利用可控自然风压矿井通风系统可行性探讨
摘要:文章通过对自然风压产生机理的分析,提出调节控制自然风压的方法,利用自然风压通风,可以节省大量的电能和设备,这一节能的新方法将是今后矿井通风发展的方向。
关键词:可控；自然风压；通风系统；节能
自然风压是一种非机械能量的附加压力，由于目前各矿井普遍使用机械通风，人们往往忽略了自然风压对矿井通风系统的影响，在地处平原地区开采较浅的矿井，自然风压及其产生的风量均较小，可以忽略不计。但地处山区、平原地区的高温深井以及东北西北地区的煤矿在冬季开采时，自然风压产生的风量往往要占矿井机械风量的30%~40%,甚至有的矿井自然风压产生的风量超过矿井机械风机的风量。
自然风压受矿井进回风井的高差、空气温差、湿度及大气压力等诸多因素的影响，在这些因素发生变化时，造成其产生的风量也发生变化，甚至发生矿井或局部区域风流逆转现象。由于自然风压及其产生的风量、风流方向的这种不确定性，为防止事故发生，《煤矿安全规程》第121条规定:“矿井必须采用机械通风……”，《煤矿安全规程》同时还对主要通风机及其附属设施的安装、使用、检查、维修、管理等都作了较为详细的规定，由此可见机械通风在矿井安全生产中的作用。
矿井在利用机械通风期间，自然风压依然存在，它的表现形式有时是帮助主要通风机工作，增加矿井的风量。有时则表现为抵消机械通风的能量，使矿井风量降低。机械通风和自然通风相比有着天然的优越性，机械通风在矿井安全管理上最大的优点是稳定可靠，因为我们通常认为机械通风是可以人为控制的，而自然通风好像不易控制。除此这外，我们还可以发现，机械通风比自然通风也有致命的缺点，比如机械通风存在设备投资大、系统复杂、电耗高、噪音大、操作复杂、管理难度大等问题，尤其是电耗，一个使用机械通风的矿井，其主要通风机的电耗往往要占到矿井总电耗的30%以上，而利用自然通风则可以节省大量的能量，无噪音，不需要大量的附属设施。既然自然风压通风有那么多的优点，而以前我们所强调的自然通风的主要缺点是不可靠、不容易控制，那么我们现在要考虑的问题是，能否人为控制矿井的自然风压，利用可控自然风压通风为矿井服务。
1自然风压的形成
自然风压是指在自然状态下，由于矿井进回井之间温度、气压等因素的差异，使得进回风井筒空气重量变化而形成的一种压力，其计算公式为：
Ｈ自=Ｚ(γ进-γ回)=Ｚγ进（Ｔ回-Ｔ进）/Ｔ回
式中：Ｈ自为矿井自然风压，Pa；Ｚ为井筒深度，m；γ进为进风井筒的空气平均重率，Ｎ/m3；γ回为回风井筒的空气平均重率，Ｎ/m3；Ｔ进为进风井筒的空气平均温度，Ｋ；Ｔ回为回风井筒的空气平均温度，Ｋ。
由上述公式可以看出，自然风压的大小与矿井的深度、进回风井的空气平均温度有关。于是，如何控制进回风井井筒之间的温差，便成了控制自然风压的关键。
2自然风压的控制
2.1自然风压控制的可行性分析
井筒中空气柱的重量差异是形成矿井自然风压的根本原因，而空气温度的差异又是造成空气重量差异的关键。影响矿井进回风井温差的因素较多，一般来讲，影响进回风井温度的因素有：大气温度、湿度、矿井地热情况、矿井开采深度、开采强度、开采范围的大小、机械化程度的高低等。但在同一季节的某段时间内，矿井开采没有很大变化的前提下，进回井之间的温差变化一般不会很大，可以认为基本稳定，由此产生的风量变化也不会太大。但在换季期间，矿井进回风井之间的温差变化可能较大，由此产生的风量变化也会较大。
一个生产矿井,进回风井的高度应为一个固定数，要使自然风压产生的风量保持相对的稳定，根据自然风压公式，只要使进回风井的温差保持相对稳定即可。为此，我们取△Ｔ为我们需要控制的进回井筒的温差，（其实△Ｔ是一个温度比率，无量纲），则由此产生的自然风压为：
Ｈ自=Ｚγ进△Ｔ
其中：△Ｔ=（Ｔ回-Ｔ进）/Ｔ回
根据通风阻力定律：Ｈ=ＲＱ2= Ｚγ进△Ｔ
式中：Ｈ为矿井总风压，Pa；R为矿井总风阻，Ｎ·s2/m8；Ｑ为矿井总风量，m3/s。
在此公式中，因△T是我们人为控制的数值，Z是一个定值，矿井风阻R在一段时间内不变，也可以看作是一个常量，那么由此自然风压产生的风量Q也就成为一个固定值。
相反，一个矿井根据其生产需要的风量可以很容易地得出自然风压所需控制的△T。
在一个生产矿井, 地面大气直接进入进风井，进风井筒和进入的地面大气经
过长期接触，进行了充分的热交换，井筒不再对进入井筒的风流散热，因而进风井筒的风流温度和地面大气温度相近，受地面气候影响较大；而从井下各采区及其它用风地点流入回风井筒的风流也与井巷进行了长期的热交换，只是和回风井进行热交换的风流经过采区时温度不同程度地升高，大气与回风井筒进行热交换时将回风井筒变成一个恒温圈。这样，在进回风井就形成了一个初始的温差△T′，这个温差可能是一个正数，也可能是一个负数或零，这个△T′和需要控制的△T存在着一定的差距，要弥补这个温度上的差距，通过对其中一条井筒降温或升温在理论上是可以实现的。
2.2可控自然风压的实施
调节控制矿井的△T值，有许多不同的方法。比如对进风井筒降温、对回风井筒增温、增加井筒高度等，这些方法可以采用一种，有条件的矿井也可以多种方法同时使用。不同的矿井，同一矿井不同时期采用的方法也不尽相同，但较为简单、易于操作的是增加回风井风流的温度，比如在回风井设置空气增热器或在回风井铺设暖风管道。
在矿井生产过程中，进风井的温度变化较大，为使温度控制更为准确，更快地控制自然风压、调整风量，我们可以利用矿井的监控系统，在进回风井及地面的适当位置设置温度传感器和气压传感器，对巷道温度和地面大气压力进行实时监测。监控系统将收集到的数据传输到监控系统的计算机后，系统中的专门程序对这些数据进行筛选、分析、计算后，将输出调整巷道温度的指令，可以采用人工或自动的方法对井巷温度进行调整，从而达到利用自然风压通风稳定可靠节能的目的。
可控自然风压通风的实施要根据各矿不同的情况具体进行，满足自然通风条件难度较大的矿井可在一个季节里利用可控自然风压通风，其余时间用机械通风；满足自然通风条件容易的矿井可在更长的时间里利用自然风压通风。这样,既能保证矿井的安全，又能达到节能的目的。
3结语
在大中型矿井专门利用可控自然风压通风目前尚未有实践的先例。文章只是从理论上对其可行性进行分析探讨。由于可控自然风压通风不使用机械动能，因而可以节省大量的电力。由于井筒深度和井筒温度不可能无地增加，自然通风产生的风量不会太大，因而可控自然风压通风适合一些中小型矿井。在大型矿井中，由于用风量较大，仅用自然通风显然是不能满足的，但在利用机械通风的同时，利用可控自然风压产生的风量对矿井通风系统进行补充调整，也同样能达到增加矿井风量，降低能耗的目的。
参考文献：
[1] 常心坦,刘剑,王德明.矿井通风及热害防治[M].北京:中国 矿业大学出版社,2007.
[2] 生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭 工业出版社,2011.
