深井自然风压及采空区漏风特征研究

马祖杰，闫 松，王 刚，王继胜，刘昆轮

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590； 2.山东省滕州监狱，山东 滕州 277516；3.山东省滕东生建煤矿，山东 滕州 277522； 4.神华新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830001)

深部开采矿井自然风压是影响矿井通风系统的稳定性和矿井的安全生产的重要因素，深井自然风压的变化容易引发矿井瓦斯涌出异常、局部瓦斯超限、采空区漏风自燃等问题，对矿井的灾害防治造成不利影响[1-5]。掌握矿井自然风压的变化规律及影响因素，根据矿井的实际情况，合理地利用和控制自然风压，降低自然风压对矿井通风系统的负面影响，减弱由于自然风压变化引起深部大面积采空区漏风现象，对于矿井的安全生产、灾害防治以及经济效益的提高具有重要意义[6-7]。

本文对深井自然风压变化规律进行了研究，针对滕东生建煤矿由于自然风压变化引起的采空区漏风现象进行分析，为滕东生建煤矿对自然风压的合理控制和利用，提高矿井通风系统运行的稳定性和经济性，减少矿井漏风，降低采空区煤炭自燃的危险性提供了理论基础和解决方向。

1 矿井概况

滕东生建煤矿位于滕州市南约5km，本区气候温和，四季分明，雨量充沛，光照充足，季风型大陆性气候明显。年均气温13.6℃，年均地温16.3℃。气压平均为100.7kPa。区内恒温带37.8m，地表平均温度15.57℃，本区属地温正常区，地温梯度为2.72℃/100m。当前底板温度达39.4～48℃。

滕东煤矿矿井采用箕斗井回风。开拓方式为单水平开拓，设主井、副井两个井筒，-865m水平北翼设轨道大巷、运输大巷、回风大巷三条大巷。矿井通风方式为中央并列式，副井进风，主井回风；通风方法为抽出式。主井地面安装有2台同等能力的轴流式通风机(一备一用)，通风机型号均为FBCDZ-8-№26，转速均为740r/min，配用电动机功率均为2×315kW，测定时运行1#通风机，运行频率40Hz，双级运行。矿井总进风量：6259.8m3/min；矿井总回风量：6437.0m3/min。通风负压799.4Pa。

2 自然风压变化规律研究

滕东生建煤矿的通风系统可简化为如图1所示。滕东生建煤矿的通风系统可看作简单的串联风路，副井进风，主井出风，通风方式为抽出式。空气由副井口1经副井1—2、井下巷道2—3至主井口4(通风机出风口)。

2.1 自然风压测定

滕东生建煤矿的通风系统可看作简单的串联风路，如图1所示。其自然风压由式(1)计算：

Hn=Z1ρig-(Zcρcg+Z0ρ0g) (1)

式中，Hn为自然风压，Pa；ρi、ρc、ρ0分别为副井空气、进回风井高差部分空气、回风井空气的平均密度密度，kg/m3；Z1、Zc、Z0分别为副井深度、进回风井高差、回风井深度，m；g为重力加速度，m/s2。

图1 滕东生建煤矿的通风系统简化图

此次课题组对滕东生建煤矿自然风压进行测定采用间接测定的方法，间接测定法是测出进、回风两井筒空气柱的平均密度，间接求算出自然风压大小。为了更加全面的反映自然风压在全年的变化，减小气象变化带来的误差，根据滕东生建煤矿的实际情况，课题组在每季度选取四天进行测定，时间均选在上午11：00到12：00之间。同时将具有代表性的当季度气象情况作为此次的主要研究对象，其他均作为参考，得到滕东生建煤矿全年不同季节自然风压变化图，如图2所示。

图2 滕东生建煤矿全年自然风压变化

从图2可以看出：滕东生建煤矿自然风压变化规律形如正弦曲线，冬季自然风压达到最大为478.875Pa，夏季自然风压达到最小值为-32.15Pa，自然风压波动范围为511Pa。在冬、春、秋三季自然风压作用方向为正，即自然风压方向与风机作用方向一致，有利于矿井通风，夏季为负，即自然风压方向与风机作用方向相反，对矿井通风造成阻碍[8]。

为了更直观地表示不同季节中不同时段自然风压的变化趋势，对所测数据进行处理，得到滕东生建煤矿不同季节不同时段自然风压变化趋势图如图3所示。

从图3可以得知，滕东生建煤矿自然风压在一天中是不停变化的，自然风压在春季一天中变化值为35Pa，夏季一天中变化值为48Pa，秋季一天中变化值为30Pa，冬季一天中变化值为35Pa。由此可以得出，在非特殊环境下，一天中自然风压变化的大小基本在40Pa，对主通风机运行状态影响不大。从四个季节来分析，全年自然风压值在一天当中基本保持中午处于较低水平，15时左右基本达到最低值，自然风压在凌晨到次日3时左右，处于最高水平。

2.2 温度、相对湿度对自然风压的影响

对于一个特定的矿井，自然风压的影响因素主要是温度、湿度和空气成分，矿内空气的成分影响空气的密度，而空气的密度与空气重率又有直接的关系。因此，矿内空气成分的变化对自然风压存在一定的影响，但在一般情况下影响较小，可以忽略。

本系统中，矿内空气的密度由式(2)计算：

式中，ρ为空气的密度，kg/m3；P为空气的绝对静压，kPa；Ps为饱和水蒸汽的绝对分压，kPa；φ为空气的相对湿度，%；T为空气的绝对温度，T=273+t，K。

由式(2)可知，温度和相对湿度对矿内空气密度影响最大，进而影响自然风压。

分别记录各季度进行数据测定时当日的温度与湿度变化，并对所得数据进行整理，得到各季度当天自然风压与温度、湿度的变化，以冬季为例，如图4所示。

图4 一天中自然风压与温度、相对湿度变化图(以冬季为例)

根据图4显示的自然风压与温度、相对湿度的变化规律可知，温度和湿度都对自然风压的大小产生影响[9-12]。温度与自然风压成反比，温度增大时自然风压减小，温度较小时自然风压增大。而相对湿度与自然风压接近同步变化，相对湿度增大，自然风压也会增大，相对湿度减小，自然风压也会减小。温度和湿度的改变都会影响密度的大小，进而造成自然风压的大小发生变化，式(2)表眀了密度与温度、相对湿度的关系，且温度的变化对密度大小影响更大。结合以上自然风压变化规律可以得知，对于一个特定矿井来说，影响其自然风压变化的最主要因素是温度和湿度，由温度和湿度变化引起的空气密度改变是导致自然风压变化的最主要原因[13，14]。

3 自然风压对大面积采空区漏风的影响

3.1 密闭内外压差与漏风强度的关系

根据伯努利方程及采空区内风流的阻力定律可知，漏风压差可以用来表征漏风强度的大小[15，16]。对于同一密闭来说，由于密闭内采空区的实际情况复杂难以掌握各项参数，且同一点密闭内外标高相同，因此，可近似将密闭内外压能差当作漏风压差反应采空区密闭内外的漏风趋势，即可通过密闭外U型管读数确定此密闭处的进漏风方向。滕东生建煤矿的各密闭测点布置如图5所示。

3.2 自然风压变化与采空区漏风分析

根据所测自然风压的原始数据以及各季度一天中测点密闭内外U型管读数所表示的压能差，作出自然风压与各测点密闭内外压能差变化规律图，如图6所示(以冬季为例)。

根据图6分析自然风压与密闭测点内外压能差的关系，自然风压从凌晨到晚上先减小后增大，除测点7外，各测点密闭内外压能差均在自然风压减小时增大，且大致都在下午自然风压最低时达到最大值。说明自然风压大小会影响采空区内外漏风，当自然风压减小时，若采空区密闭处压能差为正，则密闭内外压能差变大，漏风趋势明显，出风量增加，若采空区密闭处压能差为负，则密闭处压能差变小甚至变为正值，密闭处漏风趋势由进风减弱，还可能变为出风。当自然风压增大时，若采空区密闭处压能差为正，则密闭处压能差变小甚至变为负值，密闭处漏风趋势由出风减弱，还可能变为进风。若采空区密闭处压能差为负，则密闭处压能差变大，漏风趋势明显，进风量增加。

测点7密闭内外压能差保持为负值，且随着自然风压的减小，先增大后减小，可能是由于3下109采空区旁的3下111工作面运输巷侧存在漏风通道，且自然风压减小时漏风较多，导致3下109采空区前部及测点7处风流向后运动，因此测点7密闭内外压差在自然风压变化时先增大后减小。

图5 采空区沿途密闭内外压能测定点

图6 一天中自然风压与各密闭测点内外压能差变化图(冬季)

在抽出式矿井中通风机静压与自然风压联合作用共同克服矿井通风阻力：

Hs+Hn=hr

根据滕东生建煤矿通风阻力测试报告，一采区通风系统通风阻力为799.4Pa，对于一个特定的矿井来说，矿井正常通风的过程中，矿井通风阻力一般为一个定值，矿井需风量在一定范围内波动，不会出现太大的变化。对于滕东生建煤矿而言，冬季时自然风压达到全年最大值，约为478Pa，自然风压为正值，帮助通风机通风，井下接近一半以上的风量都由自然风压提供，夏季时自然风压达到全年最低值，约为-32Pa，自然风压为负值，削弱通风机通风。井下所需风量需全由通风机提供，通风机功率增大，使采空区密闭或裂隙处漏风量增加。而自然风压大小主要由温度和湿度影响，一天当中温度是不断变化的，一般来说，在凌晨时温度最低，中午时温度最高，因此，自然风压也会有规律的变化。

4 结 论

1)滕东生建煤矿自然风压变化规律全年形如正弦曲线，冬季自然风压达到最大值为478.875Pa，夏季自然风压达到最小值为-32.15Pa，自然风压波动范围为511Pa。自然风压作用方向冬、春、秋三季为正，即自然风压方向与风机作用方向一致，有利于矿井通风，夏季为负，即自然风压方向与风机作用方向相反，对矿井通风造成阻碍。

2)自然风压的大小对采空区漏风存在影响，滕东生建煤矿在自然风压较大时，采空区各密闭或裂隙处漏风量较小，甚至进风，当自然风压随温度的增大而减小时，采空区各密闭或裂隙处漏风量增加。因此，在一年中，滕东生建煤矿在夏季井下采空区各密闭或裂隙处出风最多，在一天中，滕东生建煤矿在下午3时左右温度最大时，井下采空区各密闭或裂隙处出风量最多。

3)自然风压的大小与多种因素有关，但对于一个特定矿井来说，影响其自然风压变化的最主要因素是温度和湿度，且温度的变化对密度大小影响更大，由温度和湿度变化引起的空气密度改变是导致自然风压变化的最主要原因。

4)在研究过程中，由于是对特定矿井进行研究，选取的研究对象较少，导致所得结论不能完全适用于各地区的不同类型矿井，这也是下一步的研究要点。