CN106150537B - 一种模拟地下矿山自然风压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟地下矿山自然风压的方法，用风平巷模拟管（3）水平放置，用风平巷模拟管（3）的两头分别采用井筒与平巷连接件（4）和竖直放置的进风井模拟管（1）、回风井模拟管（2）连接。在进风井模拟管（1）、回风井模拟管（2）及用风平巷模拟管（3）的外面分别缠绕管道加热线圈（5），管道加热线圈（5）与加热线圈温控器（6）连接，在进风井模拟管（1）上安装自带数显表的风速传感器（7），在进风井模拟管（1）、回风井模拟管（2）及用风平巷模拟管（3）上分别安装自带数显表的温湿度传感器（8）。本发明具有模拟装置结构简单、装配方便、成本低，计算公式简单、可靠且可模拟演示多种自然风压类型，可适用于矿井通风系统设计、科研和教学之中。

Description

一种模拟地下矿山自然风压的方法

技术领域

本发明涉及一种模拟地下矿山矿井通风试验方法，尤其是涉及一种自然风压实验模拟演示的方法，适合于在矿井通风系统设计、科研和教学应用。

背景技术

自然风压是矿井中客观存在的一种自然现象，其作用对于矿井通风有时有利，有时却是相反的。在一些山区平硐开拓的矿井，冬季自然通风的作用有的基本可以代替主扇。自然风压在矿井通风中是一种不可忽视的重要动力。现在一般认为，风流流动所发生的热交换等因素使矿井进风侧、回风侧产生温度差异而导致其空气密度不相等，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来解释自然风压的问题存在一定的局限性。

目前，国内外对于自然风压的认识主要在于理论计算方法研究和矿山井下现场检测，通常只是采用手算方法，求大高差、大温差巷道回路的自然风压，然后人为地加入其中一条巷道，以此来计算自然风压的影响，或由某点压力、温度求出密度进而计算自然风压，缺乏自然风压的预判性和实验室直观的试验模拟装置。

《有色金属》2014年01期介绍了一种基于UDF的自然风压对矿井通风稳定性影响的数值模拟，验证自然风压数值模拟的可行性，通过计算机软件模拟自然风压对矿井通风系统的影响，对多种环境气温条件下的自然风压曲线进行拟合，给出了回风竖井中自然风压的经验计算公式。其主要是侧重于运用计算机软件进行数值模拟技术研究，缺乏对自然风压这种客观自然现象的直观描述。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述问题，而提供一种模拟装置结构简单、装配方便、成本低且可模拟多种自然风压类型的模拟地下矿山自然风压的方法，采用的模拟装置通过对配件的排列组合，可以快速地在实验室模拟出三种不同类型地下矿山矿井自然风压现象，并根据模拟输出数据计算出自然风压的大小、分析自然风压的影响因素。

为实现本发明的上述目的，本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法采用以下技术方案：

方案1：

本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法，采用的模拟装置包括进风井模拟管、回风井模拟管及用风平巷模拟管。用风平巷模拟管水平放置，用风平巷模拟管的两头分别采用井筒与平巷连接件和竖直放置的进风井模拟管、回风井模拟管连接构成矿井通风风路模拟系统，保持进风井模拟管的高度低于回风井模拟管的高度；在进风井模拟管、回风井模拟管及用风平巷模拟管的外面分别缠绕用于模拟井下高温环境的管道加热线圈，管道加热线圈与加热线圈温控器连接，通过控制加热线圈的加热温度控制进风井模拟管、回风井模拟管和用风平巷模拟管内空气的温度。在进风井模拟管上安装自带数显表的风速传感器，在进风井模拟管、回风井模拟管及用风平巷模拟管上分别间隔安装若干自带数显表的温湿度传感器。模拟装置稳定后观察风速传感器数值V₀=0。

其模拟方法为：根据稳定后进风井模拟管的温湿度传感器的读数t₁、Φ₁，回风井模拟管的温湿度传感器的读数t₂、Φ₂和环境温湿度的检测值t₀、Φ₀查表得出相应的空气密度ρ₁、ρ₂和ρ₀，采用以下公式计算自然风压H_e1：

H_e1=(ρ₀×ΔH+ρ₁×H₁-ρ₂×H₂)×g （1）

式中：H_e1—自然风压，Pa；

ρ₀—环境空气的平均密度，kg/m³；

ΔH—回风井模拟管与进风井模拟管的管高差，m；

ρ₁—进风井模拟管内空气的平均密度，kg/m³；

H₁—进风井模拟管高度，m；

ρ₂—回风井模拟管内空气的平均密度，kg/m³；

H₂—回风井模拟管高度，m；

g—重力加速度，N/kg。

方案1中进风井模拟管高度H₁是回风井模拟管高度H2的1/3—4/5之间为宜。

方案2：

采用的模拟装置中的回风井模拟管的高度等于进风井模拟管的高度；在用风平巷模拟管、回风井模拟管的外面分别缠绕用于模拟井下高温环境的管道加热线圈，管道加热线圈与加热线圈温控器连接，在进风井模拟管上安装自带数显表的风速传感器，在进风井模拟管、回风井模拟管及用风平巷模拟管上分别安装自带数显表的温湿度传感器；其它同方案1。

其模拟方法为：采用以下公式计算自然风压H_e1：

H_e1=(ρ₁×H₁-ρ₂×H₂)×g （2）

式中各符号的含义与方案1相同。

方案3：

采用的模拟装置中的回风井模拟管的高度低于进风井模拟管的高度。其它与方案2相同。

其模拟方法为：采用以下公式计算自然风压H_e1：

H_e1=(ρ₁×H₁-ρ₂×H₂-ρ₀×ΔH)×g （3）

式中：ΔH—进风井模拟管与回风井模拟管的管高差，m；其它符号的含义与方案1相同。

本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法通过调节进风井模拟管、回风井模拟管的竖直高度，可分别模拟演示冬季进风井标高、回风井标高相同情况，回风井井口高于进风井井口标高情况，进风井井口高于回风井井口标高情况等三种类型的自然风压现象。

本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法采用以上技术方案后，具有以下优点：

（1）简单直观地在实验室模拟演示出矿井自然风压这一存在于矿山井下的自然现象。

（2）通过试验模拟数据计算出自然风压的大小，分析其对矿井通风系统的影响。

附图说明

图1是本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法采用的模拟装置中回风井井口高于进风井井口标高情况下的结构示意图；

图2是本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法采用的模拟装置中回风井井口标高等于进风井井口标高情况下的结构示意图；

图3是本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法采用的模拟装置中回风井井口低于进风井井口标高情况下的结构示意图。

附图标记为：1-进风井模拟管；2-回风井模拟管；3-用风平巷模拟管；4-井筒与平巷连接件；5-管道加热线圈；6-加热线圈温控器；7-风速传感器；8-温湿度传感器。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法做进一步详细说明。

方案1：由图1所示的本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法采用的模拟装置中回风井井口高于进风井井口标高情况下的结构示意图看出，本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法是由进风井模拟管1、回风井模拟管2、水平设置的用风平巷模拟管3、井筒与平巷连接件4、管道加热线圈5、加热线圈温控器6、风速传感器7和温湿度传感器8组合构成。用风平巷模拟管3水平放置，用风平巷模拟管3的两头分别采用井筒与平巷连接件4和竖直放置的进风井模拟管1和回风井模拟管2连接构成矿井通风风路模拟系统，保持进风井模拟管1高度远低于回风井模拟管2高度，并记录其高度差为Δh。在进风井模拟管1、回风井模拟管2及用风平巷模拟管3的外面分别缠绕用于模拟井下高温环境的管道加热线圈5，管道加热线圈5与加热线圈温控器6连接，加热线圈温控器6设定各条井巷模拟管道加热线圈5加热温度，保持加热温度恒定。在进风井模拟管1上安装自带数显表的风速传感器7，在进风井模拟管1、回风井模拟管2及用风平巷模拟管3上分别安装自带数显表的温湿度传感器8。随着进风井模拟管1、回风井模拟管2和用风平巷模拟管3内空气温度的逐步升高，空气密度逐步降低，造成进风井模拟管1和回风井模拟管2底端压力不等，形成空气流动的动力。温湿度传感器8的温度逐渐上升的同时，可观测到风速传感器7数值也在不断变化，模拟管道内温度稳定后风速传感器7的数值也趋于稳定。

本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法为：

（1）按照上述过程组装矿井通风风路模拟系统，保持进风井模拟管高度1远低于回风井模拟管2高度，并记录其高度差为Δh，模拟装置稳定后观察风速传感器数值V₀=0；

（2）采用加热线圈温控器6设定各条井巷模拟管的加热温度，保持加热温度恒定，待各井巷模拟管温度传感器温度显示稳定后记录进风井模拟管1的温度t₁、相对湿度Φ₁，回风井模拟管2的温度t₂、相对湿度Φ₂，并记录试验环境温度为t₀和相对湿度Φ₀；

（3）进风井模拟管1、回风井模拟管2、用风平巷模拟管3内温度逐渐上升的同时，可观测到风速传感器7数值也在不断变化，各模拟管内温度稳定后风速传感器数值也趋于稳定；

（4）管道内空气流动的现象就是自然风压作用的结果；根据t₀、Φ₀、t₁、Φ₁和t₂、Φ₂查表得出相应的空气密度ρ₀、ρ₁和ρ₂，结合ΔH可计算出自然风压的大小。

采用以下公式计算自然风压H_e1：

H_e1=(ρ₀×ΔH+ρ₁×H₁-ρ₂×H₂)×g （1）

式中：H_e1—自然风压，Pa；

ρ₀—环境空气的平均密度，kg/m³；

ΔH—回风井模拟管2与进风井模拟管1的管高差，m；

ρ₁—进风井模拟管1内空气的平均密度，kg/m³；

H₁—进风井模拟管1高度，m；

ρ₂—回风井模拟管2内空气的平均密度，kg/m³；

H₂—回风井模拟管2高度，m；

g—重力加速度，N/kg。

方案2：由图2所示的本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法采用的模拟装置中回风井井口标高等于进风井井口标高情况下的结构示意图看出，回风井模拟管2的高度等于进风井模拟管1的高度。此时，进风井模拟管1的外面不再缠绕用于模拟井下高温环境的管道加热线圈5，其它与方案1相同。其模拟方法为：采用以下公式计算自然风压H_e1：

H_e1=(ρ₁×H₁-ρ₂×H₂)×g （2）

式中各符号的含义与方案1相同。

方案3：由图3所示的本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法采用的模拟装置中回风井井口低于进风井井口标高情况下的结构示意图看出，回风井模拟管2的高度低于进风井模拟管1的高度。其它与方案2相同。

其模拟方法为：采用以下公式计算自然风压H_e1：

H_e1=(ρ₁×H₁-ρ₂×H₂-ρ₀×ΔH)×g （3）

式中：ΔH—进风井模拟管与回风井模拟管的管高差，m；其它符号的含义与方案1相同。

本发明一种模拟地下矿山自然风压的方法可以通过风速传感器7读数直观地体现出自然风压现象的存在，通过温湿度传感器8可以量化整个模拟过程，通过温湿度传感器8的数值和装置的结构参数Δh计算出自然风压的数值大小。

Claims (1)

1.一种模拟地下矿山自然风压的方法，采用的模拟装置包括进风井模拟管(1)、回风井模拟管(2)及用风平巷模拟管(3)，其特征在于：用风平巷模拟管(3)水平放置，用风平巷模拟管(3)的两头分别采用井筒与平巷连接件(4)和竖直放置的进风井模拟管(1)、回风井模拟管(2)连接构成矿井通风风路模拟系统；在进风井模拟管(1)、回风井模拟管(2)及用风平巷模拟管(3)的外面分别缠绕用于模拟井下高温环境的管道加热线圈(5)，管道加热线圈(5)与加热线圈温控器(6)连接，在进风井模拟管(1)上安装自带数显表的风速传感器(7)，在进风井模拟管(1)、回风井模拟管(2)及用风平巷模拟管(3)上分别间隔安装自带数显表的温湿度传感器(8)；

其模拟方法为：根据稳定后进风井模拟管(1)的温湿度传感器(8)的读数t₁、Φ₁，回风井模拟管(2)的温湿度传感器(8)的读数t₂、Φ₂和环境温湿度的检测值t₀、Φ₀查表得出相应的空气密度ρ₁、ρ₂和ρ₀；

1)当进风井模拟管(1)的高度低于回风井模拟管(2)的高度时，采用以下公式计算自然风压H_e1：

H_e1＝(ρ₀×ΔH+ρ₁×H₁-ρ₂×H₂)×g (1)

式中：H_e1—自然风压，Pa；

ρ₀—环境空气的平均密度，kg/m³；

ΔH—回风井模拟管(2)与进风井模拟管(1)的管高差，m；

ρ₁—进风井模拟管(1)内空气的平均密度，kg/m³；

H₁—进风井模拟管(1)高度，m；

ρ₂—回风井模拟管(2)内空气的平均密度，kg/m³；

H₂—回风井模拟管(2)高度，m；

g—重力加速度，N/kg；

2)当回风井模拟管(2)的高度等于进风井模拟管(1)的高度时，采用以下公式计算自然风压H_e1：

H_e1＝(ρ₁×H₁-ρ₂×H₂)×g (2)

式中：H_e1—自然风压，Pa；

ρ₀—环境空气的平均密度，kg/m³；

ρ₁—进风井模拟管(1)内空气的平均密度，kg/m³；

H₁—进风井模拟管(1)高度，m；

ρ₂—回风井模拟管(2)内空气的平均密度，kg/m³；

H₂—回风井模拟管(2)高度，m；

g—重力加速度，N/kg；

3)当回风井模拟管(2)的高度低于进风井模拟管(1)的高度时，采用以下公式计算自然风压H_e1：

H_e1＝(ρ₁×H₁-ρ₂×H₂-ρ₀×ΔH)×g (3)

式中：H_e1—自然风压，Pa；

ρ₀—环境空气的平均密度，kg/m³；

ΔH—进风井模拟管(1)与回风井模拟管(2)的管高差，m；

ρ₁—进风井模拟管(1)内空气的平均密度，kg/m³；

H₁—进风井模拟管(1)高度，m；

ρ₂—回风井模拟管(2)内空气的平均密度，kg/m³；

H₂—回风井模拟管(2)高度，m；

g—重力加速度，N/kg。