馬祖杰，閆 松，王 剛，王繼勝，劉昆輪

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.山東省滕州監(jiān)獄，山東 滕州 277516；3.山東省滕東生建煤礦，山東 滕州 277522； 4.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830001)

深部開(kāi)采礦井自然風(fēng)壓是影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和礦井的安全生產(chǎn)的重要因素，深井自然風(fēng)壓的變化容易引發(fā)礦井瓦斯涌出異常、局部瓦斯超限、采空區(qū)漏風(fēng)自燃等問(wèn)題，對(duì)礦井的災(zāi)害防治造成不利影響[1-5]。掌握礦井自然風(fēng)壓的變化規(guī)律及影響因素，根據(jù)礦井的實(shí)際情況，合理地利用和控制自然風(fēng)壓，降低自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)面影響，減弱由于自然風(fēng)壓變化引起深部大面積采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象，對(duì)于礦井的安全生產(chǎn)、災(zāi)害防治以及經(jīng)濟(jì)效益的提高具有重要意義[6-7]。

本文對(duì)深井自然風(fēng)壓變化規(guī)律進(jìn)行了研究，針對(duì)滕東生建煤礦由于自然風(fēng)壓變化引起的采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象進(jìn)行分析，為滕東生建煤礦對(duì)自然風(fēng)壓的合理控制和利用，提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，減少礦井漏風(fēng)，降低采空區(qū)煤炭自燃的危險(xiǎn)性提供了理論基礎(chǔ)和解決方向。

1 礦井概況

滕東生建煤礦位于滕州市南約5km，本區(qū)氣候溫和，四季分明，雨量充沛，光照充足，季風(fēng)型大陸性氣候明顯。年均氣溫13.6℃，年均地溫16.3℃。氣壓平均為100.7kPa。區(qū)內(nèi)恒溫帶37.8m，地表平均溫度15.57℃，本區(qū)屬地溫正常區(qū)，地溫梯度為2.72℃/100m。當(dāng)前底板溫度達(dá)39.4～48℃。

滕東煤礦礦井采用箕斗井回風(fēng)。開(kāi)拓方式為單水平開(kāi)拓，設(shè)主井、副井兩個(gè)井筒，-865m水平北翼設(shè)軌道大巷、運(yùn)輸大巷、回風(fēng)大巷三條大巷。礦井通風(fēng)方式為中央并列式，副井進(jìn)風(fēng)，主井回風(fēng)；通風(fēng)方法為抽出式。主井地面安裝有2臺(tái)同等能力的軸流式通風(fēng)機(jī)(一備一用)，通風(fēng)機(jī)型號(hào)均為FBCDZ-8-№26，轉(zhuǎn)速均為740r/min，配用電動(dòng)機(jī)功率均為2×315kW，測(cè)定時(shí)運(yùn)行1#通風(fēng)機(jī)，運(yùn)行頻率40Hz，雙級(jí)運(yùn)行。礦井總進(jìn)風(fēng)量：6259.8m3/min；礦井總回風(fēng)量：6437.0m3/min。通風(fēng)負(fù)壓799.4Pa。

2 自然風(fēng)壓變化規(guī)律研究

滕東生建煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為如圖1所示。滕東生建煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)可看作簡(jiǎn)單的串聯(lián)風(fēng)路，副井進(jìn)風(fēng)，主井出風(fēng)，通風(fēng)方式為抽出式?？諝庥筛本?經(jīng)副井1—2、井下巷道2—3至主井口4(通風(fēng)機(jī)出風(fēng)口)。

2.1 自然風(fēng)壓測(cè)定

滕東生建煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)可看作簡(jiǎn)單的串聯(lián)風(fēng)路，如圖1所示。其自然風(fēng)壓由式(1)計(jì)算：

Hn=Z1ρig-(Zcρcg+Z0ρ0g) (1)

式中，Hn為自然風(fēng)壓，Pa；ρi、ρc、ρ0分別為副井空氣、進(jìn)回風(fēng)井高差部分空氣、回風(fēng)井空氣的平均密度密度，kg/m3；Z1、Zc、Z0分別為副井深度、進(jìn)回風(fēng)井高差、回風(fēng)井深度，m；g為重力加速度，m/s2。

圖1 滕東生建煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

此次課題組對(duì)滕東生建煤礦自然風(fēng)壓進(jìn)行測(cè)定采用間接測(cè)定的方法，間接測(cè)定法是測(cè)出進(jìn)、回風(fēng)兩井筒空氣柱的平均密度，間接求算出自然風(fēng)壓大小。為了更加全面的反映自然風(fēng)壓在全年的變化，減小氣象變化帶來(lái)的誤差，根據(jù)滕東生建煤礦的實(shí)際情況，課題組在每季度選取四天進(jìn)行測(cè)定，時(shí)間均選在上午11：00到12：00之間。同時(shí)將具有代表性的當(dāng)季度氣象情況作為此次的主要研究對(duì)象，其他均作為參考，得到滕東生建煤礦全年不同季節(jié)自然風(fēng)壓變化圖，如圖2所示。

圖2 滕東生建煤礦全年自然風(fēng)壓變化

從圖2可以看出：滕東生建煤礦自然風(fēng)壓變化規(guī)律形如正弦曲線，冬季自然風(fēng)壓達(dá)到最大為478.875Pa，夏季自然風(fēng)壓達(dá)到最小值為-32.15Pa，自然風(fēng)壓波動(dòng)范圍為511Pa。在冬、春、秋三季自然風(fēng)壓作用方向?yàn)檎?，即自然風(fēng)壓方向與風(fēng)機(jī)作用方向一致，有利于礦井通風(fēng)，夏季為負(fù)，即自然風(fēng)壓方向與風(fēng)機(jī)作用方向相反，對(duì)礦井通風(fēng)造成阻礙[8]。

為了更直觀地表示不同季節(jié)中不同時(shí)段自然風(fēng)壓的變化趨勢(shì)，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到滕東生建煤礦不同季節(jié)不同時(shí)段自然風(fēng)壓變化趨勢(shì)圖如圖3所示。

從圖3可以得知，滕東生建煤礦自然風(fēng)壓在一天中是不停變化的，自然風(fēng)壓在春季一天中變化值為35Pa，夏季一天中變化值為48Pa，秋季一天中變化值為30Pa，冬季一天中變化值為35Pa。由此可以得出，在非特殊環(huán)境下，一天中自然風(fēng)壓變化的大小基本在40Pa，對(duì)主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響不大。從四個(gè)季節(jié)來(lái)分析，全年自然風(fēng)壓值在一天當(dāng)中基本保持中午處于較低水平，15時(shí)左右基本達(dá)到最低值，自然風(fēng)壓在凌晨到次日3時(shí)左右，處于最高水平。

2.2 溫度、相對(duì)濕度對(duì)自然風(fēng)壓的影響

對(duì)于一個(gè)特定的礦井，自然風(fēng)壓的影響因素主要是溫度、濕度和空氣成分，礦內(nèi)空氣的成分影響空氣的密度，而空氣的密度與空氣重率又有直接的關(guān)系。因此，礦內(nèi)空氣成分的變化對(duì)自然風(fēng)壓存在一定的影響，但在一般情況下影響較小，可以忽略。

本系統(tǒng)中，礦內(nèi)空氣的密度由式(2)計(jì)算：

式中，ρ為空氣的密度，kg/m3；P為空氣的絕對(duì)靜壓，kPa；Ps為飽和水蒸汽的絕對(duì)分壓，kPa；φ為空氣的相對(duì)濕度，%；T為空氣的絕對(duì)溫度，T=273+t，K。

由式(2)可知，溫度和相對(duì)濕度對(duì)礦內(nèi)空氣密度影響最大，進(jìn)而影響自然風(fēng)壓。

分別記錄各季度進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)定時(shí)當(dāng)日的溫度與濕度變化，并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到各季度當(dāng)天自然風(fēng)壓與溫度、濕度的變化，以冬季為例，如圖4所示。

圖4 一天中自然風(fēng)壓與溫度、相對(duì)濕度變化圖(以冬季為例)

根據(jù)圖4顯示的自然風(fēng)壓與溫度、相對(duì)濕度的變化規(guī)律可知，溫度和濕度都對(duì)自然風(fēng)壓的大小產(chǎn)生影響[9-12]。溫度與自然風(fēng)壓成反比，溫度增大時(shí)自然風(fēng)壓減小，溫度較小時(shí)自然風(fēng)壓增大。而相對(duì)濕度與自然風(fēng)壓接近同步變化，相對(duì)濕度增大，自然風(fēng)壓也會(huì)增大，相對(duì)濕度減小，自然風(fēng)壓也會(huì)減小。溫度和濕度的改變都會(huì)影響密度的大小，進(jìn)而造成自然風(fēng)壓的大小發(fā)生變化，式(2)表眀了密度與溫度、相對(duì)濕度的關(guān)系，且溫度的變化對(duì)密度大小影響更大。結(jié)合以上自然風(fēng)壓變化規(guī)律可以得知，對(duì)于一個(gè)特定礦井來(lái)說(shuō)，影響其自然風(fēng)壓變化的最主要因素是溫度和濕度，由溫度和濕度變化引起的空氣密度改變是導(dǎo)致自然風(fēng)壓變化的最主要原因[13，14]。

3 自然風(fēng)壓對(duì)大面積采空區(qū)漏風(fēng)的影響

3.1 密閉內(nèi)外壓差與漏風(fēng)強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)伯努利方程及采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流的阻力定律可知，漏風(fēng)壓差可以用來(lái)表征漏風(fēng)強(qiáng)度的大小[15，16]。對(duì)于同一密閉來(lái)說(shuō)，由于密閉內(nèi)采空區(qū)的實(shí)際情況復(fù)雜難以掌握各項(xiàng)參數(shù)，且同一點(diǎn)密閉內(nèi)外標(biāo)高相同，因此，可近似將密閉內(nèi)外壓能差當(dāng)作漏風(fēng)壓差反應(yīng)采空區(qū)密閉內(nèi)外的漏風(fēng)趨勢(shì)，即可通過(guò)密閉外U型管讀數(shù)確定此密閉處的進(jìn)漏風(fēng)方向。滕東生建煤礦的各密閉測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

3.2 自然風(fēng)壓變化與采空區(qū)漏風(fēng)分析

根據(jù)所測(cè)自然風(fēng)壓的原始數(shù)據(jù)以及各季度一天中測(cè)點(diǎn)密閉內(nèi)外U型管讀數(shù)所表示的壓能差，作出自然風(fēng)壓與各測(cè)點(diǎn)密閉內(nèi)外壓能差變化規(guī)律圖，如圖6所示(以冬季為例)。

根據(jù)圖6分析自然風(fēng)壓與密閉測(cè)點(diǎn)內(nèi)外壓能差的關(guān)系，自然風(fēng)壓從凌晨到晚上先減小后增大，除測(cè)點(diǎn)7外，各測(cè)點(diǎn)密閉內(nèi)外壓能差均在自然風(fēng)壓減小時(shí)增大，且大致都在下午自然風(fēng)壓最低時(shí)達(dá)到最大值。說(shuō)明自然風(fēng)壓大小會(huì)影響采空區(qū)內(nèi)外漏風(fēng)，當(dāng)自然風(fēng)壓減小時(shí)，若采空區(qū)密閉處壓能差為正，則密閉內(nèi)外壓能差變大，漏風(fēng)趨勢(shì)明顯，出風(fēng)量增加，若采空區(qū)密閉處壓能差為負(fù)，則密閉處壓能差變小甚至變?yōu)檎?，密閉處漏風(fēng)趨勢(shì)由進(jìn)風(fēng)減弱，還可能變?yōu)槌鲲L(fēng)。當(dāng)自然風(fēng)壓增大時(shí)，若采空區(qū)密閉處壓能差為正，則密閉處壓能差變小甚至變?yōu)樨?fù)值，密閉處漏風(fēng)趨勢(shì)由出風(fēng)減弱，還可能變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)。若采空區(qū)密閉處壓能差為負(fù)，則密閉處壓能差變大，漏風(fēng)趨勢(shì)明顯，進(jìn)風(fēng)量增加。

測(cè)點(diǎn)7密閉內(nèi)外壓能差保持為負(fù)值，且隨著自然風(fēng)壓的減小，先增大后減小，可能是由于3下109采空區(qū)旁的3下111工作面運(yùn)輸巷側(cè)存在漏風(fēng)通道，且自然風(fēng)壓減小時(shí)漏風(fēng)較多，導(dǎo)致3下109采空區(qū)前部及測(cè)點(diǎn)7處風(fēng)流向后運(yùn)動(dòng)，因此測(cè)點(diǎn)7密閉內(nèi)外壓差在自然風(fēng)壓變化時(shí)先增大后減小。

圖5 采空區(qū)沿途密閉內(nèi)外壓能測(cè)定點(diǎn)

圖6 一天中自然風(fēng)壓與各密閉測(cè)點(diǎn)內(nèi)外壓能差變化圖(冬季)

在抽出式礦井中通風(fēng)機(jī)靜壓與自然風(fēng)壓聯(lián)合作用共同克服礦井通風(fēng)阻力：

Hs+Hn=hr

根據(jù)滕東生建煤礦通風(fēng)阻力測(cè)試報(bào)告，一采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力為799.4Pa，對(duì)于一個(gè)特定的礦井來(lái)說(shuō)，礦井正常通風(fēng)的過(guò)程中，礦井通風(fēng)阻力一般為一個(gè)定值，礦井需風(fēng)量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)太大的變化。對(duì)于滕東生建煤礦而言，冬季時(shí)自然風(fēng)壓達(dá)到全年最大值，約為478Pa，自然風(fēng)壓為正值，幫助通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，井下接近一半以上的風(fēng)量都由自然風(fēng)壓提供，夏季時(shí)自然風(fēng)壓達(dá)到全年最低值，約為-32Pa，自然風(fēng)壓為負(fù)值，削弱通風(fēng)機(jī)通風(fēng)。井下所需風(fēng)量需全由通風(fēng)機(jī)提供，通風(fēng)機(jī)功率增大，使采空區(qū)密閉或裂隙處漏風(fēng)量增加。而自然風(fēng)壓大小主要由溫度和濕度影響，一天當(dāng)中溫度是不斷變化的，一般來(lái)說(shuō)，在凌晨時(shí)溫度最低，中午時(shí)溫度最高，因此，自然風(fēng)壓也會(huì)有規(guī)律的變化。

4 結(jié) 論

1)滕東生建煤礦自然風(fēng)壓變化規(guī)律全年形如正弦曲線，冬季自然風(fēng)壓達(dá)到最大值為478.875Pa，夏季自然風(fēng)壓達(dá)到最小值為-32.15Pa，自然風(fēng)壓波動(dòng)范圍為511Pa。自然風(fēng)壓作用方向冬、春、秋三季為正，即自然風(fēng)壓方向與風(fēng)機(jī)作用方向一致，有利于礦井通風(fēng)，夏季為負(fù)，即自然風(fēng)壓方向與風(fēng)機(jī)作用方向相反，對(duì)礦井通風(fēng)造成阻礙。

2)自然風(fēng)壓的大小對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)存在影響，滕東生建煤礦在自然風(fēng)壓較大時(shí)，采空區(qū)各密閉或裂隙處漏風(fēng)量較小，甚至進(jìn)風(fēng)，當(dāng)自然風(fēng)壓隨溫度的增大而減小時(shí)，采空區(qū)各密閉或裂隙處漏風(fēng)量增加。因此，在一年中，滕東生建煤礦在夏季井下采空區(qū)各密閉或裂隙處出風(fēng)最多，在一天中，滕東生建煤礦在下午3時(shí)左右溫度最大時(shí)，井下采空區(qū)各密閉或裂隙處出風(fēng)量最多。

3)自然風(fēng)壓的大小與多種因素有關(guān)，但對(duì)于一個(gè)特定礦井來(lái)說(shuō)，影響其自然風(fēng)壓變化的最主要因素是溫度和濕度，且溫度的變化對(duì)密度大小影響更大，由溫度和濕度變化引起的空氣密度改變是導(dǎo)致自然風(fēng)壓變化的最主要原因。

4)在研究過(guò)程中，由于是對(duì)特定礦井進(jìn)行研究，選取的研究對(duì)象較少，導(dǎo)致所得結(jié)論不能完全適用于各地區(qū)的不同類型礦井，這也是下一步的研究要點(diǎn)。