自然风压对北岭煤业通风的影响分析

郭 琦

(中煤平朔集团北岭煤业有限公司,山西 朔州 036006)

矿井自然风压的形成原因一般有两个,一个是井筒的标高差,另一个是空气的密度差。矿井自然风压对矿井通风有一定影响,一般表现在冬季加强机械通风,夏季阻碍机械通风。但是一些地方小窑依据当地地势修筑进、回风井,使得自然风压对矿井通风的影响表现出多元化的特点。

1 原小窑通风系统概况

北岭煤业原为地方小窑,原来采用中央并列式通风方式,抽出式通风方法。主斜井、副斜井进风,回风斜井回风。主井标高1 275.5 m,副井标高1 260.3 m,回风井标高1 275.3 m。矿井主通风机型号为FBCDZ-№24,其中1台通风机工作,1台备用。主斜井断面为8.5 m2,副斜井断面为12.6 m2。

2 问题的提出

2016年11月15号,气温下降明显,测风数据如表1所示,主斜井进风量减少,副斜井进风量增加,总回风量基本保持不变,副斜井开始出现结冰现象。

表1 2016年11月15日测风数据和正常测风数据对比表

3 原因分析

随着气温的下降,矿井的自然风压发生了变化,对矿井通风系统产生作用,出现了上述的现象。

3.1 理论分析

1)主斜井井口标高高于副斜井井口标高,两井筒井口标高相差15 m,形成自然风压[1];

2)因季节变更,大气昼夜温差大,夜间大气温度骤降,这是出现这一现象的客观因素之一[2];

3)副斜井支护采用钢筋混凝土,主斜井支护采用锚网喷,地面空气在温度较低情况下分别进入井筒后,因两井筒支护材料不同,副斜井空气与围岩热交换较快,温度下降幅度大,主斜井空气与围岩热交换较慢,温度下降幅度小,致使两井筒空气柱产生温差,造成自然风压;

4)副斜井井筒内有淋水,主斜井较干燥,两井筒间的空气湿度不同,两井筒空气密度出现差异,造成自然风压[3];

5)因基建运输影响,两进风井筒间(在主辅联巷)未彻底完善风流隔断设施,这是造成主副斜井风量受气温下降而发生变化的主观因素之一[4]。

3.2 数学分析

图1为北岭煤业通风简化示意图。

图1 北岭煤业通风简化示意图Fig.1 Simplified schematic diagram of ventilation in Beiling Coal Industry

根据图1可知,我矿的通风系统有3个支路:主斜井—回风井支路(Z—A—H支路);副斜井—回风井通路(F—B—H支路);主斜井—副斜井支路(Z—A—B—F支路)。

主斜井进风处的综合风压为:

pZ=pZJ+pZH+pZF.

(1)

副斜井进风处的综合风压为:

pF=pFJ+pFH+pZF.

(2)

式中:pZJ为Z—A—H支路在Z处的机械风压,Pa;pZH为Z—A—H支路在Z处的自然风压,Pa;pFJ为F—B—H支路在F处的机械风压,Pa;pFH为F—B—H支路在F处的自然风压,Pa;pZF为Z—A—B—F支路产生的自然风压,Pa。

我们规定机械风压方向为正,冬天进风在进风井口被加热,使得井内空气温度高于大气温度,则式(1)、(2)可整理为:

pZ=pZJ-pZH-pZF.

(3)

pF=pFJ-pFH+pZF.

(4)

对于主斜井—副斜井支路(Z—A—B—F支路),分析其自然风压[5]:

(5)

式中:h为矿井最高点至最低点水平的距离,m;g为重力加速度,m/s2;ρ1、ρ2分别为Z′—B和Z—A巷道中dz段的空气密度,kg/m3。

我们为了简化计算,取ρ1、ρ2为Z′—B和Z—A巷道空气的平均密度,则公式(5)可简化为:

pZF=hg(ρ1-ρ2) .

(6)

同理:

pZH=hg(ρ3-ρ2) .

(7)

pFH=hg(ρ3-ρ1) .

(8)

式中:ρ3为回风井内空气的平均密度,kg/m3。

副斜井支路由于线路短、断面大、风阻小,因而风量大、风速高,在外界气温低的情况下进风流温度升高的幅度小,加之副斜井有漏水处,空气湿度也大,这就导致了空气平均密度变大;而主斜井支路则由于线路长断面小,风阻大,因而风量小,风速低,在外界气温低的情况下进风流温度升高的幅度大,空气平均密度变小,这样副斜井和主斜井空气平均密度的差值就会变大[6]。

随着外界气温的降低副斜井和主斜井的空气温度都会下降,但是通过上述分析,我们知道副斜井和主斜井空气平均密度的变化应该为:ρ1↑↑↑,ρ2↑。因为井下几乎常年处于恒温状态,所以我们认为ρ3维持不变,则

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)

由上述公式推导,我们发现,外界气温下降,主斜井的综合风压减小,副斜井的综合风压增大,所以就出现了主斜井进风量减少,副斜井风量增加的情况。

同理随着外界气温的升高,副斜井和主斜井的空气温度都会上升,在我们认为ρ3维持不变的情况下,上述公式符号升降变为反向,会出现主斜井的综合风压增大,副斜井的综合风压减小,导致主斜井进风量增加,副斜井风量减少的情况。

4 解决措施

结合原因分析,矿通风部门及时并有针对性地采取了措施。

1)通过增加副斜井井口卷闸门的开合度,增大副斜井井筒风阻，减小其进风量,可以有效地消除副斜井结冰现象,同样也可以达到增加主斜井机械风压的作用;

2)清除主斜井冒落浮煤和杂物,增大主斜井的断面,减小井筒风阻;

3)在保证主斜井最低进风温度的前提下,适当的降低主斜井加热风机的功率;

4)适当的提高副斜井加热风机的功率;

5)在主辅联巷处设置正反风门,完全隔断两个进风井筒间的连接,彻底形成独立进风通道,最大程度的减少由于气温导致的自然风压变化,影响矿井通风的现象。

采取上述综合措施后,矿通风部门又进行了全面的测风,发现主斜井和副斜井进风量恢复到正常水平,副斜井结冰现象消失。在之后每旬一次的测风中也未发现两个进风井筒风量大幅变化的情况。

5 结束语

自然风压对矿井通风的影响随着季节的变化在变化,主要表现在夏季和冬季。本文结合北岭煤业的实际通风情况、井巷的布置和冬季气温变化，综合分析了自然风压的产生和影响矿井通风的原因,解决了自然风压对北岭煤业通风的影响,保证了矿井的通风安全可靠,同时为类似矿井消除自然风压影响提供了借鉴。