井下通风系统自然风压影响与防治分析

燕 峰

(汾西矿业两渡煤业，山西 灵石 031302 )

引 言

自然风压是指煤矿井下进回风巷道空气压力存在显著压差而导致的空气能自由流动现象，其压差的大小及方向会伴随空气温度的改变而持续变化，是确保井下空气持续运动的主要动力之一。自然风压的存在对矿井通风系统往往有着一定的影响，因此如何采取有效措施，确保自然风压对矿井通风的负面影响得以充分消除，对于提升矿井生产综合效益具有积极意义。

1 矿井概述

马脊梁矿现阶段处于扩建时期，矿井采用“斜井+立井”的开拓方法，其井下通风系统布设示意图如图1所示。矿井主斜井、副井及风井标高基本相同，均在+1 200 m左右，其中，主斜井选用15°折返式布设方式，总长近2 100 m，如图1所示。由于马脊梁矿基建期间主风机运行状态为低负压运行，一旦风机运行故障或因季节变化而停止运行，井下巷道两侧的自然风压便会对通风系统的正常运行造成负面影响，使得进风井或巷道出现无风、微风乃至风流反转的情况，对井下生产安全造成威胁[1-2]。

2 自然风压对通风系统的影响性分析

2.1 自然风压的产生与影响要素

煤矿井筒深度与井巷端部空气柱的温差能够对井下自然风压造成极为显著的影响。由于马脊梁矿进风井与回风井的深度基本一致，因此井筒深度对井下风压的影响能够基本忽略，在这里主要考虑井巷温差对自然风压的影响性[3-5]。

图1 井下通风系统布设示意图

2.2 自然风压理论分析

基于“科马洛夫”经验公式对马脊梁矿自然风压的大小进行计算分析，进而就自然风压对矿井通风系统的影响性作出判定。由于矿井深度超过100 m，其自然风压计算公式，如式(1)所示。

(1)

式中：He为自然风压，Pa；p为大气压力，取值87 kPa；H为矿井回采深度，m；g为重力加速度，m/s2；T1为进风测温度均值，K；T2为回风测温度均值，K；R为矿井空气常数，取值287 J/(kg·K)。

结合马脊梁矿气温变化情况，其冬季进、回风温度分别为2 ℃和16 ℃；夏季进、回风温度分别为31 ℃和24 ℃，计算可知，冬季与夏季的自然风压分别为258 Pa和-121 Pa。可见，在冬季矿井自然风压与通风方向相同，有助于提升井下通风效果；夏季自然风压与井下通风方向相反，会对井下正常通风的开展造成严重制约。

2.3 自然风压变化规律与影响性分析

1) 主通风机未启动时自然风压变化规律

马脊梁矿主风机受水害影响，曾于2016年被迫停转三个月，这期间马脊梁矿主要依靠外界自然风压进行通风作业，具体形式为副井进风，主斜井回风。主通风机未开启时副井进风量与温度变化关系，如图2所示[6]。

图2 主通风机未开启时副井进风量与温度变化关系示意图

由图2可以发现，随着矿井进风温度的减小，矿井副井进风量持续增加，当进风温度增加时进风量会持续降低。造成这种现象的根源在于自然风压的变化，由于矿井主斜井温度始终维持稳定，副井进风温度便会对自然风压的大小产生决定性的影响，当副井进风温度增大时空气密度降低，进风井与回风井之间的气柱压差便会减小，反之亦然。因此，在25 d前，进风温度维持在25 ℃左右，进风量维持在1 500 m3/min；在25 d以后，进风温度下降至20 ℃左右，此时风量增大至2 000 m3/min～2 500 m3/min。

2) 主通风机启动时自然风压变化规律

在矿井主通风机恢复正常运转后，马脊梁矿井下通风选用“两进一回”的通风方式，由主斜井和副井进风，风井回风。此时，自然风压对矿井通风系统的影响体现为3个井口间空气柱的相互影响，如图3所示。

图3 主通风机开启时副进、回风量与温度变化关系示意图

从图3分析可知，主斜井与副井的进风温度同回风井温度相比整体偏低，在理论层次分析此时主副井相较于风井的风压对于井下通风的开展是有力的，但若井下回风量保持基本不变，主副井的进风量会出现相互的影响，表现出此消彼长的态势。图3可见测量开始第2天便有显著体现，当矿井进风通自然风压方向相同时，进风量会显著增大，而当进风通自然风压方向相悖时，进风量会显著降低。引起这一现象的根源便是主、副井温差所引起的自然风压所致[7]。

3) 季节转换时自然风压对通风影响性分析

图4所示为巷道风量与主风机负压变化趋势，由图4分析可知，冬季矿井回风巷风量始终保持相对稳定，维持在5 000 m3/min左右，同时，主副井井筒在自然风压的影响性，其风量存在此消彼长的态势。此外，在冬季矿井主斜井曾发生回风现象，分析其原因是因为其井口保暖效果不佳，且大门开启导致进风温度较低，但巷道长度较大，加之运输机持续运转，使得主斜井温度高出副井5 ℃～8 ℃左右，结合公式(1)，主、副井自然风压可达102 Pa～270 Pa，但该时期主风机负压约为250 Pa左右，分配至主斜井路线上的动力可能低于主副井建的自然风压，从而会引起主斜井的回风。

图4 主斜井风量与主风机负压变化示意图(负值代表回风)

3 提升通风系统运行稳定性的应对措施

为确保生产作业时通风系统运行的稳定性，应当采取措施进行应对：对主通风机运行参数进行调整，降低主通风机外部漏风现象，提升通风机运行效率；尽可能采用机械通风；缩小井筒间温度差；主斜井回风时，尽量减小进风温度并提升副井进风温度；在主斜井适宜位置安装局部风机，一旦出现主斜井风流反向的情况，则启动局部风机向主斜井压风，改变风流方向。

4 结语

矿井通风系统作为井下生产作业安全的根本性保障，其运行的有效性对生产安全质量的高低至关重要。而自然风压作为影响井下通风系统运行的主要因素之一，矿井管理者必须增强对其的研究重视度，组织精干力量，对矿井自然风压变化规律加以探究，并在此基础上制定有效的自然风压危险防范措施，从而为整个矿井生产安全的持续开展提供根本性保障。