浅谈矿井自然风压的概念与利用.pdf

4 2 科技广场2 0 0 8 . 4 浅谈矿井自然风压的概念与利用 A b o u t t h e C o n c e p t o f N a t u r a l A i r P r e s s u r e a n d t h e U s e 郑彪华徐绍梅 Z h e n g B i a o h u a X u S h a o m e i 江西理工大学资源与环境工程学院， 江西 赣州3 4 1 0 0 0 F a c u l t y o f R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g , J i a n g x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , J i a n g x i G a n z h o u 3 4 1 0 0 0 摘要 通过对自然风压概念的归类分析，针对自然风压对矿井通风在不同季节的不同影响，提出了相对应的改善措 施，使矿井通风状况上升到一个新的水平，也对改善矿井工人的工作环境、保护矿井工人身体健康有重要意义。 关键词 矿井; 自然风压; 通风; 利用 中图分类号T P 7 2 4文献标识码A文章编号1 6 7 1 - 4 7 9 2 - 2 0 0 8 4 - 0 0 4 2 - 0 2 1 自然风压及其形成 自然风压与自然通风 （图一） 为一个简化的矿井通风系 统， 2 - 3 为水平巷道， 0 - 5 为通过系统最高点的水平线。 如果 把地表大气视为断面无限大， 风阻为零的假想风路， 则通风 系统可视为一个闭合的回路。在冬季，由于空气柱0 - 1 - 2 比 5 - 4 - 3 的平均温度较低，平均空气密度较大，导致两空气柱 作用在2 - 3 水平面上的重力不等。 其重力之差就是该系统的 自然风压。它使空气源源不断地从井口1 流入，从井口5 流 出。在夏季时，若空气柱5 - 4 - 3 比0 - 1 - 2 温度低，平均密度 大， 则系统产生的自然风压方向与冬季相反。 地面空气从井 口5 流入，从井口1 流出。这种由自然因素作用而形成的通 风叫自然通风。 图一简化矿井通风系统 由上述例子可见， 在一个有高差的闭合回路中， 只要两 侧有高差巷道中空气的温度或密度不等， 则该回路就会产生 自然风压。 2 自然风压的基本分类 根据矿井和地下工程的实际情况, 由地面地下自然因素 和生产活动的热力效应所产生的自然能量差可概括为三种形 式 自然热位差; 水平热压差 或称水平气压差 ; 大气自然 风。 2 . 1自然热位差 如图二所示, 由地面气温、井下热力因素、含湿量、气 体成分等变化所引起的进回风井筒内空气平均密度不等, 密 度大的井筒的空气柱压力大于密度小的井筒空气柱压力。 这 两井筒中的空气柱压差称做自然热位差。 图二自然热位差示意图 在机械通风停止后, 因自然热位差的作用, 在图一所示 情况下, 冬季风流从进风井筒进入, 经井底平巷由出风井筒流 出; 夏季炎热时, 其风流方向则相反。 在有机械通风的矿井, 冬季自然风压与机械风压方向相同, 帮助扇风机克服通风阻 力; 夏天则可能相反, 起削弱机械通风压力作用。在垂直坐 标向上为正的情况下, 图一所示通风回路的热位差可用下式 表示 1 以前一些通风书上就把该种形式的热位差叫做自然风 压。这在自然风压的概念上是不全面的。 2 . 2水平热压差 在地表, 由于多种因素造成空气温度、湿度、成分等的 差异, 同一标高水平上的大气压力也有差别。这种同一标高 水平上的气压差, 气象上称为气压梯度, 由气压梯度所产生的 4 3 旁压力称为气压梯度力。水平气压梯度力可表示为 2 即水平气压梯度力的方向是由高指向低, 其大小与 Δ P 成正比, 和空气密度成反比。 在水平气压梯度力的作用下, 形成大气风。气压梯度力越大, 风速也越大。在矿井水平井 巷中也能因温度等自然因素变化导致风流密度上的差异, 从 而造成同一标高水平上的压力不同。 井巷中同一水平上主要 因温差而形成的压力差称为水平热压差。 这种水平热压差也 能促使空气沿井巷流动, 形成自然风。一般情况下这种自然 风速很小, 往往不被人所注意, 但在某些条件下, 仍能明显的 显现出来。 图三水平自然风示意图 如图三所示，一个地温较高或正在掘进的平峒, 由于峒 内空气与峒壁热交换的结果, 在冬天造成平峒底部空气密度 较峒外小, 顶部则较峒外大, 促使峒外空气从平峒底部流入, 从顶部流出的自然风流。 成渝高速公路中梁山隧道单孔长度 3 1 0 0 m 左右, 进出口高差仅4 0 m , 1 9 9 3 年6 月双向掘进在中间贯 通后, 仅有5 0 0 m 3 / m i n 左右的自然风从西向东流过隧道, 如果 没有隧道内外温度效应而导致空气密度变化所造成的水平热 压差, 仅靠4 0 m 高差是形不成隧道自然风的。 因为高峒口的大 气压力加上两峒口间的位压差应与低峒口大气压相等。所 以, 以上现象的产生都缘于水平热压差。 2 . 3大气自然风压 地面吹向平峒口的大气风, 其动压可转变成静压, 形成矿 井自然风, 影响矿井通风量的大小。该动压的计算方法为 3 式中 δ系数，由风向、山坡表面形状倾斜度、洞口形状 和尺寸等决定; P 大气自然风流密度, k g / m 3; V a 大气风速, m / s 。 大气自然风对抽出式通风矿井的进风平峒和压入式通风 矿井出风平峒的风量影响较显著, 能使前者风速明显增加, 后 者风流停滞甚至反向。综上所述, 以上三种形式的能量差都 应属于自然风压的范畴。所以, 自然风压是由井内外自然因 素所造成促进所有井巷风流流动的能量, 而单位体积风流所 具有的这种能量称做自然风压。 3 自然风压的控制和利用 自然风压既是矿井通风的动力，也可能是事故的肇因。 因此，研究自然风压的控制和利用具有重要意义。 1 新设计矿井在选择开拓方案、拟定通风系统时，应 充分考虑利用地形和当地气候特点， 使在全年大部分时间内 自然风压作用的方向与机械通风风压的方向一致， 以便利用 自然风压。 例如， 在山区要尽量增大进、 回风井井口的高差; 进风井井口布置在背阳处等。 2 根据自然风压的变化规律，应适时调整主要通风机 的工况点，使其既能满足矿井通风需要，又可节约电能。例 如在冬季自然风压帮助机械通风时， 可采用减小叶片角度或 转速方法降低机械风压。 3 在多井口通风的山区，尤其在高瓦斯矿井，要掌握 自然风压的变化规律， 防止因自然风压作用造成某些巷道无 风或反向而发生事故。 4 在建井时期，要注意因地制宜和因时制宜，利用自 然风压通风， 如在表土施工阶段可利用自然通风; 在主副井 与风井贯通之后， 有时也可利用自然通风; 有条件时还可利 用钻孔构成回路，形成自然风压，解决局部地区通风问题。 5 利用自然风压做好非常时期通风。一旦主要通风机 因故遭受破坏停风时， 便可利用自然风压进行通风。 这在矿 井制定事故预防和处理计划时应予以考虑。 6 在自然风压有可能引起风流反向的巷道内，安装局 部通风机， 使其风压方向与自然风压方向相反， 来抵消部分 自然风压。 7 在并联风路中加设调节风窗，用来增加自然风压有 可能引起的旁侧风路风向风流反向的风阻。 8 在建井时期，可利用自然风压解决局部地区的通风 问题， 如井筒浅部施工阶段利用自然风压通风; 在地下某些 地点，利用钻孔构成通风回路，形成自然风压。 其他的方法还包括 在拟定通风系统时，从全年着眼， 尽量利用低温季节的上向自然风流， 对高温季节的下向风流 采取适当的控制措施。尽量利用进、排风井口的高差，以进 口标高较高的井筒作排风井。 降低矿井风阻， 提高自然通风 量， 采取多路进风和排风， 在上向风流的季节可利用采空区 排风。在进风井巷设置水幕或淋水，冷却空气增大进、排风 井的温差。 在高温季节从上部采空区下行的自然风流， 如果 风质合乎卫生标准， 利用下行自然风流进行采场通风也是可 取的。 但经过采场后的污浊风流应予以控制。 控制的方法是 加强密闭或采用小型扇风机控制。如果下行自然风量很大， 用密闭墙和小型扇风机难以控制时，在上部中段寻找排风 道，用风机将下行自然风引导排出。必要时，还可以在下部 中段设置扇风机往上送风，以控制自然风压。 总之， 要因时而异， 因地制宜地加强自然风压的控制和 利用，避免事故的发生，确保矿井的安全生产。 参考文献 [ 1 ] 王英敏主编. 矿井通风与安全[ M ] . 北京 冶金工业出 版社， 1 9 8 8 . [ 2 ] 张国枢编著. 矿井实用通风技术[ M ] . 北京 煤炭工业 出版社，1 9 9 2 . [ 3 ] 高仁礼等. 关于自然风压概念问题的探讨[ J ] . 煤炭工 程师, 1 9 9 8 . 作者简介 郑彪华（1 9 8 2 ） ，男，汉族，江西理工大学安全技术 及工程专业2 0 0 6 级研究生。 浅谈矿井自然风压的概念与利用