天山煤电公司106 煤矿自然风压的规律研究与应用

上官昌培

（中煤能源新疆天山煤电有限责任公司，新疆 昌吉 831200）

0 引言

106 煤矿位于新疆昌吉高山地区，根据近几年气象数据统计，冬季多雪，夏秋两季多雨，昼夜温差大，年最高气温35.6 ℃，最低气温-27.9 ℃。106 煤矿是典型的平硐进风、斜井回风矿井，自然风压随季节的变化及对矿井通风系统的影响十分明显，自然风压已经成为影响矿井通风系统稳定性的重要因素[1]。为充分利用矿井自然风压，106 煤矿根据季节变化，对矿井自然风压规律进行研究，为矿井主通风机运行工况点的调整及抗灾能力具有重要意义[2-5]。研究表明，自然风压有几点影响因素：①矿井某一回路中两侧空气柱的温差是主要影响因素；②空气成分和湿度影响空气的密度，从而影响自然风压；③井深；④主要通风机的工作对自然风压的大小和方向也有一定影响。根据自然风压的影响因素，结合矿井的实际情况，有效控制自然风压以避免事故发生。

1 井田概况

天山煤电公司106 煤矿矿井通风方式为中央分列式，是典型的平硐进风、斜井回风矿井，主要进风平硐标高+1273 m，回风斜井标高+1778 m，两井筒标高相差505 m，进风平硐和回风斜井空气温度、冬季矿井防冻设施为矿井进风加温，以及巷道岩体温度不同，是形成自然风压的主要原因。实测数据表明，回风斜井空气气温一般常年不变，在14 ～16 ℃，进风平硐空气温度则随季节变化而变化，尤其冬季进风系统温度就低，经过井口空气加热后，进风平硐温度在15 ～20 ℃，一年四季气温变化大，自然风压也大，对矿井机械通风影响大。

2 矿井自然风压规律探索

根据矿井自然风压测定方法，比较常用的有直接测定法、反风测算法、间接测定法。由于矿井正常生产期间，用直接法测定影响较大，因此本文采用间接法进行自然风压测定，用反风法进行验证，天山公司106 煤矿通风系统示意如图1 所示。

图1 106 煤矿通风系统示意Fig.1 Ventilation system of 106 Coal Mine

2.1 自然风压测定

测出进、回风两井筒空气柱的平均密度，由式（1） 可计算自然风压的大小，即：

式中：H 为矿井自然风压，Pa；ρ 为空气的密度，kg/m3；g 为重力加速度；9.8 m/s2。

为了能更好的反映不同时段的自然风压变化规律，分别于2020 年1 月28 日、4 月28 日、07 月28 日、10 月28 日、11 月28 日的2:00、6:00、10:00、14:00、18:00、22:00 进行测定，自然风压测定结果见表1。

表1 不同时段自然风压测定结果Table 1 Results of natural wind pressure measurement in different periods

从表1 可以看出，106 煤矿自然风压变化规律，在1 月份自然风压处于最大，此时为冬季，环境温度较低，自然风压平均值达到333 Pa。在7 月时自然风压最小，此时为夏季，环境温度较高，自然风压平均值为32 Pa。由此得出，自然风压受环境温度波动影响大，气候变化导致的通风参数波动。由此可以看出，自然风压在一天中的变化值小于40 Pa，正常情况下，矿井通风机可进行正常的运行。从上述数据可以看出，通常情况下，全年自然风压值在每天的2:00 时达到一天中的最高值，在18:00 时处于最低值，在2:00 ～18:00 中，自然风压随着时间的进行逐渐降低。超过18:00时开始逐渐升高，到次日2:00 时左右，达到最高水平。

2.2 反风测定法对间接法的比对

根据矿井通风阻力定律列出方程式，反风前为抽出式通风，106 煤矿的风阻R抽为：

反风时为压入式通风，风阻R压为：

由于反风前和反风期间风阻不变，即R抽=R压联立方程式（2）、（3），得出：

式中：R抽为抽出式通风时的风阻，N·s2/m8；R压为反风时（压入式） 通风时的风阻，N·s2/m8；Q抽为抽出式通风时的矿井风量，m3/s；Q压为反风时（压入式） 的矿井风量，m3/s；h压为反风时（压入式） 的矿井相对全压，Pa；h抽为抽出式通风时的矿井相对全压，Pa。

根据2020 年6 月30 日反风演习测定数据，矿井风机运行0、31 Hz，矿井进风4982 m3/min，静压-540 Pa；反风时，矿井进风3717 m3/min，静压380 Pa，带入式（3） 计算得h自=51 Pa，在4 月28 日—7 月28 日测定区间。

3 自然风压在矿井中的应用

3.1 自然风压与风机关系分析

由于自然风压产生的特性，可以把自然风压看成与矿井主要通风机是一种串联关系，在机械通风矿井中，自然风压绝对值随风量增大略有增大，风机停止工作时自然风压依然存在，因此用平行于Q轴的直线表示自然风压特性。根据表1，春秋季节自然风压比较接近，分别用I春秋、I夏、I冬表示，绘制曲线如图2 所示。

图2 自然风压与通风机关系Fig.2 Relationship between natural wind pressure and ventilator

由图2 可知，I夏对主要通风机帮助较小，I春秋其次，I冬最大，风机的工况点随自然风压的变化而移动。

3.2 自然风压的应用

106 煤矿主扇叶片安装角度为0，2020 年6 月矿井需风量为4856 m3/min，工况点在34 Hz，结合夏季自然风压，只需要将风机调整到32 Hz，实际测得矿井进风量5019 m3/min，矿井负压为540 Pa。11 月份随着矿井掘进工作面的增加，局部用风地点增加，计算矿井需要风量5662 m3/min，工况点在38 Hz，结合冬季自然风压，只需要将风机调整到32 Hz，实际测得矿井进风量5712 m3/min，矿井负压245 Pa。掌握矿井自然风压规律为矿井风量调整提供了可靠的技术支撑（图3）。

图3 性能曲线图Fig.3 Performance curve

根据2020 年7 月矿井通风阻力测定结果，矿井正常通风的过程中，矿井通风阻力一般为一个定值，矿井需风量在一定范围内波动，不会出现太大的变化。此处，矿井风阻值为0.08407 N·s2/m8，根据式（5）：

式中：HN为矿井自然风压，Pa；R 为矿井的风阻值，N·s2/m8；QN为自然风压单独作用时矿井总风量，m3/s。

将表1 自然风压平均值代入式（5），得到不同时段自然风压可产生的风量，见表2。表中1 月的风量最大，为3775 m3/min，7 月的风量最小，为1170 m3/min。

表2 不同时段自然风压可产生风量Table 2 Natural wind pressure can produce air volume in different period

根据106 煤矿测试报告，并结合表2 绘制不同时段自然风压可产生风量的变化曲线如图4 所示。自然风压通风风量最低值为1170 m3/min，夏季自然风压达到全年最低值，约为32 Pa；自然风压通风风量最高值为3775 m3/min，此时为冬季，自然风压达到全年最大值，约为333 Pa。随着季节变化，温度升高，自然风压风量随之减少，温度降低，自然风压风量随之升高。

图4 不同时段自然风压可产生风量Fig.4 Air volume produced by natural wind pressure in different periods

主要通风机停风后，及时打开防爆门，矿井自然风压可为矿井提供风量，以保障机械设备停风期间，主要巷道通风良好。

4 自然风压产生的经济效益和社会效益

4.1 经济效益

通过对比风机性能曲线，充分利用矿井自然风量，在不同季节矿井输入的功率与工况点功率相关，例如，冬季期间每小时可减少输入功率30 kW，一个月可节省能耗21600 kW，相当于节省2万元，尤其在106 煤矿自然风压全年处于辅助通风状态，充分利用自然风压可为矿井创造经济效益。

4.2 社会效益

自然风压是通风动力，掌握自然风压的变化规律，可了解井下通风变化情况，同时自然风压也是矿井事故发生的原因之一。因此，进一步掌握自然风压的规律，有助于防止出现自然风压与矿井通风动力相反的现象。根据自然风压的时间分布，合理调整井下采、掘工作面布局，将生产任务向自然风压较大季节期间倾斜，使自然风压的效用最大化。

5 结论

（1） 106 煤矿自然风压变化规律，1 月自然风压达到最大值为333 Pa，7 月自然风压达到最小值为32 Pa。

（2） 自然风压与矿井主要通风机是一种串联关系，I夏对主要通风机帮助较小，I春秋其次，I冬最大，风机的工况点随自然风压的变化而移动。

（3） 不同时段自然风压产生的风量，1 月的风量最大，为3775 m3/min，7 月的风量最小，为1170 m3/min。

（4） 针对106 煤矿自然风压的调查研究，掌握煤矿自然风压的变化规律，发现漏风现象应及时采取应急措施，避免自然发火的发生。