礦井自然通風(fēng)的利用和控制探討

劉忠明

（大冶有色礦業(yè)分公司銅綠山礦采礦車間，湖北 大冶 435100）

1 礦井自然通風(fēng)的基本概念

1.1 礦井自然通風(fēng)形成條件

一般來說，在非機械通風(fēng)的礦井中經(jīng)常可以觀測到一種現(xiàn)象，那就是風(fēng)流會從氣溫比較低的井筒處經(jīng)過工作面流到氣溫比較高的井筒位置，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因就是風(fēng)流在經(jīng)過井巷的時候，與旁邊的巖石發(fā)生了一定的熱量交換，使得進、回風(fēng)井里的氣溫都出現(xiàn)了差異化的現(xiàn)象，再加上回風(fēng)井中的空氣存在著密度小的現(xiàn)象，就會導(dǎo)致井筒底部的空氣壓力出現(xiàn)不相等的現(xiàn)象，這其中的壓差就是自然風(fēng)壓。在受到自然風(fēng)壓的影響之后，風(fēng)流會不斷的流過礦井，然后形成了自然通風(fēng)的過程。在這其中，溫度是影響到礦井進回風(fēng)兩側(cè)空氣柱密度的重要性因素，同時自然風(fēng)壓還會與井深產(chǎn)生一定的關(guān)系，當(dāng)?shù)V井兩側(cè)的空氣柱溫度保持在一定程度時，自然風(fēng)壓的大小與進回風(fēng)井高差會形成成正比關(guān)系。

1.2 礦井自然通風(fēng)的研究意義

有資料顯示，我國從八十年代初期以來，已經(jīng)有很多家國有的大中型礦山產(chǎn)生了不同程度的熱害問題，粉塵污染的現(xiàn)象更是具有普遍性。還存在著部分的礦山因為受到惡劣空氣的影響，直接出現(xiàn)了生產(chǎn)停的現(xiàn)象。在這樣的情況下，井巷的通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用和控制已經(jīng)成為我國部分礦山必須關(guān)注到的問題，要進一步的改進空氣品質(zhì)，減少病害發(fā)生的概率。

想要對礦井空氣品質(zhì)做好改善，避免出現(xiàn)熱害問題，一般需要建立井巷通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)。對于礦山生產(chǎn)來說，其開采工藝和地理位置大都會存在著一定的特殊性，在礦山生產(chǎn)中一般都會利用自然通風(fēng)的方式來做出處理，尤其是對于一些中小型或者是高海拔的礦山來說更是如此。一般來說，在冬夏兩季采用自然通風(fēng)的方式已經(jīng)成為了重要的組成本部分，在對部分的礦山進行一定的測定之后可以發(fā)現(xiàn)，冬夏二季自然通風(fēng)量已經(jīng)達(dá)到了整個礦山通風(fēng)量的60%。

除此之外，對于具有機械通風(fēng)系統(tǒng)的礦山來說，其自然風(fēng)壓所形成的風(fēng)流對于全礦的通風(fēng)系統(tǒng)都具有非常重要的影響。當(dāng)自然風(fēng)壓與風(fēng)機風(fēng)壓處于一致水平的時候，自然通風(fēng)主要是發(fā)揮出增加通風(fēng)量和改善其通風(fēng)效果的重要作用。當(dāng)自然風(fēng)壓與風(fēng)機風(fēng)壓處于方向相反狀態(tài)的時候，自然通風(fēng)會在一定程度上增加風(fēng)機的負(fù)荷，會給其通風(fēng)效果產(chǎn)生不良的影響。因此對于整個礦山的生產(chǎn)來說，自然通風(fēng)規(guī)律是必須要作重點把握的內(nèi)容，需要借此來對自然風(fēng)壓做好正確的預(yù)測，然后選擇合適的風(fēng)機來時下對自然風(fēng)能的充分性利用，這是實現(xiàn)礦山通風(fēng)節(jié)能的重要發(fā)展方向，具有非常重要的經(jīng)濟發(fā)展意義和現(xiàn)實社會效益。

2 礦井自然通風(fēng)的特性

現(xiàn)階段對于自然通風(fēng)規(guī)律的認(rèn)識還不夠透徹，很容易就會給通風(fēng)系統(tǒng)的運行帶來不利的影響，因此需要對礦井自然通風(fēng)的特性做好關(guān)注。根據(jù)現(xiàn)有的研究和認(rèn)識，自然通風(fēng)的規(guī)律和特點分為以下幾點。

2.1 地表氣溫的變化

礦區(qū)的地形、開拓方式和礦井深度具有很大的差異性，其地表氣溫變化會對自然風(fēng)壓產(chǎn)生不同程度的影響。對于山區(qū)礦井來說，其自然風(fēng)壓最容易受到地表氣溫變化的影響，尤其是對于高山礦井來說，經(jīng)常會在夏秋季節(jié)出現(xiàn)頻繁的變化，甚至也更加容易受到天氣變化的影響。對于侵蝕基準(zhǔn)面以下的豎井開拓深礦井來說，因為受到地溫變化的影響，地面的空氣在進入到礦井之后會與巖體發(fā)生熱量的交換。總體來說，自然風(fēng)壓在一年當(dāng)中雖然都會有一定的變化，但是其大體的方向不太會發(fā)生很大的變化，尤其是具有主扇通風(fēng)的情況下更是如此，可以如圖1和圖2所示。

圖1 淺井自然風(fēng)壓圖

圖2 深井自然風(fēng)壓圖

2.2 礦井深度

對于自然風(fēng)壓來說，其大小與礦井深度會成一種正比的關(guān)系。深達(dá)一千余米的礦井，在自然通風(fēng)能上會占據(jù)總通風(fēng)能的30%。有一個1000m深的礦井，其主扇運轉(zhuǎn)時風(fēng)量為90m3/s，當(dāng)主扇停止運轉(zhuǎn)的時候，其自然通風(fēng)量依舊可以達(dá)到20m3/s～65m3/s的狀態(tài)。

2.3 礦井內(nèi)空氣成分和濕度

礦井中各種氣體的常數(shù)是不同，一般是按照道爾頓定律計算出不同氣體成分的空氣氣體常數(shù)，再由此來計算出這些常數(shù)對于空氣密度的影響。在一般的情況下，這種氣體成分不會造成很大的影響，可以在計算的過程中不對其作出考慮。此外，空氣濕度也是如此，一般不予考慮。

但是要對深礦井多加關(guān)注，因為從回風(fēng)井排除空氣的時候，空氣經(jīng)常會呈現(xiàn)出一種飽和的狀態(tài)，并且其中也會含有不少的液態(tài)水分，想要將這些水分排走，需要對附加的能量作消耗處理，如果礦井中沒有主扇機，就需要依靠自然通風(fēng)來發(fā)揮出應(yīng)有的功能，對全礦的通風(fēng)風(fēng)壓做好削弱處理。

2.4 扇風(fēng)機的工作

扇風(fēng)機的主扇工作對于自然風(fēng)壓的影響是比較小的，一般可以保持在忽略不計的狀態(tài)當(dāng)中。但是在主扇反風(fēng)的時候，會受到人為的影響而形成新的風(fēng)流方向，這就使得院線的進風(fēng)井成為了回風(fēng)井。如果是處在冬季，會因為受到巖體熱量的影響而使得原進風(fēng)井內(nèi)的氣溫出現(xiàn)了增高的現(xiàn)象，一旦形成了這種兩個井筒內(nèi)的溫差關(guān)系，即便是主扇出現(xiàn)了停止運轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，自然風(fēng)流也依舊可以保持在主扇反風(fēng)時的方向。簡單來說，主扇反風(fēng)可以形成一個與原先的自然風(fēng)壓風(fēng)向保持相反的新的自然風(fēng)壓。

2.5 風(fēng)量的影響

當(dāng)處于冬季的時候，風(fēng)量一般都會增大的現(xiàn)象，同時進風(fēng)井的冷空氣也會出現(xiàn)增加的現(xiàn)象，這使得進風(fēng)井內(nèi)平均氣溫略有降低，同樣地自然風(fēng)壓也會有少許的增大現(xiàn)象。夏季一般會呈現(xiàn)出相反的現(xiàn)象，但是不會給一般的礦井造成較大影響，為了讓計算更加具有簡便性，可以對其忽略不計，認(rèn)為自然風(fēng)壓不會隨風(fēng)量而變即可。

對于礦井來說，不同水平都會有各自的自然風(fēng)壓，當(dāng)沒有主扇的時候，各水平的自然通風(fēng)量都會與各自水平的自然風(fēng)壓和相關(guān)風(fēng)阻有著重要的聯(lián)系。當(dāng)主扇通風(fēng)的時候，不同水平的自然風(fēng)壓將與主扇共處于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合作業(yè)當(dāng)中，全礦井巷及其各個水平的通風(fēng)流狀況都是具有一定的差異性（風(fēng)向與風(fēng)量大小），需要對其作出具體分析之后才能了解。

3 礦井自然通風(fēng)的利用和控制

礦井通風(fēng)屬于地下礦山開采的重要性課題，一般可以將其分為自然通風(fēng)和機械通風(fēng)。其中的自然通風(fēng)就是將自然風(fēng)壓作為依靠而進行的通風(fēng)，機械通風(fēng)是借助機械風(fēng)機的運轉(zhuǎn)來為井下提供更為新鮮的通風(fēng)。對于地下礦山來說，經(jīng)常會采取機械通風(fēng)的方式，但是實際生產(chǎn)中經(jīng)常會產(chǎn)生過于依賴機械通風(fēng)的現(xiàn)象，會給自然風(fēng)壓的存在產(chǎn)生忽視的現(xiàn)象。自然通風(fēng)一般對于環(huán)境條件有著較強的依賴性，因此需要對其利用和控制多加關(guān)注。

在礦山生產(chǎn)和開采的過程中，比較容易受到粉塵和熱害的影響，想要對這類事故問題的發(fā)生做好預(yù)防處理，就需要對礦井自然通風(fēng)的基本規(guī)律做好關(guān)注，從礦山企業(yè)的設(shè)計階段出發(fā)，對礦山自然通風(fēng)的影響做出充分的考慮，通過建立起完善化的通風(fēng)系統(tǒng)來降低礦井通風(fēng)的阻力，同時還可以設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)墻的方式來實現(xiàn)對自然通風(fēng)的合理利用。

3.1 建立完善的通風(fēng)系統(tǒng)

對于高山型礦井來說，在對其做出模型計算和分析之后可以發(fā)現(xiàn)，一個年度內(nèi)上行自然通風(fēng)的時間一般要比下行的更多，并且普遍上都存在著上行自然風(fēng)壓更大的現(xiàn)象。在對礦井自然通風(fēng)做出利用和控制的時候，需要對這一規(guī)律做出充分的把握，在對其進行設(shè)計的時候，需要多采用抽出式機械通風(fēng)系統(tǒng)，將低溫季節(jié)的上行自然風(fēng)流作為主要的內(nèi)容來做好利用，實現(xiàn)對高溫季節(jié)下行自然風(fēng)流的適當(dāng)控制，避免給主通風(fēng)系統(tǒng)造成擾亂和破壞的問題。當(dāng)處于低溫季節(jié)的時候，自然風(fēng)壓也會處在一個較大的狀態(tài)當(dāng)中，這個過程主要是采用調(diào)節(jié)主扇風(fēng)機參數(shù)的方式來實現(xiàn)對風(fēng)機能耗的降低。當(dāng)處于高溫季節(jié)的時候，自然風(fēng)流一般都與主風(fēng)流保持在一個相反的方向當(dāng)中，可以采用設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)門或者是及時封閉采取和廢棄井巷的方式來對自然風(fēng)流的風(fēng)量進行降低，從而更好地降低自然風(fēng)壓的不利影響。

3.2 降低礦井通風(fēng)摩擦阻力

當(dāng)自然風(fēng)壓一定的時候，通過降低風(fēng)阻的方式就能實現(xiàn)對風(fēng)量的提升。一般來說，會給風(fēng)阻產(chǎn)生影響的主要因素有過風(fēng)斷面、支護型式、巷道長度等內(nèi)容。對于巷道長度和支護形式來說，它們早在開拓的過程中就已經(jīng)形成，很難再對其作出改變，因此大都會采用增大過風(fēng)斷面的方式來進行處理。在實際的生產(chǎn)過程當(dāng)中，還會采用增加進風(fēng)巷數(shù)目的方式，利用多中段同時進風(fēng)的方法來作出應(yīng)對，并且會將進風(fēng)巷道中的雜物做好處理，通過這樣的方式來實現(xiàn)對礦井通風(fēng)阻力的降低，繼而實現(xiàn)增大風(fēng)量和改善通風(fēng)效果的重要目的。

3.3 設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)墻

高山型礦井一般都位于多山區(qū)，而對于山區(qū)來說，其中經(jīng)常會存在著風(fēng)流紊亂的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的發(fā)生會直接的給礦山的通風(fēng)效果產(chǎn)生不利的影響。想要對這些不良的影響做好避免，需要將礦井進風(fēng)方向作為重點來關(guān)注，讓其與當(dāng)?shù)爻Ｄ曛鲗?dǎo)的風(fēng)流方向保持一致性，同時還需要在礦井外做好風(fēng)墻的調(diào)節(jié)，避免受到紊亂風(fēng)流的不利影響。

4 結(jié)語

綜上所述，自然風(fēng)壓是客觀存在的，經(jīng)常會給礦井的機械通風(fēng)產(chǎn)生影響，尤其是對于不同標(biāo)高和多出口的礦山來說，自然風(fēng)壓阻礙或者抑制通風(fēng)的現(xiàn)象是比較突出的。自然風(fēng)壓的大小大都是受到地面空氣溫度以及進、回風(fēng)井的相對位置和標(biāo)高差的影響，不同季節(jié)也會表現(xiàn)出不同的影響。在對礦山通風(fēng)系統(tǒng)進行設(shè)計的時候，一定需要充分的認(rèn)識到自然風(fēng)壓所形成的規(guī)律，然后與不同礦井的實際情況做好結(jié)合，遵循因地制宜的原則來制定出礦井機械通風(fēng)的設(shè)計方案來優(yōu)化礦山主通風(fēng)系統(tǒng)，通過這樣的方式來幫助礦山企業(yè)做好通風(fēng)安全狀況的有效改善，進一步的提高礦山的效益，避免因自然風(fēng)壓的存在而對礦井通風(fēng)造成負(fù)面的影響。