深部开采矿井自然风压演化规律研究

2024-02-27韩明王凯国琛

山东煤炭科技 2024年1期

韩明王凯国琛

（山东唐口煤业有限公司，山东济宁 272000）

自然风压现象是受地温、地质条件、当地气候影响及井上下多种因素共同作用所引起的促使空气沿井巷流动的现象。由于大气压和温度随着季节的变化而变化，地面空气进入矿井后与井下热源进行热量交换，致使井下各段空气温度不同[1-2]；同时由于大气压随深度的增加而增加以及风流在流动过程发生自压缩，均会不断改变空气的密度，导致进风段和回风段空气柱重力不平衡而出现能量差，促进风流沿井巷流动[3]。但自然风压不可作为矿井通风的主要动力源，因其是一种可变的动力源，自然风压会对机械通风的矿井产生作用，其大小和方向在矿井内会随着季节的不同而改变[3]。张明等[4]为降低自然风压波动对矿井通风系统稳定性的影响，减少主通风机能耗，通过间接测定法对梁宝寺二号矿井的自然风压进行测定，为下一步的采区设计及搬迁工作提供了有力依据。孙维丽等[5]为揭示低负压矿井自然风压变化规律，基于宽沟煤矿进行了现场实际探究，对矿井地表大气压、温度、湿度及通风系统自然风压进行了测算，并分析了矿井自然风压的变化规律以及自然风压对矿井通风系统、井下采空区密闭的影响规律。上官昌培[6]为有效地节省能源和避免通防事故的发生，通过探索矿井自然风压的规律，并将其应用到矿井通风中去，对矿井中出现的漏风现象及时采取相应的措施，从而避免矿井自然发火。唐口煤矿为混合式通风系统，目前矿井总进风量约为25 400 m3/min，总回风量约为26 981 m3/min，南风井回风量约为15 300 m3/min，负压约为2926 Pa，北风井回风量约为12 960 m3/min，负压约为2580 Pa。矿井南风井目前运转西台1#风机，风机型号为GAF33.5-18-1F，配套电机功率为1800 kW。区域之间供风不均衡。因此，研究不同季节自然风压变化规律，对唐口煤矿南翼井区的矿井通风系统稳定性具有重要意义。为保障唐口矿井的正常安全生产，在矿井实际生产过程中，必须依据矿井实际情况，结合自然风压的变化规律及时调整矿井通风系统。

1 唐口煤矿自然风压测定

研究采用间接测定法[7]对唐口煤矿南翼井区自然风压进行测定。该煤矿南翼井区立体图如图1所示。

为了更全面地反映自然风压在全年的波动情况，减小气象改变造成的误差，在每季度选取具有当季气候代表性的四天进行测定，同时将能准确反映当季度气象情况的数据作为此次的主要研究对象，其他均作为参考。春、夏、秋、冬主要原始记录信息如表1 所示。

表1 自然风压测定原始数据表

2 唐口煤矿自然风压变化规律研究

济宁春季为大气环流调整时期，易旱多风，回暖较快。通过对济宁气温的分析可以看出，在春季3、4、5 月期间，济宁的气温是逐渐升高的，地表温度的变化会直接带来井下温度的变化，进而导致矿井自然风压的变化。因为春季地表温度的变化规律接近于一次函数，那么春季自然风压的变化也必将呈现一定的规律。夏季的6、7、8 月是济宁地区气温最高的时期。因此，夏季是唐口煤矿南翼井区一年中地表温度最高的时期。秋季的地表温度与春季相似，略高于春季略低于夏季，但秋季这三个月期间的温度变化相较于春、夏、冬季是最快速的。因此，位于济宁市的唐口煤矿南翼井区的秋季自然风压变化规律与其他三个季节的自然风压变化规律也会不同。济宁市冬季的地表温度是全年最低的，此时唐口煤矿南翼井区的进风口和回风口处的温度将是全年中最低的。因此，冬季南翼井区的自然风压与其他三季相比也将会有自己的变化规律。

为了更精确地反映唐口煤矿南翼井区春、夏、秋、冬不同季节的矿井自然风压的演化规律，将根据唐口煤矿南翼井区的实际生产状况每隔3 h 测量一次，即通过3：00、6：00、9：00、12：00、15：00、18：00、21：00、24：00 将一天分为8 个时间段。唐口煤矿春、夏、秋、冬四季自然风压测定结果如表2 及图2 所示。

表2 唐口煤矿四季一天中不同时段自然风压测定结果

图2 四季中不同阶段自然风压变化趋势图

从表2 和图2 可以看出，春季时期，唐口煤矿南翼井区的自然风压在3：00～9：00 呈现逐渐递减的趋势，递减程度接近一次函数关系；9：00～14：00 期间快速下降；14：00～18：00 期间快速上升；18：00～21：00 期间继续上升，但趋势减缓；21：00～24：00 期间又快速上升。以14：00 为分界线，唐口煤矿南翼井区的自然风压变化规律呈先下降后上升的趋势，且最高不超过413 Pa，最低不低于372 Pa。

夏季时期，唐口煤矿南翼井区的自然风压在3：00 至6：00 为缓慢下降阶段；6：00～9：00 呈现直线快速下降变化；9：00～12：00 继续下降，但相比6：00～9：00 期间下降趋势变缓；12：00～15：00 继续呈现快速下降的变化规律；15：00～18：00 开始快速上升；18：00～21：00 上升趋势变缓，呈现中速上升变化规律；21：00～24：00 又进入快速上升阶段。从整体出发，以15：00 为分界线，唐口煤矿南翼井区的自然风压变化规律依然呈现先下降后上升的趋势。与春季自然风压的变化规律相比，分界时间点向后推迟约1 h，整体的自然风压最高不超过-10 Pa，最低不低于-60 Pa。

秋季时期，唐口煤矿南翼井区的自然风压在3：00～9：00 期间，从195.2 Pa 开始快速下降，下降的趋势基本呈现一次函数的直线；9：00～12：00 缓慢下降，但下降趋势先变缓后变快；12：00～15：00继续快速下降，直至下降到166.7 Pa；15：00～18：00 开始快速上升；18：00～21：00 依旧呈现上升趋势，但相比15：00～18：00 期间上升趋势变缓；21：00～24：00继续上升，且上升的速度是一天中最快的。以15：00 为分界线，唐口煤矿南翼井区的自然风压变化规律呈现先下降后上升的趋势。与春季自然风压的变化规律相比，分界时间点向后推迟了约1 h，与夏季的自然风压变化规律相比，分界时间基本相同，且春、夏、秋三季唐口煤矿南翼井区的自然风压变化趋势基本一致，都是先下降后上升。秋季的自然风压最高不超过196 Pa，最低不低于165 Pa。

冬季时期，唐口煤矿南翼井区的自然风压在3：00～6：00 期间，从495.5 Pa 开始下降，且这段时间内下降趋势呈现越来越快的状态；6：00～9：00 快速下降；9：00～12：00 仍呈下降状态，但下降趋势变缓；12：00～14：30 继续快速下降，直至下降到457 Pa 左右；14：30～18：00 开始快速上升，上升趋势接近一次函数直线关系；18：00～24：00 继续上升，但上升的趋势变缓。以14：30 为分界时间点，唐口煤矿南翼井区的自然风压变化规律呈现先下降后上升的趋势。与春季、夏季、秋季相比，冬季的分界时间比夏季和秋季早约30 min，比春季晚越30 min。但与其他三季相比，冬季的自然风压是最大的，最大达到了约496 Pa，最低也不低于455 Pa。

3 唐口煤矿自然风压的影响分析

分别记录各季度温度数据的具体变化，并分析整理所得的数据，获得各季度当天自然风压与温度的变化，如图3 所示。

从图3 可以看出，每天自然风压的变化规律与温度的变化规律基本相反，自然风压的变化规律基本呈现sin 函数的关系，温度的变化规律呈-sin 函数的关系。取变化的中值所在的横线为中心轴，可以看出从0：00 到3：00，自然风压的变化规律基本为逐渐增加，温度的变化规律基本为逐渐下降；从3：00 到15：00 期间，自然风压的变化规律为迅速下降，而温度的变化规律为迅速上升；从15：00 到24：00 期间，自然风压的变化规律为迅速上升，温度的变化规律为迅速下降。自然风压与温度的函数变化规律拐点基本在每天的9：00 和20：00 左右。

分别记录各季度相对湿度数据的具体变化，并分析整理所得的数据，获得各季度自然风压与相对湿度的变化关系如图4 所示。

图4 自然风压与相对湿度变化关系图

从图4 可以看出，每天自然风压的变化规律与相对湿度的变化规律一致，都基本呈现sin 函数的关系。取变化的中值所在的横线为中心轴，可以看出从0：00 到3：00，自然风压和相对湿度的变化规律基本为逐渐增加；从3：00 到15：00 期间，自然风压和相对湿度的变化规律为迅速下降；从15：00 到24：00 期间，自然风压和相对湿度的变化规律为迅速上升。虽然自然风压变化规律与相对湿度变化规律基本一致，但两者的变化拐点还是有一定的时间延迟，大约在0～2 h 之间。