礦井自然風(fēng)壓的測算

礦井自然風(fēng)壓的測算

過去，有許多方法可以計(jì)算礦山的自然風(fēng)壓。由于操作復(fù)雜、耗時、維護(hù)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和推廣應(yīng)用，因此很難進(jìn)行。其中平均密度法是理論推導(dǎo)出來的,公式為Ηz=9.8Η(ρrj-ρhj)(1)式中Hz——自然風(fēng)壓,Pa;H——礦井開采深度,m;ρrj——入風(fēng)井的平均空氣密度,kg/m3;ρhj——回風(fēng)井的平均空氣密度,kg/m3。ρ=(3.458～3.473)ΡΤkg/m3P——測點(diǎn)的大氣壓力,kPa;T=t+273。應(yīng)用式(1)測算自然風(fēng)壓,其結(jié)果精度高,但操作起來也較麻煩。為簡化自然風(fēng)壓測算方法,并比照式(1)進(jìn)行一年的礦井測定,找出入、回風(fēng)井空氣平均溫度差與自然風(fēng)壓的關(guān)系,即Ηz=Η20(thj-trj)+Η0.76(2)式中thj——回風(fēng)井平均氣溫,℃;trj——入風(fēng)井平均氣溫,℃。此法即為平均溫度法。1壓入式礦井自然風(fēng)壓h0.76(2)式中,當(dāng)thj-trj=0時,Hz≠0,尚有H0.76存在,似乎不合理。但筆者研究方法著眼于實(shí)測,主要研究抽出式礦井(thj-trj)與自然風(fēng)壓的關(guān)系,未考慮氣壓的影響。實(shí)測工作是在礦井主通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下進(jìn)行的,入、回風(fēng)流同一標(biāo)高上的氣壓是不相等的,回風(fēng)流小于入風(fēng)流,導(dǎo)致入風(fēng)流空氣密度大于回風(fēng)流。將入、回風(fēng)流中平均空氣密度代入式(1)中算得的Hz,較用Η20(thj-trj)算得的Hz大H0.76,故應(yīng)在此式中加上H0.76,方能與式(1)等值;同理,壓入式通風(fēng)礦井,入風(fēng)流空氣密度亦大于回風(fēng)流,其自然風(fēng)壓Hz亦應(yīng)在式(2)中出現(xiàn)H0.76;對于自然通風(fēng)礦井,因無主通風(fēng)機(jī)作用,故取H0.76=0?？梢哉J(rèn)為,(2)式適用于抽出和壓入式礦井自然風(fēng)壓的測算,也適用于自然通風(fēng)礦井自然風(fēng)壓的測算,只不過取H0.76=0罷了。(2)式除了用于礦井自然風(fēng)壓測算外,還可以用來推導(dǎo)出判別式,用以判定因自然風(fēng)壓作用風(fēng)網(wǎng)中風(fēng)流方向的變化情況。2礦井某段巷道通風(fēng)存在嚴(yán)重問題一些高山地區(qū)的礦井,入風(fēng)與出風(fēng)井口標(biāo)高差很大,產(chǎn)生的自然風(fēng)壓也大,其作用導(dǎo)致礦井某段巷道風(fēng)流停滯甚至反向,給通風(fēng)管理工作帶來麻煩甚至釀成事故?？梢?找出判定自然風(fēng)壓作用的風(fēng)網(wǎng)中風(fēng)流方向變化的條件,預(yù)防事故發(fā)生是十分必要的。2.1平峒12見圖1。(1)冬季:地面氣溫低,產(chǎn)生利于主通風(fēng)機(jī)的Hz。考慮自然風(fēng)壓后,可將圖1改為圖2,實(shí)線箭頭表示正常風(fēng)流方向。當(dāng)Hz1?Hz2時,可能使入風(fēng)立井2～5風(fēng)流停滯或反向,如圖2中虛線箭頭所示。分析其條件如下:假設(shè)立井2～5風(fēng)流停滯,即Q25=0,根據(jù)風(fēng)壓平衡定律,在0-1-2-3-4-0網(wǎng)路上,有Ηsj+Η20(t34-t01)+Η0.76=R12Q212+R24Q212①式中H——礦井垂深,m;t34——回風(fēng)井3～4的平均氣溫,℃;t01——0～1空氣柱的平均氣溫,℃;R12——平峒1～2的風(fēng)阻,kg/m7;R24——平峒2～4的風(fēng)阻,kg/m7;Q12——平峒1～2的風(fēng)量,m/s。在0-5-2-3-4-0網(wǎng)路上,有Ηsj+Η20(t34-t25)+Η0.76=R24Q212②式中R24——2～4間風(fēng)阻,kg/m7。①-②得Η20(t25-t01)=R12Q212③③÷②整理后,得Η(t25-t01)20Ηsj+Η(t34-t25)+20Η0.76=R12R24(3)式(3)即為主井2～5風(fēng)流停滯的條件。當(dāng)Hz1-Hz2大于主通風(fēng)機(jī)分配到主井2～5段的風(fēng)壓時,立井風(fēng)流則反向;反過來說,當(dāng)t01?t25時,才能出現(xiàn)此現(xiàn)象,它使式(3)左端分子增大分母減小,其值增大,變?yōu)橄铝嘘P(guān)系Η(t25-t01)20Ηsj+Η(t34-t25)+20Η0.76＞R12R24(4)式(4)即為立井2～5風(fēng)流反向條件。同理Η(t25-t01)20Ηsj+Η(t34-t25)+20Η0.76＜R12R24(5)式(5)即為立井2～5正常風(fēng)向條件。(2)夏季:地面氣溫高于井下,產(chǎn)生與主通風(fēng)機(jī)作用方向相反的自然風(fēng)壓,導(dǎo)致平峒1～2風(fēng)流停滯或反向,如圖3中虛線箭頭所示。類似前面推導(dǎo)方法,可推得Η(t25-t01)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76=R25R24(6)R25為立井2～5的風(fēng)阻,其它符號同前。式(6)為進(jìn)風(fēng)立井風(fēng)流停滯的條件。當(dāng)Hz1?Hz2時,即t25?t01時,平峒1～2風(fēng)流反向。從式(6)左端可見,Hsj與H可視為常數(shù),一年四季t01變化最大,t25次之,t34變化最小。當(dāng)t01增大時,左端分子減小,分母則增大,其值變小,故得下列關(guān)系Η(t25-t01)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76＜R25R24(7)式(7)為平峒1～2風(fēng)流反向的條件。同理得Η(t25-t01)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76＞R25R24(8)式(8)為平峒1～2正常風(fēng)向的條件。2.2通風(fēng)與開采(1)立井353當(dāng)Hz1-Hz2過大時,其在立井2～5中的作用與主通風(fēng)機(jī)作用方向相反,可導(dǎo)致立井2～5內(nèi)風(fēng)流停滯或反向,如圖4中虛線箭頭所示。設(shè)Q25=0,根據(jù)風(fēng)壓平衡定律,在網(wǎng)路0-1-2-3-4-0中Ηsj+Η20(t34-t01)+Η0.76=R12Q212+R24Q212④在網(wǎng)路0-1-2-5-0中Ηsj+Η20(t25-t01)+Η0.76=R12Q212⑤④-⑤得Η20(t34-t25)=R24Q212⑥⑥÷⑤整理得Η(t34-t25)20Ηsj+Η(t25-t01)+20Η0.76=R24R12(9)式(9)為主井2～5風(fēng)流停滯的條件。當(dāng)Hz1-Hz2過大時,主井2～5風(fēng)流方能反向。此時t34-t25必增大,式(9)左端分子增大,同時t01必增大,使分母減小,產(chǎn)生式(9)左端大于右端,故得下列關(guān)系Η(t34-t25)20Ηsj+Η(t25-t01)+20Η0.76＞R24R12(10)式(10)即為立井2～5風(fēng)流反向條件。同理推得Η(t34-t25)20Ηsj+Η(t25-t01)+20Η0.76＜R24R12(11)式(11)即為立井2～5正常風(fēng)向條件。(2)段3.4段方向風(fēng)壓地面氣溫高于井下,產(chǎn)生自然風(fēng)壓作用方向與主通風(fēng)機(jī)相反,如圖5示。當(dāng)Hz1-Hz2過大時,可能使2～4段風(fēng)流停滯或反向,如圖5中虛線箭頭所示。同前述方法可推得Η(t34-t25)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76=R25R12(12)式(12)為主井2～4風(fēng)流停滯的條件。從式(12)左端可見,當(dāng)t35-t25越大,說明Hz1-Hz2亦越大,2～4段風(fēng)流反向可能性就愈大,故得Η(t34-t25)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76＞R25R12(13)式(13)即為2～4段風(fēng)流反向條件。同理得Η(t34-t25)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76＜R25R12(14)式(14)即為2～4段正向風(fēng)流條件。從上述可見,如果式(3)～式(14)中右端是已知的,只要測風(fēng)員在測風(fēng)的同時,順便測得t01、t25、t34代入相應(yīng)的判別式中,即可得知某段巷道風(fēng)流方向?qū)⒁绾巫兓?及早采取預(yù)防措施,防止事故發(fā)生。3風(fēng)網(wǎng)中兩個主通風(fēng)機(jī)的聯(lián)合作用對角道的浪漫方向的確定3.1通風(fēng)與開采(1)角道水流場計(jì)算淺部礦井產(chǎn)生的自然風(fēng)壓,在夏季其作用方向與主通風(fēng)相反,如圖6所示。假設(shè)對角道2～5風(fēng)流由2流向5,根據(jù)風(fēng)壓平衡定律有Ηsj1-Ηz2=h12+h25+h56Ηsj1-Ηz2＞h12+h56Ηsj2-Ηz1=h45-h25+h23⑦Ηsj2-Ηz1＜h45+h23⑧⑦÷⑧得Ηsj1-Ηz2Ηsj2-Ηz1＞h12+h56h23+h45(15)式中Hsj1、Hz1——1號井主通風(fēng)機(jī)靜壓、自然風(fēng)壓,Pa;Hsj2、Hz2——2號井主通風(fēng)機(jī)靜壓、自然風(fēng)壓,Pa;h12…h(huán)56——分別為兩點(diǎn)間通風(fēng)阻力,Pa。式(15)即為對角道風(fēng)流由2流向5的條件。同樣方法推得Ηsj1-Ηz2Ηsj2-Ηz1＜h12+h56h23+h45(16)式(16)即為對角道風(fēng)流由5流向2的條件?？芍j1-Ηz2Ηsj2-Ηz1=h12+h56h23+h45(17)式(17)即為對角道風(fēng)流停滯的條件。(2)對角道水流場的選擇同前述方法推得Ηsj1+Ηz2Ηsj2+Ηz1＞h12+h56h23+h45(18)式(18)即為對角道風(fēng)流由2流向5的條件。同理Ηsj1+Ηz2Ηsj2+Ηz1＜h12+h56h23+h45(19)式(19)即為對角道風(fēng)流由5流向2的條件。可知Ηsj1+Ηz2Ηsj2+Ηz1=h12+h56h23+h45(20)式(20)即為對角道風(fēng)流停滯的條件。3.2采礦法(1)對角道水流場的選擇同前述方法推得Ηsj2-Ηz1Ηsj1-Ηz2＞h12+h56h23+h45(21)式(21)即為對角道風(fēng)流由2流向5的條件。同理Ηsj2-Ηz1Ηsj1-Ηz2＜h12+h56h23+h45(22)式(22)即為對角道風(fēng)流由5流向2的條件?？芍j2-Ηz1Ηsj1-Ηz2=h12+h56h23+h45(23)式(23)即為對角道風(fēng)流停滯的條件。(2)西泰通路水流沿邊界層序淺井在冬季產(chǎn)生的自然風(fēng)壓和深井常年產(chǎn)生的自然風(fēng)壓,其作用方向與抽出式主通風(fēng)相相同,如圖9所示。同前述方法推得Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2＞h12+h56h23+h45(24)式(24)為對角道風(fēng)流由2流向5的條件。同理Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2＜h12+h56h23+h45(25)式(25)為對角道風(fēng)流由5流向2的條件。Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2=h12+h56h23+h45(26)式(26)為對角道風(fēng)流停滯的條件。筆者曾對如圖9所示(符號角標(biāo)1為西安礦,2為泰信礦)的西安與泰信兩煤礦進(jìn)行過測定,現(xiàn)將部分實(shí)測數(shù)據(jù)摘錄入表1中。然后,將附表中數(shù)據(jù)分別代入式(24)～式(26)中,用以判定西泰通路2～5的風(fēng)流方向。例1,將表1中1月份有關(guān)數(shù)代入式(24)中0.74697=1619+2942047+514=Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2＜h12+h56h23+h45=552+1404769+1684=0.79739計(jì)算結(jié)果,式右端大于左端,符合式(25)條件,說明圖9中西泰通路風(fēng)流由5流向2,即從泰信礦流向西安礦。這與當(dāng)時實(shí)測完全吻合。例2,將表1中7月份有關(guān)數(shù)據(jù)代下式中0.83913=1445+1461700+196=Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2＞h12+h56h23+h45=462+917715+1384=0.65698計(jì)算結(jié)果,式左端大于右端,符合式(24)條件,即西泰通路風(fēng)流由西安礦流向泰信礦,與實(shí)測也完全吻合。例3,將表1中3月份有關(guān)數(shù)據(jù)代入下式中0.75321=1490+2651915+415=Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2≈h12+h56h23+h45=545+1238666+1635=0.77480計(jì)算結(jié)果,式兩端近似相等,基本符合式(26)條件,當(dāng)時西泰通路2～5微風(fēng),一會兒流向西安礦,一會兒流向泰信礦。若將式(2)代入式(24)、(25)、(26)中,分別得到下列公式20Ηsj2+Η1(t23-t12)+20Η10.7620Ηsj1+Η2(t56-t45)+20Η20.76＞h12+h56h23+h45(27)式(27)為西泰通路2～5風(fēng)流由西安礦流向泰信礦的條件。20Ηsj2+Η1(t23-t12)+20Η10.7620Ηsj1+Η2(t56-t45)+20Η20.76＜h12+h56h23+h45(28)式(28)為西泰通路2～5風(fēng)流由泰信礦流向西安礦的條件。20Ηsj2+Η1(t23-t12)+20Η10.7620Ηsj1+Η2(t56-t45)+20Η20.76=h12+h56h23+h45(29)式(29)為西泰通路2～5風(fēng)流停滯條件。式中t12、t45——分別為西安礦、泰信礦入風(fēng)井平均氣溫,℃;t23、t56——分別為西安礦、泰信礦回風(fēng)井平均氣溫,℃;H1=564.5——西安煤礦開采深度,m;H2=819.6——泰信煤礦開采深度,m。將表1中有關(guān)數(shù)據(jù)和礦井深度H值分別代入式(27)～(29)中,計(jì)算結(jié)果(略),用以判定對角道的風(fēng)流方向,與式(24)～(26)判定結(jié)果完全相同。從上面例中可見,用式(24)、(25)、(26)與(27)、(28)、(29)判別對角道2～5風(fēng)流方向是等效的。但二者比較起來,后者省時省力,較容易推廣應(yīng)用。4a、hza、thj(1)從式(15)～(26)中可見,圖6～9中的對角道2～5風(fēng)流方向與主通風(fēng)機(jī)靜壓、自然風(fēng)壓和巷道阻力有關(guān),與2～5間阻力大小無關(guān)。若想改變其風(fēng)流方向,必須調(diào)整相應(yīng)的主通風(fēng)機(jī)靜壓或(和)巷道阻力,才能達(dá)到目的。否則,在2～5之間加阻力是無效的。在西泰通路上設(shè)風(fēng)門的實(shí)踐證明了這一點(diǎn)。(2)礦井通風(fēng)等積孔A用下式計(jì)算A=1.19Qhz?m2(30)式中Q——礦井總風(fēng)量,m3/s;hz——礦通風(fēng)總阻力,Pa。hz=Ηsj±Ηz(31)生產(chǎn)單位,往往用風(fēng)峒內(nèi)相對靜壓