94金属矿山自然风压作用规律研究及应用郑彪华.docx
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94金属矿山自然风压作用规律研究及应用郑彪华
第二章自然风压理论认知
2.1自然风压基本理论
自然风压是矿井中客观存在的一种自然现象，其作用有时对矿井通风有利，有时却相反。
我国一些山区平峒开拓的矿井，冬季自然通风的作用有的基本可以代替主扇工作。
这表明，自然风压在矿井通风中是一种不可忽视的重要动力。
但是，现在人们一般认为，风流流动所发生的热交换等因素使矿井进出风侧（或进出风井筒，下同）产生温度差而导致其平均空气密度不等，使两侧空气柱底部压力不等，其压差就是自然风压。
因此提出了：
有高差的回路是产生自然风压的必要条件；有高差井巷的空气平均密度不等是产生自然风压的充分条件。
这种以自然风压的伴随现象或计算手段来解释自然风压的问题，在分析自然风压时对风流状态的影响方面有时存在着难以克服的困难。
实际上，自然风压是井上下多种自然因素所造成的促使空气沿井巷流动的一种能量差，这种能量差存在于包括平巷在内的所有井巷中。
根据矿井和地下工程的实际情况，由地面地下自然因素和生产活动的热力效应所产生的自然能量差可概括为三种形式：
自然热位差、水平热压差（或称水平气压差）、大气自然风。
1.自然热位差
如图2.1所示，由地面气温、井下热力因素、含湿量、气体成分等变化所引起的进回风井筒内空气平均密度不等，密度大的井筒的空气柱压力大于密度小的井筒空气柱压力。
这两井筒中的空气柱压差称做自然热位差。
图2.1自然热位差示意图
在主扇通风停止后，因自然热位差的作用，在图2.1所示情况下，冬季风流从进风井筒进入，经井底平巷由出风井筒流出；夏季炎热时，其风流方向则相反。
在有机械通风的矿井，冬季自然风压与主扇风压方向相同，帮助扇风机克服通风阻力；夏天则可能相反，起削弱机械通风压力作用。
在垂直坐标向上为正的情况下，图2.1所示通风回路的热位差可用下式表示。
（2-1）
（2-1）
以前一些通风书上就把该种形式的热位差叫做自然风压。
这在自然风压的概念上是不全面的[8]。
2.水平热压差
在地表，由于多种因素造成空气温度、湿度、成分等的差异，同一标高水平上的大气压力也有差别。
这种同一标高水平上的气压差，气象上称为气压梯度，由气压梯度所产生的旁压力称为气压梯度力。
水平气压梯度力可表示为：
（2-2）
N∕kg（2-2）
即水平气压梯度力的方向是由高指向低，其大小与P/n（ΔP）成正比，和空气密度成反比。
在水平气压梯度力的作用下，形成大气风。
气压梯度力越大，风速也越大。
在矿井水平井巷中也能因温度等自然因素变化导致风流密度上的差异，从而造成同一标高水平上的压力不同。
井巷中同一水平上主要因温差而形成的压力差称为水平热压差。
这种水平热压差也能促使空气沿井巷流动，形成自然风。
一般情况下这种自然风速很小，往往不被人所注意，但在某些条件下，仍能明显的显现出来。
图2.2水平自然风示意图
如图2.2所示一个地温较高或正在掘进的平峒，由于峒内空气与峒壁热交换的结果，在冬天造成平峒底部空气密度较峒外小，顶部则较峒外大，促使峒外空气从平峒底部流入，从顶部流出的自然风流。
成渝高速公路中梁山隧道单孔长度3I00m左右，进出口高差仅40m，1993年6月双向掘进在中间贯通后，仅有500m³/min左右的自然风从西向东流过隧道，如果没有隧道内外温度效应而导致空气密度变化所造成的水平热压差，仅靠40m高差是形不成隧道自然风的。
因为高峒口的大气压力加上两峒口间的位压差应与低峒口大气压相等。
所以，以上现象的产生都缘于水平热压差。
3.大气自然风压
地面吹向平峒口的大气风，其动压可转变成静压，形成矿井自然风，影响矿井通风量的大小。
该动压的计算方法为：
（2-3）
Pa（2-3）
式中：
δ一系数。
由风向、山坡表面形状倾斜度、洞门形状和尺寸等决定；
ρ一大气自然风流密度，Kg/m³；
Va-一大气风速，m/s。
大气自然风对抽出式通风矿井的进风平峒和压入式通风矿井出风平峒的风量影响较显著。
综上所述，以上三种形式的能量差都应属于自然风压的范畴。
所以，自然风压是由井内外自然因素所造成促进所有井巷风流流动的能量，而单位体积风流所具有的这种能量称做自然风压。
自然风压的实质[7]：
矿井是地面空间的延伸，与地面形成大气风的道理一样，只要在一定的自然因素条件下，形成了足以克服井巷阻力的压力差，就会产生自然风。
在矿井中，井筒之间或井筒与地面之间同一标高上的水平热压差沿垂直方向累加的结果形成了自然热位差。
由于自然热位差强度较大，易被人注意到；而水平热压差在一些特定条件下也是较明显的，如前述独头掘进巷道和中梁山隧道的自然风流就是其例。
另外，如图2.3所示的通风火灾试验平巷中进行火灾试验时，随着燃烧平巷4断面上燃烧温度的升高，使回风侧7，8点断面温度也相应增高，风流密度降低；和燃烧段并联平巷中的2点段面与7,8点断面之间的水平热压差也相应增大，而导致2点断面风量增加。
多次试验证明，2点断面风量的增加与4点断面及其回风侧的温度同步，即4点断面及其回风侧温度升高，2点断面风速亦增加，温度越高，风速增加越大。
同时，在燃烧段进风巷中3点风速小于1m/s的条件下，4点断面燃烧时，空气受热上升，使其断面上部产生空气积聚和膨胀作用，导致该断面上部与风流上、下风侧断面上部之间均产生了热压差，促使4点断面上部风流倒向，即所谓”逆流现象”。
逆流层长度最长达25.7m，厚约1.5m，为巷道高度的1/2，逆流速度为0.15m/s。
无疑在顺风流方向也有一个相同的热压差与机械风压叠加在一起，促使风流顺向流动。
这些现象完全可以说明，热压差在一定条件下的平巷中也是存在的，只是平巷中形不成热位差，需要更强的热力效应才能形成明显的水平热压差；而热力效应在垂直井巷中可以通过积蓄而变成热位差，所以只要较小的热力效应就可显现出较大的热位差。
有文献认为[7]：
”即使只有一个出口的正在掘进的井筒或平峒也可以形成自然风。
冬天当井筒周壁不淋水就可出现井筒中心部下风和周围上风的现象；夏天，就可能出现相反的方向。
大爆破产生大量温度稍高的有毒有害气体以后，特别是当井下发生火灾产生大量温度较高的火烟气体时，就会出现局部自然风压（所谓”火风压”），进而扰乱原来通风系统的风流状况。
”可能有人认为火风压不能与自然风压混为一谈，其实火灾时只是产生了更强烈的热力效应，使风流超出了不可压缩气体的范畴。
但在压差关系方面，火风压与自然风压对风流状态的影响是一样的。
另外的文献也认为：
自然风压包括热风压对山区和深部矿井以及发生火灾时期矿井的通风状态均有很大的影响。
图2.3火灾试验平巷图
综上所述，自然风压是井上下热力效应等自然因素在矿井中形成的热压差，它存在于包括平巷在内的所有井巷中。
大气自然风是地面水平热压差的结果作用于矿井通风的一种自然作用力，是间断性的；自然热位差是井筒间和井筒与地面间水平热压差累加而形成的，是持续性的。
所以，水平热压差是其余两种形式自然压差产生的基础，而自然热位差和大气自然风是水平热压差在不同具体条件下的不同表现形式而已。
2.2自然风压的基本计算方法
当自然风压对矿井开采的影响达到一定程度时，矿井通风计算就必须考虑自然风压的影响。
《煤炭工业矿井设计规范（GB50215-94）》第101.7条规定，进、出风井井口的标高差在150m以上，或进、出风井井口的标高相同但井深400m以上时，宜计算矿井的自然风压。
矿井自然风压计算中，遇到的情况往往比较复杂。
计算自然风压时，既要尽可能反映实际情况，又要便于计算，并以满足矿井主扇风机的选型为最终目标。
现今计算矿井自然风压的方法主要有流体静力学方法和热力学方法两类[6]。
2.2.1自然风压热力学计算方法
（1）当井深在100m以内时，按等容过程计算
H=z（ρ1一ρ2）g
式中：
H一自然风压，Pa
ρ1一进风井空气柱的平均密度，Kg/m3；
ρ2一回风井空气柱的平均密度，Kg/m3；
z一井筒深度，m。
（2）井深超过1OOm时，按等温过程计算。
（2-5）
（2-5）
式中：
K一校正系数，K=l+z/10000；
Po一当地井口大气压，Pa；
T1一进风井空气柱平均绝对温度，K；
T2一回风井空气柱平均绝对温度，K。
2.2.2自然风压流体力学计算方法
图2.4自然风压位置示意图
流体静力学方法的实质是计算两空气柱的重量差。
如图2.4所示矿井，进风井口以上假想一段空气柱1-2,1点与5点标高相同，大气压皆为P0。
（2-6）
（2-7）
（2-8）
（2-9）
（2-10）
式中：
t进一入风井空气平均温度；
t回一回风井空气平均温度；
t0一地表温度；
t1一入风井井底温度；
t2一回风井井底温度；
t3一回风井井口温度；
z1一入风井高度；
z2一回风井高度；
z0一回风井与入风井的高度差。
此式中自然风压的值只与进风井的深度、井底温度，回风井的深度、井底温度，地表大气压和地表温度有关。
生产矿井各处的气温，可从实测获得。
新设计矿井时，进风井口气温可取该标高处地表的月平均气温；进风井底的气温应参考附近矿山的实际资料。
回风井口的温度可按每上升100米气温下降0.4~0.5度计算，回风井底的气温可按该深度处岩体温度减去1~2℃，一定深度的岩石温度可用下式进行计算。
（2-11）
式中：
tZ—Z米深度处岩石温度，℃：
T0—恒温带的岩石温度，可近似取当地年平均气温，℃；
Z0—恒温带深度，一般据地面20m~30m，m；
Gt—地热增生率，℃/ms
为了方便计算，作者用VisualBasic语言编制了一个简便的计算程序，并以现有的一个
矿山数据为例，证明计算公式的正确性。
2.3自然风压的影响因素
图2.5为一个简化的矿井通风系统，2-3为水平巷道，0-5为通过系统最高点的水平线。
如果把地表大气视为断面无限大，风阻为零的假想风路，则通风系统可视为一个闭合的回路。
在冬季，由于空气柱0-1-2比5-4-3的平均温度较低，平均空气密度较大，导致两空气柱作用在2-3水平面上的重力不等。
其重力之差就是该系统的自然风压[1]。
图2.5简化矿井通风系统
由上述例子可见，在一个有高差的闭合回路中，只要两侧有高差巷道中空气的温度或密度不等，则该回路就会产生白然风压。
根据自然风压定义，图2.5所示系统的自然风压HN可用下式计算：
（2-12）
式中：
Z一矿井最高点至最低水平间的距离，m；
g一重力加速度，m/s2；
ρ1一为0-1-2井巷中空气平均密度，kg/m3；
ρ2—为5-4-3井巷中空气平均密度，kg/m3。
由式2-4可见，影响自然风压的决定性因素是两侧空气柱的密度差，而影响空气密度又由温度T、大气压力P、气体常数R和相对湿度Φ等因素影响。
因此自然风压的影响因素可用下式表示：
（2-13）
现归纳为以下几点：
1表气温的变化。
由于矿区地形，开拓方式和矿井深度的不同以及是否采用主扇通风，地表气温变化对自然风压的影响也会有所不同。
对于山区平铜开拓的矿井，或者伸部露天转地下的矿井，或者井筒开拓的浅矿井，自然风压受地表气温变化的影响较大。
在侵蚀基准面以下竖井开拓的深矿井，由于地温随深度而增加，地面空气进入矿井后与岩体发生热交换，地表温度的影响就比较小了，从而自然风压大小一年内虽有变化，但其方向一般不太可能变化，特别是在有主扇通风的情况下。
矿井某一回路中两侧空气柱的温差是影响Hn的主要因素。
影响气温差的主要因素是地面入风气温和风流与围岩的热交换。
其影响程度随矿井的开拓方式、采深、地形和地理位置的不同而有所不同。
大陆性气候的山区浅井，自然风压大小和方向受地面气温影响较为明显；一年四季，甚至昼夜之间都有明显变化。
由于风流与围岩的热交换作用使机械通风的回风井中一年四季中气温变化不大，而地面进风井中气温则随季节变化，两者综合作用的结果，导致一年中自然风压发生周期性的变化。
图2.6曲线所示为某机械通风浅井自然风压变化规律示意图。
对于深井，其自然风压受围岩热交换影响比浅井显著，一处四季的变化较小，有的可能不会出现负的自然风压，如下图曲线所示。
图2.6自然风压变化规律示意图
注：
上图中上方曲线表示深井自然风压变化，下方曲线表示浅井自然风压变化。
②矿井深度。
可以近似地认为，自然风压的大小与矿井深度成正比，据国外报导，深达一千余米的矿井”自然通风能”约占总通风能的30%；有一个1000米深的矿井，主扇运转是风量为90米³/秒，而主扇停止运转时自然通风量达到20-65米³/秒。
③地面大气压。
虽然从计算自然风压的算式可见，Hn与大气压成正比；但是，地面大气压变化不大，从而它的影响也很小。
④矿内空气成分和湿度。
因为各种气体的气体常数是不同的，按道尔顿定律，可以算出含有不同气体成分的空气的气体常数由此可以算出它对空气重率的影响，但在一般情况下，这种影响很小，在计算Hn时不予考虑。
空气湿度的影响也一般不予考虑，但是，在深矿井，从回风井排出空气时，空气过饱和，空气中则含有液态水份，排走这些水就必然要消耗附加的能量，如果矿井没有主扇，这份能量消耗就有赖于空气做的功（自然通风能）。
⑤扇风机工作的影响。
因为矿井主要通风机工作决定了主风流的方向，加之风流与围岩的热交换，使冬季回风井气温高于进风井，在进风井周围形成了冷却带以后，即使风机停转或通风系统改变，这两个井筒之间在一定时期内仍有一定的气温差，从而仍有一定的自然风压起作用。
有时甚至会干扰通风系统改变后的正常通风工作，这在建井时期表现尤其明显。
如淮南潘一矿及浙江长广一号井在建井期间改变通风系统时都曾遇到这个问题。
主扇工作对矿井自然风压的方向有时影响很大。
这是因为主扇工作的结果，人为地强制形成了一定的风流方向，由于岩体热量传给空气（比如冬天），回风井内气温增高，这种关系既经形成，即使主扇停止运转，自然风流仍能保持原来的方向。
2.4自然风压对矿井通风的影响
矿井自然风压的影响因素是进风与回风两侧空气柱的高度和平均密度，而空气柱的平均密度主要决定于温度。
因此，由于矿井进风侧空气柱的平均密度随着地表四季气温的变化而变化，而出风侧空气柱的平均密度常年基本不变，致使矿井的自然风压在一年内会发生季节性变化[3]。
在春、冬季节，矿井的自然风压为正值，和机械风压的作用方向相同，帮助主扇通风；在夏、秋季节，矿井的自然风压为负值，和机械风压的作用方向相反，阻碍主扇通风；在春夏之交和夏秋之交，矿井的自然风压等于零或很小。
因此，在计算矿井各个不同时期的自然风压时，应根据季节的不同而有所侧重。
即在计·算容易时期的自然风压时，按冬天的情况考虑：
在计算困难时期的自然风压时，按夏天的情况考虑。
这样，也就是考虑了矿井的最容易和最困难两个时期的通风状况。
根据这样的计算结果选出的矿井主要扇风机，才能满足矿井的实际需要。
自然风压对矿井通风的影响主要可以归结为以下三个方面：
（1）影响矿井通风系统风流稳定性
在多水平阶梯平峒矿井中，由于存在多个进风平峒，均与回风井之间存在一定的标高差，冬季或夏季，若主扇分配到某局部网孔小的机械风压不足以克服该网孔自然风压时，就可能使该网孔的某些分支风流停滞或反向，在一些特殊情况下可能酿成事故。
（2）影响矿井按需分风网的风量分配
（3）影响火灾时期主扇反风的风流调度
当进风网发生火灾时，为使火灾不向采区漫延，有效的方法是进行主扇反风；当自然风压帮助主扇反风时，有利于灾变处理；当自然风压反抗主扇反风时，可能导致反风失败。
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