自然風壓影響下的礦井通風系統優化工程實踐

李亞俊 夏美瓊 李印洪 姚銀佩

摘要：自然風壓作為一種客觀存在的自然現象，其受氣候、季節溫度等影響較大，難以控制，是影響礦山通風系統不可控的因素之一。為克服自然風壓對通風系統的影響，此次通過對自然風壓的形成機理及影響因素進行分析，推演出計算自然風壓的方法。研究以此為基礎，以某受自然風壓影響的平硐開拓礦山為實例對象，通過檢測、分析、計算自然風壓對該礦山的影響，并給出相關優化技術措施，解決了該礦山受自然風壓影響，各主平硐季節性風向變化的問題。

關鍵詞：礦井;自然風壓;通風;平硐開拓;風向

引 言

良好的礦井通風條件是保證礦山安全生產的重要條件，礦井通風按通風方式分為自然通風和機械通風，自然通風是依靠自然風壓為動力在礦井下形成風流的通風過程[1]。自然通風受氣候、季節溫度等影響較大，難以控制，時利時弊，因此，GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規程》要求礦山必須采用機械通風系統。然而，自然風壓作為一種客觀存在的自然現象，對礦井通風系統也有重要影響[2-3]，其中平硐開拓礦山由于各平硐間高差較大，各平硐口溫差較大，其受自然風壓影響最為明顯，平硐開拓礦山常有通風困難季節（夏季）平硐口出風等違反安全規程的現象出現。

而對于自然風壓對礦山通風影響尚未有通用的解決方法，需根據礦山實際情況因地制宜，采取相對應的技術措施，克服自然風壓對礦井通風系統的影響[4-5]。本文以某平硐開拓礦山為實例，通過理論分析及實際技術措施相結合的方式，解決了礦井受自然風壓影響的問題，保障礦山通風安全。

1 自然風壓形成機理及影響因素

1.1 形成機理

礦井內氣體與大氣是連通的統一整體，當大氣溫度發生變化時，大氣密度也隨之發生變化;同時當礦山通風系統與大氣連通的各地表井口高度不同時，溫度、氣壓也各不相同，各井口實際所受到的空氣柱的壓力也不相同，井口之間存在壓力差，井下各通路間溫度、濕度也各有差異，井下空氣密度也不盡相同。因此，與地表連通的通路間由于空氣密度的差異，致使通風系統中進風端和回風端兩側的空氣柱密度不相同，從而形成空氣柱的重力壓差，也就是自然風壓。所以自然風壓會隨著季節的轉換不斷地發生周期變化[6]。

1.2 影響因素

礦井的自然風壓主要與自然能量差有關[7-8]，而其產生原因可分為3種：①礦山表面自然狀況不同;②礦山井下自然條件的差異;③礦山生產活動產生的熱效應。這3種方式對自然風壓的影響可以歸結為以下3個方面：

1）溫差。

溫差直接影響礦井兩側回路空氣柱的勢能，是影響礦井自然風壓的最主要因素。影響礦井通風進、回路兩端溫差的因素主要有：①進、回風口空氣溫度;②礦井風流與巖體之間的熱交換。而溫差的影響程度又隨地理地形、開拓方式、開采條件及深度的變化而改變。

山區開拓較淺的礦山受地表溫度影響明顯，地表溫度變化時刻影響著自然風壓的方向及大小，通常四季甚至一天中白晝和黑夜自然風壓均會出現較大變化。

豎井開拓的礦山，由于豎井內氣流與巖體恒溫層之間的熱交換，豎井內的氣溫隨氣候變化相對較小，主要受地表進風端空氣溫度影響，因此這類礦山在冬季、夏季自然風壓會有明顯變化。

2）濕度及空氣組成成分。

礦井中的空氣成分及濕度影響空氣密度，而空氣密度對空氣柱的重力壓差造成影響，雖然空氣成分影響較小，但實際影響仍然存在，也是影響自然風壓因素之一。

3）礦井開拓布局及深度。

受地溫梯度影響，礦井越深其井下空氣溫度也相對較高，若礦井通風進、回風口兩端溫差固定，則自然風壓與礦井進、回風口端的高度差成正比例關系。同樣，若通風系統中存在并聯的2條斜井，當某一條斜井中溫度較高，阻力較大時，則這2條并聯斜井間也會產生自然風壓。當某條回路間自然風壓等于或超過機械風壓，則這條回路的風流將停滯或反向。

2 自然風壓計算

2.1 計算模型

根據上述自然風壓形成機理的研究，自然風壓形成是由于礦井進、回風口端空氣密度不同，致使兩端空氣柱形成重力壓差，最終產生自然風壓，其計算模型如圖1所示。

在圖1計算模型中，節點0至節點1表示大氣產生的虛擬空氣柱;節點1至節點2表示進風通路，此處為豎井;節點2至節點3表示井下用風段;節點3至節點4表示回風斜井;節點4至節點5表示回風豎井（通地表）。在無機械通風的條件下，夏季時外部大氣氣溫相對較高，節點0至節點2密度較小，產生的空氣柱壓力也較節點5至節點3產生的空氣柱壓力小，夏季風流由節點5流入，從節點1流出礦井。冬季則相反，外部大氣氣溫低，礦井內空氣溫度較高，節點0至節點2產生的空氣柱壓力較節點5至節點3產生的空氣柱壓力大，風流從節點1流入，從節點5流出，風向恰好與夏季相反。

2.2 計算方法

根據上述自然風壓形成機理及相關理論歸納，自然風壓受地表氣溫、進風井和回風井高差及位置影響。根據自然風壓計算模型，自然風壓是由節點0至節點2與節點5至節點3的空氣柱形成的壓強差[9]。因此，自然風壓計算如式（1）所示。

p=∫20ρ1gdh-∫53ρ2gdh（1）

式中：p為自然風壓（Pa）;g為重力加速度，9.8 m/s2。

空氣柱密度的影響因素眾多，其與礦井總深度（h）關系屬于負的非線性關系，根據式（1）計算自然風壓在操作上較為困難，實際中一般采用巷道平均密度代替計算，即節點0至節點2空氣柱平均密度為ρm1，節點5至節點3空氣柱平均密度為ρm2。則有：

p=hg（ρm1-ρm2）（2）

由此可知，自然風壓計算最關鍵的是計算空氣柱各狀態下的平均密度，空氣柱平均密度一般按式（3）計算。

ρ=0.003 484pj273+t1-0.378φpspj（3）250460BF-818D-4010-ABDD-39EB0C58E054

式中：ρ為空氣柱平均密度（kg/m3）;pj為空氣絕對靜壓力（Pa）;φ為空氣相對濕度（%）;ps為濕空氣中飽和水蒸氣絕對分壓（Pa）;t為空氣溫度（℃）。

根據式（3）計算空氣平均密度，結合式（2）即可計算出礦井自然風壓。

3 自然風壓影響下通風系統優化

3.1 通風系統簡況

因平硐開拓礦山受自然風壓影響最為明顯，故本次以四川省某平硐開拓礦山為實例，對該礦山受自然風壓影響狀況及解決方法進行研究。

該礦山采用平硐+盲斜坡道開拓，現開采高度為1 884～2 064 m，每60 m劃分為一個中段，共有4個中段，目前2 004 m中段及1 944 m中段為其主要作業中段，各中段均有平硐與地表相連接。該礦山井下以礦體中線為界線劃分東、西2個區，東部礦體采用膠結充填采礦法開采，西部礦體采用分段崩落采礦法開采。該礦山礦井通風系統采用各主平硐進風，東、西兩翼地表抽出式通風的布局方式，通風系統如圖2所示。

3.2 系統存在問題

根據現場調查及查閱相關資料，原設計東、西兩翼地表抽出式通風系統未考慮自然風壓的影響，風機能力不足以克服困難時期通風阻力，同時由于通風主系統不完善（西部風井與1 944 m中段未貫通，東部風井與1 884 m中段未貫通），致使系統風流紊亂，2 004 m、1 884 m主平硐風流不穩，風向隨季節性周期變化，現場調查各主平硐冬、夏季風量及風向結果如表1所示。

表1中夏季測定時間為6月初，冬季測定時間為11月底，根據檢測數據，該礦山夏季自然風壓反作用，阻礙礦井通風，其中，1 884 m主平硐和2 004 m主平硐均出現反風現象，不符合GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規程》要求。冬季自然風壓幫助礦井通風，礦山各主平硐風向均為進風。造成礦山季節性風向變化的主要原因是通風系統設計之初，未考慮自然風壓影響，夏季困難時期礦山主扇能力無法克服自然風壓影響。

3.3 通風系統優化技術措施

受自然風壓影響，該礦山風向、風量不穩，解決技術措施如下：

1）應考慮礦井夏季通風困難時期自然風壓的逆向影響，原礦山主扇風機能力不足（型號均為K40-6-No18），主扇負壓不足以克服礦井通風阻力（考慮自然風壓影響），計算自然風壓值并更換能力滿足要求的主扇。

2）增加相應的通風系統工程，延伸西部風井至1 944 m中段與之貫通，延伸東部風井至1 884 m中段，使東、西部各中段通風系統形成回路，使主扇負壓能作用于各作業中段，以克服自然風壓影響。

3）增加風門、風窗等風量調控構筑物。西部2 064 m中段與西風井貫穿處，東部2 004 m中段與東風井貫穿處，應砌筑風墻;主扇負壓下延，防止風流短路;在各中段回風端構筑調節風窗，對風量加以控制。

3.4 優化改造效果

根據通風系統優化技術措施，優化后各主平硐冬、夏季風量及風向結果如表2所示。

由表2可知，經過技術改造優化后，該礦山通風系統冬、夏季風向一致，各主平硐均為進風，且系統進風量有明顯提升，有效解決了自然風壓造成的礦井通風困難問題。

4 結 語

自然風壓對礦山通風系統的影響是普遍存在的，其中平硐開拓的礦山影響較為明顯，影響自然風壓大小的因素主要為礦山周邊自然條件、空氣溫度、溫差等，此次研究分析了自然風壓作用機理及計算方法，以受自然風壓影響較大的某平硐開拓礦山為實例，對該礦山通風系統進行檢測、分析、計算并優化。該礦山通風系統優化后，解決了礦山受自然風壓影響造成的主平硐季節性風向變化問題。

[參 考 文 獻]

[1] 文虎，王寶元，劉文永，等.自然風壓對礦井通風系統的影響分析及防治[J].煤炭技術，2018，37（3）：137-139.

[2] 李亞俊，李印洪，姚銀佩，等.基于巷道風流分布規律的風量計算[J].有色金屬（礦山部分），2021，73（2）：124-127.

[3] 李亞俊，李印洪，吳潔葵，等.巷道斷面風流分布規律試驗研究[J].有色金屬（礦山部分），2019，71（5）：102-104，110.

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[5] 劉興旭.深水平多風井礦井通風系統優化研究[D].泰安：山東科技大學，2018.

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[7] 尹里剛，周煥明.自然風壓在井下通風系統的應用與研究[J].工業安全與環保，2017，43（11）：35-37，65.

[8] 李亞俊，吳潔葵，李印洪，等.基于最小生成樹原理的礦井通風網絡監測布局優化[J].礦業研究與開發，2021，41（10）：172-175.

[9] 王海寧，汪光鑫，劉紅芳，等.礦井自然風壓適時計算與應用[J].礦業研究與開發，2014，34（2）：77-79，95.

Mine ventilation system optimization engineering practices under

the influence of natural air pressure

Li Yajun1，2，Xia Meiqiong3，Li Yinhong1，2，Yao Yinpei1，2

（1.Hunan Nonferrous Metals Labour Protection Academy Co.，Ltd.;

2.Hunan Key Laboratory of Ventilation and Dust Control for Non-coal Mines; 3.Hunan Research Academy of Environmental Sciences）

Abstract：As an objective natural phenomenon greatly affected by climate，seasonal temperature and so on，natural air pressure is difficult to control and is one of the uncontrollable factors that affect the mine ventilation system.To overcome the effect of natural air pressure on the ventilation system，the method of calculating natural air pressure is deduced by analyzing the principles and influencing factors of natural air pressure formation.Based on this study，a case study of a mine with adit development influenced by natural air pressure is used to calculate the impact of natural air pressure on the mine by example detection analysis，and related optimized technical measures are made，in order to solve the problem that the mine is affected by natural air pressure and seasonal wind direction change in each main adit.

Keywords：shaft;natural air pressure;ventilation;adit excavation;wind direction250460BF-818D-4010-ABDD-39EB0C58E054