K)。

結(jié)合馬脊梁礦氣溫變化情況，其冬季進(jìn)、回風(fēng)溫度分別為2 ℃和16 ℃；夏季進(jìn)、回風(fēng)溫度分別為31 ℃和24 ℃，計(jì)算可知，冬季與夏季的自然風(fēng)壓分別為258 Pa和-121 Pa?？梢姡诙镜V井自然風(fēng)壓與通風(fēng)方向相同，有助于提升井下通風(fēng)效果；夏季自然風(fēng)壓與井下通風(fēng)方向相反，會(huì)對(duì)井下正常通風(fēng)的開展造成嚴(yán)重制約。

2.3 自然風(fēng)壓變化規(guī)律與影響性分析

1) 主通風(fēng)機(jī)未啟動(dòng)時(shí)自然風(fēng)壓變化規(guī)律

馬脊梁礦主風(fēng)機(jī)受水害影響，曾于2016年被迫停轉(zhuǎn)三個(gè)月，這期間馬脊梁礦主要依靠外界自然風(fēng)壓進(jìn)行通風(fēng)作業(yè)，具體形式為副井進(jìn)風(fēng)，主斜井回風(fēng)。主通風(fēng)機(jī)未開啟時(shí)副井進(jìn)風(fēng)量與溫度變化關(guān)系，如圖2所示[6]。

圖2 主通風(fēng)機(jī)未開啟時(shí)副井進(jìn)風(fēng)量與溫度變化關(guān)系示意圖

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著礦井進(jìn)風(fēng)溫度的減小，礦井副井進(jìn)風(fēng)量持續(xù)增加，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度增加時(shí)進(jìn)風(fēng)量會(huì)持續(xù)降低。造成這種現(xiàn)象的根源在于自然風(fēng)壓的變化，由于礦井主斜井溫度始終維持穩(wěn)定，副井進(jìn)風(fēng)溫度便會(huì)對(duì)自然風(fēng)壓的大小產(chǎn)生決定性的影響，當(dāng)副井進(jìn)風(fēng)溫度增大時(shí)空氣密度降低，進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井之間的氣柱壓差便會(huì)減小，反之亦然。因此，在25 d前，進(jìn)風(fēng)溫度維持在25 ℃左右，進(jìn)風(fēng)量維持在1 500 m3/min；在25 d以后，進(jìn)風(fēng)溫度下降至20 ℃左右，此時(shí)風(fēng)量增大至2 000 m3/min～2 500 m3/min。

2) 主通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)自然風(fēng)壓變化規(guī)律

在礦井主通風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，馬脊梁礦井下通風(fēng)選用“兩進(jìn)一回”的通風(fēng)方式，由主斜井和副井進(jìn)風(fēng)，風(fēng)井回風(fēng)。此時(shí)，自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響體現(xiàn)為3個(gè)井口間空氣柱的相互影響，如圖3所示。

圖3 主通風(fēng)機(jī)開啟時(shí)副進(jìn)、回風(fēng)量與溫度變化關(guān)系示意圖

從圖3分析可知，主斜井與副井的進(jìn)風(fēng)溫度同回風(fēng)井溫度相比整體偏低，在理論層次分析此時(shí)主副井相較于風(fēng)井的風(fēng)壓對(duì)于井下通風(fēng)的開展是有力的，但若井下回風(fēng)量保持基本不變，主副井的進(jìn)風(fēng)量會(huì)出現(xiàn)相互的影響，表現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。圖3可見測(cè)量開始第2天便有顯著體現(xiàn)，當(dāng)?shù)V井進(jìn)風(fēng)通自然風(fēng)壓方向相同時(shí)，進(jìn)風(fēng)量會(huì)顯著增大，而當(dāng)進(jìn)風(fēng)通自然風(fēng)壓方向相悖時(shí)，進(jìn)風(fēng)量會(huì)顯著降低。引起這一現(xiàn)象的根源便是主、副井溫差所引起的自然風(fēng)壓所致[7]。

3) 季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)自然風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)影響性分析

圖4所示為巷道風(fēng)量與主風(fēng)機(jī)負(fù)壓變化趨勢(shì)，由圖4分析可知，冬季礦井回風(fēng)巷風(fēng)量始終保持相對(duì)穩(wěn)定，維持在5 000 m3/min左右，同時(shí)，主副井井筒在自然風(fēng)壓的影響性，其風(fēng)量存在此消彼長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。此外，在冬季礦井主斜井曾發(fā)生回風(fēng)現(xiàn)象，分析其原因是因?yàn)槠渚诒ＥЧ患?，且大門開啟導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)溫度較低，但巷道長(zhǎng)度較大，加之運(yùn)輸機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得主斜井溫度高出副井5 ℃～8 ℃左右，結(jié)合公式(1)，主、副井自然風(fēng)壓可達(dá)102 Pa～270 Pa，但該時(shí)期主風(fēng)機(jī)負(fù)壓約為250 Pa左右，分配至主斜井路線上的動(dòng)力可能低于主副井建的自然風(fēng)壓，從而會(huì)引起主斜井的回風(fēng)。

圖4 主斜井風(fēng)量與主風(fēng)機(jī)負(fù)壓變化示意圖(負(fù)值代表回風(fēng))

3 提升通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的應(yīng)對(duì)措施

為確保生產(chǎn)作業(yè)時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)采取措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)：對(duì)主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，降低主通風(fēng)機(jī)外部漏風(fēng)現(xiàn)象，提升通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率；盡可能采用機(jī)械通風(fēng)；縮小井筒間溫度差；主斜井回風(fēng)時(shí)，盡量減小進(jìn)風(fēng)溫度并提升副井進(jìn)風(fēng)溫度；在主斜井適宜位置安裝局部風(fēng)機(jī)，一旦出現(xiàn)主斜井風(fēng)流反向的情況，則啟動(dòng)局部風(fēng)機(jī)向主斜井壓風(fēng)，改變風(fēng)流方向。

4 結(jié)語

礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為井下生產(chǎn)作業(yè)安全的根本性保障，其運(yùn)行的有效性對(duì)生產(chǎn)安全質(zhì)量的高低至關(guān)重要。而自然風(fēng)壓作為影響井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的主要因素之一，礦井管理者必須增強(qiáng)對(duì)其的研究重視度，組織精干力量，對(duì)礦井自然風(fēng)壓變化規(guī)律加以探究，并在此基礎(chǔ)上制定有效的自然風(fēng)壓危險(xiǎn)防范措施，從而為整個(gè)礦井生產(chǎn)安全的持續(xù)開展提供根本性保障。