1、进风主立井冬季风流紊乱成因分析及防控技术研究陈庆刚，田伟（陕西彬长文家坡矿业公司，陕西 咸阳）摘 要：本文针对文家坡煤矿在冬季时进风主立井风流紊乱的问题进行研究，首先对该矿通风系统进行了等效简化，同时对导致风流紊乱的原因进行了分析与研究，提出了简单有效的防控措施，最后结合主立井风流紊乱的一次实例对该防控技术进行了验证。结果说明，通过主副井联巷的风速和主副井空气温差可以快速判断主立井风流紊乱情况，通过采取减少主副井的气流温差的方法可以解决主立井风流紊乱的问题。通过人工干预，使主副立井进风风流温差小于，主副井联巷风速保持在 时，确保主副井进风风量基本相当，此时矿井通风系统稳定，从而保障矿井的通风安
2、全。关键词：通风系统；自然风压；闭合回路；风流紊乱中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）引言采用中央并列式通风的矿井，其多进风井筒通风系统的闭合回路中，井筒间的空气柱密度差导致井筒间的空气柱重力不同，其重力之差即该通风回路的自然风压。自然风压是自然界客观存在的一种能量，能成为矿井通风的动力，节约能耗，但也会干扰正常通风，严重影响矿井的通风安全。根据式（）可知，影响自然风压的决定性因素是两侧空气柱的密度差，而空气密度主要受温度、大气压、气体常数 和相对湿度 等因素的影响，为矿井井筒的深度，为重力加速度，、分别为组成通风回路的两个井筒的空气柱平均密度。（），()()（）根据前人的研究经验可知，空
3、气温度对自然风压的影响最为显著。尤其在北方冬季气温较低时，自然风压对矿井的通风安全影响最大，风流温度较高的进风井会多次出现微风、无风、风流反向等通风系统紊乱现象，严重影响矿井通风安全。因此，对风流紊乱的成因及防控措施进行分析研究显得尤为重要。矿井概况陕西彬长文家坡煤矿位于陕西彬长矿区东部，隶属陕西彬长集团，井田东西宽，南北长，井田面积，井田内地质储量，可采储量，矿井设计生产能力为 ，同步建设相同处理能力的选煤厂。矿井采用立井开拓，工业场地内布置有主、副、回风、路村进风立井等四个井筒。其主井为煤炭提升井筒，兼作进风井筒；副井为人员和材料的提升运输井筒，兼作进风井筒和安全出口；回风井担负矿井的回风
4、任务，兼作安全出口；路村进风立井目前作为辅助进风井使用。主井和副井处于同一标高，距井底车场深度均为，主副井井筒净直径分别为 和，主副立井与回风立井距离为，路村进风立井标高为，井深。文家坡煤矿所处的地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，冬季降水较少，寒冷干燥且漫长，最低气温能达到，夏季较热，历年最高气温，年平均气温。该矿井采用中央并列式通风系统，回风立井配备一用一备两台型号为 的对旋轴流抽出式通风机，功率为，平均排风量为 ，平均通风负压为。根据设计得出，在正常通风时，矿井总进风 量 约 为 ，主 副 立 井 进 风 量 均 为，路村进风立井进风量约为 。但在冬季气温较低时，主立井出现了数
5、次微风、无风、反风。由于副立井进风量大，风流温度低，出现井壁结冰的问题，严重影响了矿井安全生产，对主立井风流紊乱的成因进行分析，提出有效的防控措施具有十分重要的意义。主立井风流紊乱的理论分析将文家坡煤矿三进一回的机械抽出式通风系统等效简化为图 所示，正常通风的风流方向为实线箭线，在冬季时，自然风压导致主立井反风的风流方向为虚线箭线。DOI:10.13487/ki.imce.022898图 矿井通风系统等效简化图对于该矿井通风系统等效简化图中的回风井，在三个回路中存在自然风压，根据式（）可知，三个回路的自然风压分别为：回路 的自然风压 为：()（）回路 的自然风压 为：()（）回路 的自然风压
6、为：()（）式（）式（）中，为矿井井筒的深度，为重力加速度，、分别为回风井、主立井、副井、排矸井空气柱的平均密度。当主立井进风停滞，即 时，对回路 和回路 可以分别列出平衡方程：（）式（）中，为主通风机静压，、分别为通风系统中、分支的通风阻力，、分别为 和 分支的风量，。当主立井风流停滞时，由式（）可得：|（）当主立井风流反向，即形成循环风时，则为：|（）根据式（）、式（）可知，想要改变主立井反风后的风流方向，即让主立井进风，则可通过以下途径达到目的：增大副井的通风阻力；增大主通风机静压；减少回风段 的通风阻力；增大副井的自然风压。由于井筒的自然风压与井筒的空气柱密度成正比，自然风压与空气的大
7、气压成正比，与温度成反比。主立井主要承担原煤的提升任务，箕斗提升机的运行频次远大于副井罐笼，胶带输送机在原煤运输过程中摩擦散热，再加上原煤散热，导致主立井的空气温度要高于副井，在冬季气温较低时，主副井的温差更大。经过多次现场测量发现，当主副井温差较大时，通常伴随着主立井风流紊乱的问题。本文着重通过提高副井的进风温度以增大自然风压 的方法来解决主立井风流紊乱的问题。主立井风流紊乱的防控试验研究文家坡煤矿主副立井均安设热风机组。在冬季时，根据生产需要，通过风道将暖风送入井口以下 处对进风风流进行加热，从而预防井筒结冰、调节进风风流温度。分别在距主副井井口、的井筒罐道上安装温度传感器，以便监测在进风
8、风流充分混合后的空气温度。分析多次现场测风的数据发现，主立井风流紊乱程度与该矿主副井联巷风速有着密切关系，在主副井联巷间安装了一台型号为（）的双向风速传感器，以此观察主副井联巷风速与主副井气流温差的关系，通过指导井口热风机调节井筒进风温度达到控制和调节主副井进风量的目的。在 年 月下旬的一天，气温骤降，最低气温达到，文家坡煤矿主立井出现了进风风速下降、微风以及进风风流反向等一系列风流紊乱的问题，工作人员进行了干预控制。通过开启副井井口的热风机组给副立井进风风流进行加热，旨在减少主副井进风风流的温差，进而减少主副井回路间的自然风压，从而达到主副井同时进风且风量相当的目的。图 为在主立井开始出现风
9、流紊乱至人工干预恢复正常通风的主副井联巷风速、主副井风速、主副井气流温度等参数随时间变化的曲线图。图 主、副井风速、温差及主副井联巷风速随时间变化曲线图 根据图 可知，在：次日：时，随着主副立井空气温差的增大，主立井进风逐渐出现减少和停滞的情况，在：时出现了风流反向的现象，此时主副井空气温差为；在：时，随着副井口热风机组的开启，主副井温差快速降低至，此时主立井已经由最初的风流反向转变为进风，风速达到.，对应的风量为 ；在：时，随着主副井温差的逐渐减少，在：时，主副井温差为，此时主副井进风风速分别为 和，对应的风量分别为 和，当主副井温差进一步减少至 时，主副井风速分别达到了 和 ，对应的风量分
10、别为 和，此时通风系统稳定。本次事件说明在冬季主立井风流紊乱时，通过提高副井的进风温度增大副井的自然风压是切实有效的解决措施，也说明主副井联巷风速与主副井空气温差是正相关关系；随着主副井温差的增大，主副井联巷风速逐渐增大，在温差至 时，主副井联巷风速达到 ，在：以后，随着人工干预主副井温差逐渐降低，主副井联巷风速减少，在主副井联巷风速为 时，主副井进风量基本相当，通风系统稳定。因此，通过监测主副井联巷风速可以有效指导主副井风量的调节。结论与不足 主副立井间的自然风压是冬季生产过程中出现主立井风流紊乱的原因，通过人工干预减少主副井风流间的平均温差，进而减少主副井间的自然风压，是解决主立井进风风流
11、紊乱问题的有效办法。通过控制主副立井进风风流温差小于，即主副井联巷风速保持在 时，可以保证主副井的进风量基本相当，确保矿井通风系统稳定使用。在主副立井井筒及联巷间合理安装风速、温度传感器，并将其与井口热风机组耦合形成主副井风量调节自动控制系统，这是实现在极端气候条件下矿井通风系统稳定、杜绝进风立井进风风流紊乱的必由之路。参考文献：张金堂，刘义孟多进风井筒自然风压对矿井通风系统的影响分析研究山西煤炭，（）：张振飞，李进云金家渠煤矿冬季主井风流反向原因及快速防控措施神华科技，（）：郭建华矿井进风井筒区域风流紊乱机理及调控方法研究中国矿业大学（北京），张建山矿井重要区域风流紊乱机理数值模拟研究煤矿现代化，（）：聂百胜，郭建华，王春亮，等冬季进风井筒风流紊乱防控技术煤矿安全，（）：李玫斯矿井热风压对通风系统的影响规律的研究煤矿现代化，（）：作者简介：陈庆刚（），男，陕西咸阳人，本科，工程师，从事煤矿“一通三防”安全管理工作；田伟（），男，陕西西安人，硕士研究生，助理工程师，从事煤矿采掘安全管理工作。