自然風壓對北嶺煤業(yè)通風的影響分析

郭 琦

(中煤平朔集團北嶺煤業(yè)有限公司,山西 朔州 036006)

礦井自然風壓的形成原因一般有兩個,一個是井筒的標高差,另一個是空氣的密度差。礦井自然風壓對礦井通風有一定影響,一般表現(xiàn)在冬季加強機械通風,夏季阻礙機械通風。但是一些地方小窯依據(jù)當?shù)氐貏菪拗M、回風井,使得自然風壓對礦井通風的影響表現(xiàn)出多元化的特點。

1 原小窯通風系統(tǒng)概況

北嶺煤業(yè)原為地方小窯,原來采用中央并列式通風方式,抽出式通風方法。主斜井、副斜井進風,回風斜井回風。主井標高1 275.5 m,副井標高1 260.3 m,回風井標高1 275.3 m。礦井主通風機型號為FBCDZ-№24,其中1臺通風機工作,1臺備用。主斜井斷面為8.5 m2,副斜井斷面為12.6 m2。

2 問題的提出

2016年11月15號,氣溫下降明顯,測風數(shù)據(jù)如表1所示,主斜井進風量減少,副斜井進風量增加,總回風量基本保持不變,副斜井開始出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

表1 2016年11月15日測風數(shù)據(jù)和正常測風數(shù)據(jù)對比表

3 原因分析

隨著氣溫的下降,礦井的自然風壓發(fā)生了變化,對礦井通風系統(tǒng)產(chǎn)生作用,出現(xiàn)了上述的現(xiàn)象。

3.1 理論分析

1)主斜井井口標高高于副斜井井口標高,兩井筒井口標高相差15 m,形成自然風壓[1];

2)因季節(jié)變更,大氣晝夜溫差大,夜間大氣溫度驟降,這是出現(xiàn)這一現(xiàn)象的客觀因素之一[2];

3)副斜井支護采用鋼筋混凝土,主斜井支護采用錨網(wǎng)噴,地面空氣在溫度較低情況下分別進入井筒后,因兩井筒支護材料不同,副斜井空氣與圍巖熱交換較快,溫度下降幅度大,主斜井空氣與圍巖熱交換較慢,溫度下降幅度小,致使兩井筒空氣柱產(chǎn)生溫差,造成自然風壓;

4)副斜井井筒內(nèi)有淋水,主斜井較干燥,兩井筒間的空氣濕度不同,兩井筒空氣密度出現(xiàn)差異,造成自然風壓[3];

5)因基建運輸影響,兩進風井筒間(在主輔聯(lián)巷)未徹底完善風流隔斷設施,這是造成主副斜井風量受氣溫下降而發(fā)生變化的主觀因素之一[4]。

3.2 數(shù)學分析

圖1為北嶺煤業(yè)通風簡化示意圖。

圖1 北嶺煤業(yè)通風簡化示意圖Fig.1 Simplified schematic diagram of ventilation in Beiling Coal Industry

根據(jù)圖1可知,我礦的通風系統(tǒng)有3個支路:主斜井—回風井支路(Z—A—H支路);副斜井—回風井通路(F—B—H支路);主斜井—副斜井支路(Z—A—B—F支路)。

主斜井進風處的綜合風壓為:

pZ=pZJ+pZH+pZF.

(1)

副斜井進風處的綜合風壓為:

pF=pFJ+pFH+pZF.

(2)

式中:pZJ為Z—A—H支路在Z處的機械風壓,Pa;pZH為Z—A—H支路在Z處的自然風壓,Pa;pFJ為F—B—H支路在F處的機械風壓,Pa;pFH為F—B—H支路在F處的自然風壓,Pa;pZF為Z—A—B—F支路產(chǎn)生的自然風壓,Pa。

我們規(guī)定機械風壓方向為正,冬天進風在進風井口被加熱,使得井內(nèi)空氣溫度高于大氣溫度,則式(1)、(2)可整理為:

pZ=pZJ-pZH-pZF.

(3)

pF=pFJ-pFH+pZF.

(4)

對于主斜井—副斜井支路(Z—A—B—F支路),分析其自然風壓[5]:

(5)

式中:h為礦井最高點至最低點水平的距離,m;g為重力加速度,m/s2;ρ1、ρ2分別為Z′—B和Z—A巷道中dz段的空氣密度,kg/m3。

我們?yōu)榱撕喕嬎?取ρ1、ρ2為Z′—B和Z—A巷道空氣的平均密度,則公式(5)可簡化為:

pZF=hg(ρ1-ρ2) .

(6)

同理:

pZH=hg(ρ3-ρ2) .

(7)

pFH=hg(ρ3-ρ1) .

(8)

式中:ρ3為回風井內(nèi)空氣的平均密度,kg/m3。

副斜井支路由于線路短、斷面大、風阻小,因而風量大、風速高,在外界氣溫低的情況下進風流溫度升高的幅度小,加之副斜井有漏水處,空氣濕度也大,這就導致了空氣平均密度變大;而主斜井支路則由于線路長斷面小,風阻大,因而風量小,風速低,在外界氣溫低的情況下進風流溫度升高的幅度大,空氣平均密度變小,這樣副斜井和主斜井空氣平均密度的差值就會變大[6]。

隨著外界氣溫的降低副斜井和主斜井的空氣溫度都會下降,但是通過上述分析,我們知道副斜井和主斜井空氣平均密度的變化應該為:ρ1↑↑↑,ρ2↑。因為井下幾乎常年處于恒溫狀態(tài),所以我們認為ρ3維持不變,則

pZF=hg(ρ1↑↑↑-ρ2↑)?pZF↑↑ .

(9)

pZH=hg(ρ3-ρ2↑)?pZH↓ .

(10)

pZ=pZJ-pZH↓-pZF↑↑?pZ↓ .

(11)

pFH=hg(ρ3-ρ1↑↑↑)?pFH↓↓↓ .

(12)

pF=pFJ-pFH↓↓↓+pZF↑↑?pF↑ .

(13)

由上述公式推導,我們發(fā)現(xiàn),外界氣溫下降,主斜井的綜合風壓減小,副斜井的綜合風壓增大,所以就出現(xiàn)了主斜井進風量減少,副斜井風量增加的情況。

同理隨著外界氣溫的升高,副斜井和主斜井的空氣溫度都會上升,在我們認為ρ3維持不變的情況下,上述公式符號升降變?yōu)榉聪?會出現(xiàn)主斜井的綜合風壓增大,副斜井的綜合風壓減小,導致主斜井進風量增加,副斜井風量減少的情況。

4 解決措施

結(jié)合原因分析,礦通風部門及時并有針對性地采取了措施。

1)通過增加副斜井井口卷閘門的開合度,增大副斜井井筒風阻，減小其進風量,可以有效地消除副斜井結(jié)冰現(xiàn)象,同樣也可以達到增加主斜井機械風壓的作用;

2)清除主斜井冒落浮煤和雜物,增大主斜井的斷面,減小井筒風阻;

3)在保證主斜井最低進風溫度的前提下,適當?shù)慕档椭餍本訜犸L機的功率;

4)適當?shù)奶岣吒毙本訜犸L機的功率;

5)在主輔聯(lián)巷處設置正反風門,完全隔斷兩個進風井筒間的連接,徹底形成獨立進風通道,最大程度的減少由于氣溫導致的自然風壓變化,影響礦井通風的現(xiàn)象。

采取上述綜合措施后,礦通風部門又進行了全面的測風,發(fā)現(xiàn)主斜井和副斜井進風量恢復到正常水平,副斜井結(jié)冰現(xiàn)象消失。在之后每旬一次的測風中也未發(fā)現(xiàn)兩個進風井筒風量大幅變化的情況。

5 結(jié)束語

自然風壓對礦井通風的影響隨著季節(jié)的變化在變化,主要表現(xiàn)在夏季和冬季。本文結(jié)合北嶺煤業(yè)的實際通風情況、井巷的布置和冬季氣溫變化，綜合分析了自然風壓的產(chǎn)生和影響礦井通風的原因,解決了自然風壓對北嶺煤業(yè)通風的影響,保證了礦井的通風安全可靠,同時為類似礦井消除自然風壓影響提供了借鑒。