深部開(kāi)采礦井自然風(fēng)壓演化規(guī)律研究

韓 明 王 凱 國(guó) 琛

（山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

自然風(fēng)壓現(xiàn)象是受地溫、地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懠熬舷露喾N因素共同作用所引起的促使空氣沿井巷流動(dòng)的現(xiàn)象。由于大氣壓和溫度隨著季節(jié)的變化而變化，地面空氣進(jìn)入礦井后與井下熱源進(jìn)行熱量交換，致使井下各段空氣溫度不同[1-2]；同時(shí)由于大氣壓隨深度的增加而增加以及風(fēng)流在流動(dòng)過(guò)程發(fā)生自壓縮，均會(huì)不斷改變空氣的密度，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)段和回風(fēng)段空氣柱重力不平衡而出現(xiàn)能量差，促進(jìn)風(fēng)流沿井巷流動(dòng)[3]。但自然風(fēng)壓不可作為礦井通風(fēng)的主要?jiǎng)恿υ?，因其是一種可變的動(dòng)力源，自然風(fēng)壓會(huì)對(duì)機(jī)械通風(fēng)的礦井產(chǎn)生作用，其大小和方向在礦井內(nèi)會(huì)隨著季節(jié)的不同而改變[3]。張明等[4]為降低自然風(fēng)壓波動(dòng)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，減少主通風(fēng)機(jī)能耗，通過(guò)間接測(cè)定法對(duì)梁寶寺二號(hào)礦井的自然風(fēng)壓進(jìn)行測(cè)定，為下一步的采區(qū)設(shè)計(jì)及搬遷工作提供了有力依據(jù)。孫維麗等[5]為揭示低負(fù)壓礦井自然風(fēng)壓變化規(guī)律，基于寬溝煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探究，對(duì)礦井地表大氣壓、溫度、濕度及通風(fēng)系統(tǒng)自然風(fēng)壓進(jìn)行了測(cè)算，并分析了礦井自然風(fēng)壓的變化規(guī)律以及自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)、井下采空區(qū)密閉的影響規(guī)律。上官昌培[6]為有效地節(jié)省能源和避免通防事故的發(fā)生，通過(guò)探索礦井自然風(fēng)壓的規(guī)律，并將其應(yīng)用到礦井通風(fēng)中去，對(duì)礦井中出現(xiàn)的漏風(fēng)現(xiàn)象及時(shí)采取相應(yīng)的措施，從而避免礦井自然發(fā)火。唐口煤礦為混合式通風(fēng)系統(tǒng)，目前礦井總進(jìn)風(fēng)量約為25 400 m3/min，總回風(fēng)量約為26 981 m3/min，南風(fēng)井回風(fēng)量約為15 300 m3/min，負(fù)壓約為2926 Pa，北風(fēng)井回風(fēng)量約為12 960 m3/min，負(fù)壓約為2580 Pa。礦井南風(fēng)井目前運(yùn)轉(zhuǎn)西臺(tái)1#風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號(hào)為GAF33.5-18-1F，配套電機(jī)功率為1800 kW。區(qū)域之間供風(fēng)不均衡。因此，研究不同季節(jié)自然風(fēng)壓變化規(guī)律，對(duì)唐口煤礦南翼井區(qū)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。為保障唐口礦井的正常安全生產(chǎn)，在礦井實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，必須依據(jù)礦井實(shí)際情況，結(jié)合自然風(fēng)壓的變化規(guī)律及時(shí)調(diào)整礦井通風(fēng)系統(tǒng)。

1 唐口煤礦自然風(fēng)壓測(cè)定

研究采用間接測(cè)定法[7]對(duì)唐口煤礦南翼井區(qū)自然風(fēng)壓進(jìn)行測(cè)定。該煤礦南翼井區(qū)立體圖如圖1所示。

為了更全面地反映自然風(fēng)壓在全年的波動(dòng)情況，減小氣象改變?cè)斐傻恼`差，在每季度選取具有當(dāng)季氣候代表性的四天進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)將能準(zhǔn)確反映當(dāng)季度氣象情況的數(shù)據(jù)作為此次的主要研究對(duì)象，其他均作為參考。春、夏、秋、冬主要原始記錄信息如表1 所示。

表1 自然風(fēng)壓測(cè)定原始數(shù)據(jù)表

2 唐口煤礦自然風(fēng)壓變化規(guī)律研究

濟(jì)寧春季為大氣環(huán)流調(diào)整時(shí)期，易旱多風(fēng)，回暖較快。通過(guò)對(duì)濟(jì)寧氣溫的分析可以看出，在春季3、4、5 月期間，濟(jì)寧的氣溫是逐漸升高的，地表溫度的變化會(huì)直接帶來(lái)井下溫度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致礦井自然風(fēng)壓的變化。因?yàn)榇杭镜乇頊囟鹊淖兓?guī)律接近于一次函數(shù)，那么春季自然風(fēng)壓的變化也必將呈現(xiàn)一定的規(guī)律。夏季的6、7、8 月是濟(jì)寧地區(qū)氣溫最高的時(shí)期。因此，夏季是唐口煤礦南翼井區(qū)一年中地表溫度最高的時(shí)期。秋季的地表溫度與春季相似，略高于春季略低于夏季，但秋季這三個(gè)月期間的溫度變化相較于春、夏、冬季是最快速的。因此，位于濟(jì)寧市的唐口煤礦南翼井區(qū)的秋季自然風(fēng)壓變化規(guī)律與其他三個(gè)季節(jié)的自然風(fēng)壓變化規(guī)律也會(huì)不同。濟(jì)寧市冬季的地表溫度是全年最低的，此時(shí)唐口煤礦南翼井區(qū)的進(jìn)風(fēng)口和回風(fēng)口處的溫度將是全年中最低的。因此，冬季南翼井區(qū)的自然風(fēng)壓與其他三季相比也將會(huì)有自己的變化規(guī)律。

為了更精確地反映唐口煤礦南翼井區(qū)春、夏、秋、冬不同季節(jié)的礦井自然風(fēng)壓的演化規(guī)律，將根據(jù)唐口煤礦南翼井區(qū)的實(shí)際生產(chǎn)狀況每隔3 h 測(cè)量一次，即通過(guò)3：00、6：00、9：00、12：00、15：00、18：00、21：00、24：00 將一天分為8 個(gè)時(shí)間段。唐口煤礦春、夏、秋、冬四季自然風(fēng)壓測(cè)定結(jié)果如表2 及圖2 所示。

表2 唐口煤礦四季一天中不同時(shí)段自然風(fēng)壓測(cè)定結(jié)果

圖2 四季中不同階段自然風(fēng)壓變化趨勢(shì)圖

從表2 和圖2 可以看出，春季時(shí)期，唐口煤礦南翼井區(qū)的自然風(fēng)壓在3：00～9：00 呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)，遞減程度接近一次函數(shù)關(guān)系；9：00～14：00 期間快速下降；14：00～18：00 期間快速上升；18：00～21：00 期間繼續(xù)上升，但趨勢(shì)減緩；21：00～24：00 期間又快速上升。以14：00 為分界線，唐口煤礦南翼井區(qū)的自然風(fēng)壓變化規(guī)律呈先下降后上升的趨勢(shì)，且最高不超過(guò)413 Pa，最低不低于372 Pa。

夏季時(shí)期，唐口煤礦南翼井區(qū)的自然風(fēng)壓在3：00 至6：00 為緩慢下降階段；6：00～9：00 呈現(xiàn)直線快速下降變化；9：00～12：00 繼續(xù)下降，但相比6：00～9：00 期間下降趨勢(shì)變緩；12：00～15：00 繼續(xù)呈現(xiàn)快速下降的變化規(guī)律；15：00～18：00 開(kāi)始快速上升；18：00～21：00 上升趨勢(shì)變緩，呈現(xiàn)中速上升變化規(guī)律；21：00～24：00 又進(jìn)入快速上升階段。從整體出發(fā)，以15：00 為分界線，唐口煤礦南翼井區(qū)的自然風(fēng)壓變化規(guī)律依然呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。與春季自然風(fēng)壓的變化規(guī)律相比，分界時(shí)間點(diǎn)向后推遲約1 h，整體的自然風(fēng)壓最高不超過(guò)-10 Pa，最低不低于-60 Pa。

秋季時(shí)期，唐口煤礦南翼井區(qū)的自然風(fēng)壓在3：00～9：00 期間，從195.2 Pa 開(kāi)始快速下降，下降的趨勢(shì)基本呈現(xiàn)一次函數(shù)的直線；9：00～12：00 緩慢下降，但下降趨勢(shì)先變緩后變快；12：00～15：00繼續(xù)快速下降，直至下降到166.7 Pa；15：00～18：00 開(kāi)始快速上升；18：00～21：00 依舊呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但相比15：00～18：00 期間上升趨勢(shì)變緩；21：00～24：00繼續(xù)上升，且上升的速度是一天中最快的。以15：00 為分界線，唐口煤礦南翼井區(qū)的自然風(fēng)壓變化規(guī)律呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。與春季自然風(fēng)壓的變化規(guī)律相比，分界時(shí)間點(diǎn)向后推遲了約1 h，與夏季的自然風(fēng)壓變化規(guī)律相比，分界時(shí)間基本相同，且春、夏、秋三季唐口煤礦南翼井區(qū)的自然風(fēng)壓變化趨勢(shì)基本一致，都是先下降后上升。秋季的自然風(fēng)壓最高不超過(guò)196 Pa，最低不低于165 Pa。

冬季時(shí)期，唐口煤礦南翼井區(qū)的自然風(fēng)壓在3：00～6：00 期間，從495.5 Pa 開(kāi)始下降，且這段時(shí)間內(nèi)下降趨勢(shì)呈現(xiàn)越來(lái)越快的狀態(tài)；6：00～9：00 快速下降；9：00～12：00 仍呈下降狀態(tài)，但下降趨勢(shì)變緩；12：00～14：30 繼續(xù)快速下降，直至下降到457 Pa 左右；14：30～18：00 開(kāi)始快速上升，上升趨勢(shì)接近一次函數(shù)直線關(guān)系；18：00～24：00 繼續(xù)上升，但上升的趨勢(shì)變緩。以14：30 為分界時(shí)間點(diǎn)，唐口煤礦南翼井區(qū)的自然風(fēng)壓變化規(guī)律呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。與春季、夏季、秋季相比，冬季的分界時(shí)間比夏季和秋季早約30 min，比春季晚越30 min。但與其他三季相比，冬季的自然風(fēng)壓是最大的，最大達(dá)到了約496 Pa，最低也不低于455 Pa。

3 唐口煤礦自然風(fēng)壓的影響分析

分別記錄各季度溫度數(shù)據(jù)的具體變化，并分析整理所得的數(shù)據(jù)，獲得各季度當(dāng)天自然風(fēng)壓與溫度的變化，如圖3 所示。

從圖3 可以看出，每天自然風(fēng)壓的變化規(guī)律與溫度的變化規(guī)律基本相反，自然風(fēng)壓的變化規(guī)律基本呈現(xiàn)sin 函數(shù)的關(guān)系，溫度的變化規(guī)律呈-sin 函數(shù)的關(guān)系。取變化的中值所在的橫線為中心軸，可以看出從0：00 到3：00，自然風(fēng)壓的變化規(guī)律基本為逐漸增加，溫度的變化規(guī)律基本為逐漸下降；從3：00 到15：00 期間，自然風(fēng)壓的變化規(guī)律為迅速下降，而溫度的變化規(guī)律為迅速上升；從15：00 到24：00 期間，自然風(fēng)壓的變化規(guī)律為迅速上升，溫度的變化規(guī)律為迅速下降。自然風(fēng)壓與溫度的函數(shù)變化規(guī)律拐點(diǎn)基本在每天的9：00 和20：00 左右。

分別記錄各季度相對(duì)濕度數(shù)據(jù)的具體變化，并分析整理所得的數(shù)據(jù)，獲得各季度自然風(fēng)壓與相對(duì)濕度的變化關(guān)系如圖4 所示。

圖4 自然風(fēng)壓與相對(duì)濕度變化關(guān)系圖

從圖4 可以看出，每天自然風(fēng)壓的變化規(guī)律與相對(duì)濕度的變化規(guī)律一致，都基本呈現(xiàn)sin 函數(shù)的關(guān)系。取變化的中值所在的橫線為中心軸，可以看出從0：00 到3：00，自然風(fēng)壓和相對(duì)濕度的變化規(guī)律基本為逐漸增加；從3：00 到15：00 期間，自然風(fēng)壓和相對(duì)濕度的變化規(guī)律為迅速下降；從15：00 到24：00 期間，自然風(fēng)壓和相對(duì)濕度的變化規(guī)律為迅速上升。雖然自然風(fēng)壓變化規(guī)律與相對(duì)濕度變化規(guī)律基本一致，但兩者的變化拐點(diǎn)還是有一定的時(shí)間延遲，大約在0～2 h 之間。

4 結(jié)語(yǔ)

唐口煤礦的自然風(fēng)壓在每個(gè)季節(jié)都呈現(xiàn)中午最低、早上和晚上最高的變化規(guī)律，且春季、秋季和夏季的自然風(fēng)壓為正，夏季的自然風(fēng)壓為負(fù)。溫度和相對(duì)濕度對(duì)自然風(fēng)壓都有一定的影響，溫度與自然風(fēng)壓的變化規(guī)律相反，相對(duì)濕度與自然風(fēng)壓的變化規(guī)律基本一致。