自然风压影响下的矿井通风系统优化工程实践

李亚俊 夏美琼 李印洪 姚银佩

摘要：自然风压作为一种客观存在的自然现象，其受气候、季节温度等影响较大，难以控制，是影响矿山通风系统不可控的因素之一。为克服自然风压对通风系统的影响，此次通过对自然风压的形成机理及影响因素进行分析，推演出计算自然风压的方法。研究以此为基础，以某受自然风压影响的平硐开拓矿山为实例对象，通过检测、分析、计算自然风压对该矿山的影响，并给出相关优化技术措施，解决了该矿山受自然风压影响，各主平硐季节性风向变化的问题。

关键词：矿井;自然风压;通风;平硐开拓;风向

引 言

良好的矿井通风条件是保证矿山安全生产的重要条件，矿井通风按通风方式分为自然通风和机械通风，自然通风是依靠自然风压为动力在矿井下形成风流的通风过程[1]。自然通风受气候、季节温度等影响较大，难以控制，时利时弊，因此，GB 16423—2020 《金属非金属矿山安全规程》要求矿山必须采用机械通风系统。然而，自然风压作为一种客观存在的自然现象，对矿井通风系统也有重要影响[2-3]，其中平硐开拓矿山由于各平硐间高差较大，各平硐口温差较大，其受自然风压影响最为明显，平硐开拓矿山常有通风困难季节（夏季）平硐口出风等违反安全规程的现象出现。

而对于自然风压对矿山通风影响尚未有通用的解决方法，需根据矿山实际情况因地制宜，采取相对应的技术措施，克服自然风压对矿井通风系统的影响[4-5]。本文以某平硐开拓矿山为实例，通过理论分析及实际技术措施相结合的方式，解决了矿井受自然风压影响的问题，保障矿山通风安全。

1 自然风压形成机理及影响因素

1.1 形成机理

矿井内气体与大气是连通的统一整体，当大气温度发生变化时，大气密度也随之发生变化;同时当矿山通风系统与大气连通的各地表井口高度不同时，温度、气压也各不相同，各井口实际所受到的空气柱的压力也不相同，井口之间存在压力差，井下各通路间温度、湿度也各有差异，井下空气密度也不尽相同。因此，与地表连通的通路间由于空气密度的差异，致使通风系统中进风端和回风端两侧的空气柱密度不相同，从而形成空气柱的重力压差，也就是自然风压。所以自然风压会随着季节的转换不断地发生周期变化[6]。

1.2 影响因素

矿井的自然风压主要与自然能量差有关[7-8]，而其产生原因可分为3种：①矿山表面自然状况不同;②矿山井下自然条件的差异;③矿山生产活动产生的热效应。这3种方式对自然风压的影响可以归结为以下3个方面：

1）温差。

温差直接影响矿井两侧回路空气柱的势能，是影响矿井自然风压的最主要因素。影响矿井通风进、回路两端温差的因素主要有：①进、回风口空气温度;②矿井风流与岩体之间的热交换。而温差的影响程度又随地理地形、开拓方式、开采条件及深度的变化而改变。

山区开拓较浅的矿山受地表溫度影响明显，地表温度变化时刻影响着自然风压的方向及大小，通常四季甚至一天中白昼和黑夜自然风压均会出现较大变化。

竖井开拓的矿山，由于竖井内气流与岩体恒温层之间的热交换，竖井内的气温随气候变化相对较小，主要受地表进风端空气温度影响，因此这类矿山在冬季、夏季自然风压会有明显变化。

2）湿度及空气组成成分。

矿井中的空气成分及湿度影响空气密度，而空气密度对空气柱的重力压差造成影响，虽然空气成分影响较小，但实际影响仍然存在，也是影响自然风压因素之一。

3）矿井开拓布局及深度。

受地温梯度影响，矿井越深其井下空气温度也相对较高，若矿井通风进、回风口两端温差固定，则自然风压与矿井进、回风口端的高度差成正比例关系。同样，若通风系统中存在并联的2条斜井，当某一条斜井中温度较高，阻力较大时，则这2条并联斜井间也会产生自然风压。当某条回路间自然风压等于或超过机械风压，则这条回路的风流将停滞或反向。

2 自然风压计算

2.1 计算模型

根据上述自然风压形成机理的研究，自然风压形成是由于矿井进、回风口端空气密度不同，致使两端空气柱形成重力压差，最终产生自然风压，其计算模型如图1所示。

在图1计算模型中，节点0至节点1表示大气产生的虚拟空气柱;节点1至节点2表示进风通路，此处为竖井;节点2至节点3表示井下用风段;节点3至节点4表示回风斜井;节点4至节点5表示回风竖井（通地表）。在无机械通风的条件下，夏季时外部大气气温相对较高，节点0至节点2密度较小，产生的空气柱压力也较节点5至节点3产生的空气柱压力小，夏季风流由节点5流入，从节点1流出矿井。冬季则相反，外部大气气温低，矿井内空气温度较高，节点0至节点2产生的空气柱压力较节点5至节点3产生的空气柱压力大，风流从节点1流入，从节点5流出，风向恰好与夏季相反。

2.2 计算方法

根据上述自然风压形成机理及相关理论归纳，自然风压受地表气温、进风井和回风井高差及位置影响。根据自然风压计算模型，自然风压是由节点0至节点2与节点5至节点3的空气柱形成的压强差[9]。因此，自然风压计算如式（1）所示。

p=∫20ρ1gdh-∫53ρ2gdh（1）

式中：p为自然风压（Pa）;g为重力加速度，9.8 m/s2。

空气柱密度的影响因素众多，其与矿井总深度（h）关系属于负的非线性关系，根据式（1）计算自然风压在操作上较为困难，实际中一般采用巷道平均密度代替计算，即节点0至节点2空气柱平均密度为ρm1，节点5至节点3空气柱平均密度为ρm2。则有：

p=hg（ρm1-ρm2）（2）

由此可知，自然风压计算最关键的是计算空气柱各状态下的平均密度，空气柱平均密度一般按式（3）计算。

ρ=0.003 484pj273+t1-0.378φpspj（3）250460BF-818D-4010-ABDD-39EB0C58E054

式中：ρ为空气柱平均密度（kg/m3）;pj为空气绝对静压力（Pa）;φ为空气相对湿度（%）;ps为湿空气中饱和水蒸气绝对分压（Pa）;t为空气温度（℃）。

根据式（3）计算空气平均密度，结合式（2）即可计算出矿井自然风压。

3 自然风压影响下通风系统优化

3.1 通风系统简况

因平硐开拓矿山受自然风压影响最为明显，故本次以四川省某平硐开拓矿山为实例，对该矿山受自然风压影响状况及解决方法进行研究。

该矿山采用平硐+盲斜坡道开拓，现开采高度为1 884～2 064 m，每60 m划分为一个中段，共有4个中段，目前2 004 m中段及1 944 m中段为其主要作业中段，各中段均有平硐与地表相连接。该矿山井下以矿体中线为界线划分东、西2个区，东部矿体采用胶结充填采矿法开采，西部矿体采用分段崩落采矿法开采。该矿山矿井通风系统采用各主平硐进风，东、西两翼地表抽出式通风的布局方式，通风系统如图2所示。

3.2 系统存在问题

根据现场调查及查阅相关资料，原设计东、西两翼地表抽出式通风系统未考虑自然风压的影响，风机能力不足以克服困难时期通风阻力，同时由于通风主系统不完善（西部风井与1 944 m中段未贯通，东部风井与1 884 m中段未贯通），致使系统风流紊乱，2 004 m、1 884 m主平硐风流不稳，风向随季节性周期变化，现场调查各主平硐冬、夏季风量及风向结果如表1所示。

表1中夏季测定时间为6月初，冬季测定时间为11月底，根据检测数据，该矿山夏季自然风压反作用，阻碍矿井通风，其中，1 884 m主平硐和2 004 m主平硐均出现反风现象，不符合GB 16423—2020 《金属非金属矿山安全规程》要求。冬季自然风压帮助矿井通风，矿山各主平硐风向均为进风。造成矿山季节性风向变化的主要原因是通风系统设计之初，未考虑自然风压影响，夏季困难时期矿山主扇能力无法克服自然风压影响。

3.3 通风系统优化技术措施

受自然风压影响，该矿山风向、风量不稳，解决技术措施如下：

1）应考虑矿井夏季通风困难时期自然风压的逆向影响，原矿山主扇风机能力不足（型号均为K40-6-No18），主扇负压不足以克服矿井通风阻力（考虑自然风压影响），计算自然风压值并更换能力满足要求的主扇。

2）增加相应的通风系统工程，延伸西部风井至1 944 m中段与之贯通，延伸东部风井至1 884 m中段，使东、西部各中段通风系统形成回路，使主扇负压能作用于各作业中段，以克服自然风压影响。

3）增加风门、风窗等风量调控构筑物。西部2 064 m中段与西风井贯穿处，东部2 004 m中段与东风井贯穿处，应砌筑风墙;主扇负压下延，防止风流短路;在各中段回风端构筑调节风窗，对风量加以控制。

3.4 优化改造效果

根据通风系统优化技术措施，优化后各主平硐冬、夏季风量及风向结果如表2所示。

由表2可知，经过技术改造优化后，该矿山通风系统冬、夏季风向一致，各主平硐均为进风，且系统进风量有明显提升，有效解决了自然风压造成的矿井通风困难问题。

4 结 语

自然风压对矿山通风系统的影响是普遍存在的，其中平硐开拓的矿山影响较为明显，影响自然风压大小的因素主要为矿山周边自然条件、空气温度、温差等，此次研究分析了自然风压作用机理及计算方法，以受自然风压影响较大的某平硐开拓矿山为实例，对该矿山通风系统进行检测、分析、计算并优化。该矿山通风系统优化后，解决了矿山受自然风压影响造成的主平硐季节性风向变化问题。

[参 考 文 献]

[1] 文虎，王宝元，刘文永，等.自然风压对矿井通风系统的影响分析及防治[J].煤炭技术，2018，37（3）：137-139.

[2] 李亚俊，李印洪，姚银佩，等.基于巷道风流分布规律的风量计算[J].有色金属（矿山部分），2021，73（2）：124-127.

[3] 李亞俊，李印洪，吴洁葵，等.巷道断面风流分布规律试验研究[J].有色金属（矿山部分），2019，71（5）：102-104，110.

[4] 徐凯.多进多回复杂金属矿山自然风压影响研究[D].泰安：山东科技大学，2018.

[5] 刘兴旭.深水平多风井矿井通风系统优化研究[D].泰安：山东科技大学，2018.

[6] 韩耀中.分区域低负压矿井自然风压对通风系统的影响及其控制技术研究[D].泰安：山东科技大学，2020.

[7] 尹里刚，周焕明.自然风压在井下通风系统的应用与研究[J].工业安全与环保，2017，43（11）：35-37，65.

[8] 李亚俊，吴洁葵，李印洪，等.基于最小生成树原理的矿井通风网络监测布局优化[J].矿业研究与开发，2021，41（10）：172-175.

[9] 王海宁，汪光鑫，刘红芳，等.矿井自然风压适时计算与应用[J].矿业研究与开发，2014，34（2）：77-79，95.

Mine ventilation system optimization engineering practices under

the influence of natural air pressure

Li Yajun1，2，Xia Meiqiong3，Li Yinhong1，2，Yao Yinpei1，2

（1.Hunan Nonferrous Metals Labour Protection Academy Co.，Ltd.;

2.Hunan Key Laboratory of Ventilation and Dust Control for Non-coal Mines; 3.Hunan Research Academy of Environmental Sciences）

Abstract：As an objective natural phenomenon greatly affected by climate，seasonal temperature and so on，natural air pressure is difficult to control and is one of the uncontrollable factors that affect the mine ventilation system.To overcome the effect of natural air pressure on the ventilation system，the method of calculating natural air pressure is deduced by analyzing the principles and influencing factors of natural air pressure formation.Based on this study，a case study of a mine with adit development influenced by natural air pressure is used to calculate the impact of natural air pressure on the mine by example detection analysis，and related optimized technical measures are made，in order to solve the problem that the mine is affected by natural air pressure and seasonal wind direction change in each main adit.

Keywords：shaft;natural air pressure;ventilation;adit excavation;wind direction250460BF-818D-4010-ABDD-39EB0C58E054