矿井自然风压的测算

矿井自然风压的测算

过去，有许多方法可以计算矿山的自然风压。由于操作复杂、耗时、维护测量数据的准确性和推广应用，因此很难进行。其中平均密度法是理论推导出来的,公式为Ηz=9.8Η(ρrj-ρhj)(1)式中Hz——自然风压,Pa;H——矿井开采深度,m;ρrj——入风井的平均空气密度,kg/m3;ρhj——回风井的平均空气密度,kg/m3。ρ=(3.458∼3.473)ΡΤkg/m3P——测点的大气压力,kPa;T=t+273。应用式(1)测算自然风压,其结果精度高,但操作起来也较麻烦。为简化自然风压测算方法,并比照式(1)进行一年的矿井测定,找出入、回风井空气平均温度差与自然风压的关系,即Ηz=Η20(thj-trj)+Η0.76(2)式中thj——回风井平均气温,℃;trj——入风井平均气温,℃。此法即为平均温度法。1压入式矿井自然风压h0.76(2)式中,当thj-trj=0时,Hz≠0,尚有H0.76存在,似乎不合理。但笔者研究方法着眼于实测,主要研究抽出式矿井(thj-trj)与自然风压的关系,未考虑气压的影响。实测工作是在矿井主通风机运转条件下进行的,入、回风流同一标高上的气压是不相等的,回风流小于入风流,导致入风流空气密度大于回风流。将入、回风流中平均空气密度代入式(1)中算得的Hz,较用Η20(thj-trj)算得的Hz大H0.76,故应在此式中加上H0.76,方能与式(1)等值;同理,压入式通风矿井,入风流空气密度亦大于回风流,其自然风压Hz亦应在式(2)中出现H0.76;对于自然通风矿井,因无主通风机作用,故取H0.76=0。可以认为,(2)式适用于抽出和压入式矿井自然风压的测算,也适用于自然通风矿井自然风压的测算,只不过取H0.76=0罢了。(2)式除了用于矿井自然风压测算外,还可以用来推导出判别式,用以判定因自然风压作用风网中风流方向的变化情况。2矿井某段巷道通风存在严重问题一些高山地区的矿井,入风与出风井口标高差很大,产生的自然风压也大,其作用导致矿井某段巷道风流停滞甚至反向,给通风管理工作带来麻烦甚至酿成事故。可见,找出判定自然风压作用的风网中风流方向变化的条件,预防事故发生是十分必要的。2.1平峒12见图1。(1)冬季:地面气温低,产生利于主通风机的Hz。考虑自然风压后,可将图1改为图2,实线箭头表示正常风流方向。当Hz1≫Hz2时,可能使入风立井2～5风流停滞或反向,如图2中虚线箭头所示。分析其条件如下:假设立井2～5风流停滞,即Q25=0,根据风压平衡定律,在0-1-2-3-4-0网路上,有Ηsj+Η20(t34-t01)+Η0.76=R12Q212+R24Q212①式中H——矿井垂深,m;t34——回风井3～4的平均气温,℃;t01——0～1空气柱的平均气温,℃;R12——平峒1～2的风阻,kg/m7;R24——平峒2～4的风阻,kg/m7;Q12——平峒1～2的风量,m/s。在0-5-2-3-4-0网路上,有Ηsj+Η20(t34-t25)+Η0.76=R24Q212②式中R24——2～4间风阻,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)即为主井2～5风流停滞的条件。当Hz1-Hz2大于主通风机分配到主井2～5段的风压时,立井风流则反向;反过来说,当t01≪t25时,才能出现此现象,它使式(3)左端分子增大分母减小,其值增大,变为下列关系Η(t25-t01)20Ηsj+Η(t34-t25)+20Η0.76＞R12R24(4)式(4)即为立井2～5风流反向条件。同理Η(t25-t01)20Ηsj+Η(t34-t25)+20Η0.76＜R12R24(5)式(5)即为立井2～5正常风向条件。(2)夏季:地面气温高于井下,产生与主通风机作用方向相反的自然风压,导致平峒1～2风流停滞或反向,如图3中虚线箭头所示。类似前面推导方法,可推得Η(t25-t01)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76=R25R24(6)R25为立井2～5的风阻,其它符号同前。式(6)为进风立井风流停滞的条件。当Hz1≫Hz2时,即t25≪t01时,平峒1～2风流反向。从式(6)左端可见,Hsj与H可视为常数,一年四季t01变化最大,t25次之,t34变化最小。当t01增大时,左端分子减小,分母则增大,其值变小,故得下列关系Η(t25-t01)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76＜R25R24(7)式(7)为平峒1～2风流反向的条件。同理得Η(t25-t01)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76＞R25R24(8)式(8)为平峒1～2正常风向的条件。2.2通风与开采(1)立井353当Hz1-Hz2过大时,其在立井2～5中的作用与主通风机作用方向相反,可导致立井2～5内风流停滞或反向,如图4中虚线箭头所示。设Q25=0,根据风压平衡定律,在网路0-1-2-3-4-0中Ηsj+Η20(t34-t01)+Η0.76=R12Q212+R24Q212④在网路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)为主井2～5风流停滞的条件。当Hz1-Hz2过大时,主井2～5风流方能反向。此时t34-t25必增大,式(9)左端分子增大,同时t01必增大,使分母减小,产生式(9)左端大于右端,故得下列关系Η(t34-t25)20Ηsj+Η(t25-t01)+20Η0.76＞R24R12(10)式(10)即为立井2～5风流反向条件。同理推得Η(t34-t25)20Ηsj+Η(t25-t01)+20Η0.76＜R24R12(11)式(11)即为立井2～5正常风向条件。(2)段3.4段方向风压地面气温高于井下,产生自然风压作用方向与主通风机相反,如图5示。当Hz1-Hz2过大时,可能使2～4段风流停滞或反向,如图5中虚线箭头所示。同前述方法可推得Η(t34-t25)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76=R25R12(12)式(12)为主井2～4风流停滞的条件。从式(12)左端可见,当t35-t25越大,说明Hz1-Hz2亦越大,2～4段风流反向可能性就愈大,故得Η(t34-t25)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76＞R25R12(13)式(13)即为2～4段风流反向条件。同理得Η(t34-t25)20Ηsj-Η(t34-t01)-20Η0.76＜R25R12(14)式(14)即为2～4段正向风流条件。从上述可见,如果式(3)～式(14)中右端是已知的,只要测风员在测风的同时,顺便测得t01、t25、t34代入相应的判别式中,即可得知某段巷道风流方向将要如何变化,及早采取预防措施,防止事故发生。3风网中两个主通风机的联合作用对角道的浪漫方向的确定3.1通风与开采(1)角道水流场计算浅部矿井产生的自然风压,在夏季其作用方向与主通风相反,如图6所示。假设对角道2～5风流由2流向5,根据风压平衡定律有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号井主通风机静压、自然风压,Pa;Hsj2、Hz2——2号井主通风机静压、自然风压,Pa;h12…h56——分别为两点间通风阻力,Pa。式(15)即为对角道风流由2流向5的条件。同样方法推得Ηsj1-Ηz2Ηsj2-Ηz1＜h12+h56h23+h45(16)式(16)即为对角道风流由5流向2的条件。可知Ηsj1-Ηz2Ηsj2-Ηz1=h12+h56h23+h45(17)式(17)即为对角道风流停滞的条件。(2)对角道水流场的选择同前述方法推得Ηsj1+Ηz2Ηsj2+Ηz1＞h12+h56h23+h45(18)式(18)即为对角道风流由2流向5的条件。同理Ηsj1+Ηz2Ηsj2+Ηz1＜h12+h56h23+h45(19)式(19)即为对角道风流由5流向2的条件。可知Ηsj1+Ηz2Ηsj2+Ηz1=h12+h56h23+h45(20)式(20)即为对角道风流停滞的条件。3.2采矿法(1)对角道水流场的选择同前述方法推得Ηsj2-Ηz1Ηsj1-Ηz2＞h12+h56h23+h45(21)式(21)即为对角道风流由2流向5的条件。同理Ηsj2-Ηz1Ηsj1-Ηz2＜h12+h56h23+h45(22)式(22)即为对角道风流由5流向2的条件。可知Ηsj2-Ηz1Ηsj1-Ηz2=h12+h56h23+h45(23)式(23)即为对角道风流停滞的条件。(2)西泰通路水流沿边界层序浅井在冬季产生的自然风压和深井常年产生的自然风压,其作用方向与抽出式主通风相相同,如图9所示。同前述方法推得Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2＞h12+h56h23+h45(24)式(24)为对角道风流由2流向5的条件。同理Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2＜h12+h56h23+h45(25)式(25)为对角道风流由5流向2的条件。Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2=h12+h56h23+h45(26)式(26)为对角道风流停滞的条件。笔者曾对如图9所示(符号角标1为西安矿,2为泰信矿)的西安与泰信两煤矿进行过测定,现将部分实测数据摘录入表1中。然后,将附表中数据分别代入式(24)～式(26)中,用以判定西泰通路2～5的风流方向。例1,将表1中1月份有关数代入式(24)中0.74697=1619+2942047+514=Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2＜h12+h56h23+h45=552+1404769+1684=0.79739计算结果,式右端大于左端,符合式(25)条件,说明图9中西泰通路风流由5流向2,即从泰信矿流向西安矿。这与当时实测完全吻合。例2,将表1中7月份有关数据代下式中0.83913=1445+1461700+196=Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2＞h12+h56h23+h45=462+917715+1384=0.65698计算结果,式左端大于右端,符合式(24)条件,即西泰通路风流由西安矿流向泰信矿,与实测也完全吻合。例3,将表1中3月份有关数据代入下式中0.75321=1490+2651915+415=Ηsj2+Ηz1Ηsj1+Ηz2≈h12+h56h23+h45=545+1238666+1635=0.77480计算结果,式两端近似相等,基本符合式(26)条件,当时西泰通路2～5微风,一会儿流向西安矿,一会儿流向泰信矿。若将式(2)代入式(24)、(25)、(26)中,分别得到下列公式20Ηsj2+Η1(t23-t12)+20Η10.7620Ηsj1+Η2(t56-t45)+20Η20.76＞h12+h56h23+h45(27)式(27)为西泰通路2～5风流由西安矿流向泰信矿的条件。20Ηsj2+Η1(t23-t12)+20Η10.7620Ηsj1+Η2(t56-t45)+20Η20.76＜h12+h56h23+h45(28)式(28)为西泰通路2～5风流由泰信矿流向西安矿的条件。20Ηsj2+Η1(t23-t12)+20Η10.7620Ηsj1+Η2(t56-t45)+20Η20.76=h12+h56h23+h45(29)式(29)为西泰通路2～5风流停滞条件。式中t12、t45——分别为西安矿、泰信矿入风井平均气温,℃;t23、t56——分别为西安矿、泰信矿回风井平均气温,℃;H1=564.5——西安煤矿开采深度,m;H2=819.6——泰信煤矿开采深度,m。将表1中有关数据和矿井深度H值分别代入式(27)～(29)中,计算结果(略),用以判定对角道的风流方向,与式(24)～(26)判定结果完全相同。从上面例中可见,用式(24)、(25)、(26)与(27)、(28)、(29)判别对角道2～5风流方向是等效的。但二者比较起来,后者省时省力,较容易推广应用。4a、hza、thj(1)从式(15)～(26)中可见,图6～9中的对角道2～5风流方向与主通风机静压、自然风压和巷道阻力有关,与2～5间阻力大小无关。若想改变其风流方向,必须调整相应的主通风机静压或(和)巷道阻力,才能达到目的。否则,在2～5之间加阻力是无效的。在西泰通路上设风门的实践证明了这一点。(2)矿井通风等积孔A用下式计算A=1.19Qhz‚m2(30)式中Q——矿井总风量,m3/s;hz——矿通风总阻力,Pa。hz=Ηsj±Ηz(31)生产单位,往往用风峒内相对静压