浅谈自然风压对矿井通风的影响及其预防措施

廖冬明

（福建省永安煤业有限责任公司池坪芦坑煤矿 福建三明 365000）

1 自然风压的概念及其形成原因

自然风压是一种受矿井地形、地温以及当地气候条件等因素影响而产生的能量，由于矿井进回风两侧风路中质量不同而产生的压差。风路中质量的大小取决于风路中的温度和高度。一般来说，冷空气密度大质量重向下流动，热空气密度小质量轻向上流动，这种自然因素作用就形成了自然通风［1］。井下巷道高差不一，纵横交错又紧密相联，使得巷道自身标高与空气密度不等，所以存在标高差和气温差的井下连通巷道之间就会存在自然风压。

图1 为简化的池坪矿井巷系统，1 为+720 m 主平硐，5 为+808 m 回风井，2-3 为+500 m 水平大巷，0-5 为虚拟的系统最高点水平线。在冬季，风路0-1-2 比风路5-4-3 的平均温度低，平均空气密度较大，导致两风路作用在+500 m 水平大巷上的重力不等，这两风路的重力之差就是通风系统上的自然风压，它使空气源源不断地从+720 m 主平硐1 流入，从+808 m回风井5 流出。在夏季时，风路5-4-3 比风路0-1-2 温度低，平均密度大，则产生的自然风压方向与冬季相反，地面空气从+800 m 回风井5 流入，从+720 m 主平硐1 流出。

图1 矿井自然风向示意图

2 自然风压的计算及测定

2.1 自然风压的计算

自然风压（HN）常采用公式（1）计算。

式中：Z 为矿井最高点至最低水平间的距离，m；g 为重力加速度，m/s2；ρ1为进风井空气空气密度，kg/m3；ρ2为回风井空气密度，kg/m3。

池坪矿冬季自然风压计算：

2.2 直接测定自然风压

首先停止主要通风机的运转，立即将风硐中的闸板放下，以隔断自然风压下产生的风流。再接入风硐内的压差计，通过压差计读出的数据就是矿井的自然风压。

3 矿井通风基本概况

池坪矿有完整的独立通风系统，采用中央分列式通风方式，机械抽出式通风方法。在+808m 地面安装两台型号为FBCDZ-6-NO19/2×110 对旋轴流通风机（一台使用，一台备用）。矿井有3 个进风井口1 个回风井口，进风井口为+720 m主平硐、+800 m 平硐和+800 m 斜井，回风井为+808 m 风井。各采区实行分区通风，矿井总进风量1 724 m3/min，总回风量1 918 m3/min，有效风量率89.9%。

矿井采用平硐暗斜井开拓方式，共分+800 m～+500 m、+500 m～+300 m 二个开采水平。+720 m 区段以上水平只保留生产系统巷道，作为通风、行人、提升运输、排水。目前共有101采区和103 采区2 个生产采区，实行分区通风，采煤工作面均实现独立通风，掘进工作面使用专用局部通风机，实现“三专供电”。

4 自然风压的主要影响因素

影响自然风压的决定性因素是进回风两侧风路的密度差，空气密度主要受温度、大气压力与湿度等影响［1］。

（1）温差。某一回路中两侧风路的温差是影响自然风压最为关键的因素。影响气温差的是地面进风气温和风流与井下围岩的热交换。气温差随矿井的开拓方式、采深、气候、地形和地理位置的不同而有所不同［2］。池坪矿属于南方丘陵地带大陆性气候，自然风压大小和方向受气温差影响最为明显，尤其是在冬夏季节。井下回风流一年当中温差变化较小，但地面进风气温则随季节变化而变化，井下风流中气温与地面进风气温差两者综合作用，导致自然风压发生周期性的变化。池坪矿夏季地面平均气温为35 ℃，空气密度低，+720 m 主平硐进风量减少，而+800 m 进风平硐（斜井）进风量加大。地面冬季气温平均气温为5 ℃，空气密度高，矿井受自然风压影响就更为突出，+720 m 主平硐进风量加大，而+800 m 进风平硐（斜井）进风量减少，甚至出现+800 m 进风平硐风流反向，见表1。

表1 池坪矿冬夏季节井下主要巷道进风量变化情况表

（2）空气湿度。湿度会影响到空气的密度，对自然风压有一定的影响，这种影响很小。空气湿度随气温的变化而变化，湿度与气温成正比，夏季湿度高，冬季湿度低。空气湿度对池坪矿自然风压影响很小，可忽略不计。

（3）空气密度。空气密度主要受空气湿度影响，而湿度随气温的变化而变化，所以气温的变化同时影响着空气湿度与密度。空气密度与温度成反比，即所谓的冷空气重，热空气轻。空气密度对矿井自然风压的影响很小。

（4）主要通风机工作。主要通风机的运转决定井下主要巷道风流的方向，进风风流进入井下与围岩之间存在热交换，冬季回风井中气温远远高于进风井。所以冬季主要通风机出现骤停，进风井与回风井之间在一定的时间内有一定的气温差，仍有一定的自然风压在起作用，井下风流会在一定的时间内按原先风流方向流动。

（5）矿井采深。当两风路中空气温差既定，矿井采深越深往往自然风压就越大，二者成正比的关系。矿井开采至深部，井下地温会升高。地温高会直接影响回风井中的气温，回风井与进风井的气温差就会变得更大。气温差大就直接导致自然风压值大，矿井开采至深部后通风系统受自然风压的影响更为显著。池坪矿处于二水平开拓延深阶段，二水平开拓至深部，井下地温会逐步升高，更应注重预防自然风压。

5 自然风压的利用和预防措施

自然风压不能作为矿井通风的主要动力，但作为一种不稳定的动力源，自然风压也会对矿井通风产生一定的影响，需加以研究以趋利避害。特别是池坪矿正处于水平延深时期，掌握利用好自然风压变化规律更为重要。

5.1 自然风压的变化规律

主要表现为夏季地面气温高，矿井总进风量减少380 m3/min左右。冬季矿井总进风量增加410 m3/min 左右，+800 m 排矸平硐与101 采区人行上山进风量减少明显，甚至出现风流反向。

5.2 自然风压的控制

（1）根据自然风压的变化规律，适时调整主要通风机转叶角度或运行频率，使其既能满足矿井通风的需要，又可减少电耗。主要通风机电机运行频率既定，池坪矿冬季进风量会有所增加，这时可利用自然风压，适度降低主要通风机运行频率，加强井下测风与风量调节，减少主要通风机电耗，达到经济合理的目的。池坪矿夏季总进风量会有所减少，则需适当提高主要通风机运行频率，强化测风与风量调节，使各采区区段进回风量分配合理，克服自然风压对矿井通风造成的危害。

（2）掌握自然风压的变化规律，防止井下巷道出现微风无风甚至风流反向，造成通风事故。夏季，池坪矿+720 m 主平硐进风量有所减少，+800 m 进风平硐（斜井）进风量会有所增加。冬季，+720 m 主平硐进风量有所增加，+800 m 进风平硐（斜井）进风量会有所减少，甚至+800 m 进风平硐及101 采区人行上山出现风流反向，加大对101 采区与103 采区及各区段进回风量调节，确保矿井风量分配合理，通风系统稳定可靠。

（3）加强日常测风，掌握各点风量变化情况，及时进行风量调节。在夏冬季节，更需加强井下测风与进回风巷巡查，巷道风量出现较大变化，及时进行风量调节。提高主要通风机运行频率，加大总进回风量，克服自然风压对矿井通风造成的危害，防止井下巷道出现微风无风或风流反向，而导致瓦斯集聚事故。

（4）冬季对进风流进行加温，减小进风流与回风流的气温差，亦可减小自然风压值，降低自然风压对矿井通风造成的威胁。此措施池坪矿未采取。

5.3 自然风压的利用

（1）利用池坪矿冬季进风量会有所加大这一规律，将主要通风机运行频率适当降低，减少主要通风机电耗，矿井通风系统运行经济合理。

（2）利用自然风压做好特殊时期的通风。冬季，池坪矿如遇到主要通风机骤停，会及时将井口防爆门和相关风门打开，充分利用自然风压帮助井下通风，防止井下出现瓦斯集聚。

6 措施应用效果

（1）未采取有效措施下，池坪矿通风主要存在的问题：冬夏季节进风量不稳定，总进风量冬季大，夏季进风量小，冬夏季节进风量差距大；101 采区人行上山与+800m 主平硐在冬季出现风流停滞，甚至风流反向；101 采区与103 采区进回风量失衡，各用风地点风量分配不合理，不利于井下通风安全。

（2）采取有效措施合理控制自然风压，所取得的成效：矿井总进风量均衡，冬夏季节差距很小，通风系统稳定；通过对采区之间合理的风量调节，有效杜绝了101 采区人行上山与+800 m 主平硐风流停滞或反向；通过对井下风量合理调配，各用风地点风量分配合理，既满足了生产布局的需求，又达到通风系统技术管理先进、运行稳定安全可靠的要求；通过对主要通风机运行频率的有效调控，矿井进回风量既能满足了生产作业需求，又未造成风流短路，降低了主要通风机电耗，矿井通风系统运行经济合理。

7 结论

掌握自然风压的变化规律，及时采取措施进行预防，克服其对矿井通风造成危害，防止井下巷道出现微风无风或风流反向，导致瓦斯集聚。合理利用自然风压，使矿井通风系统运行达到技术先进、经济合理，安全可靠。