CN107016222A - 深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法，包括以下步骤：a分析分支风量对自然风压敏感性；b基于敏感性测定的自然风压重点影响区域判定；b1自然风压敏感性测定；b2进行数据处理；b3分析自然风压敏感性；b4确定自然风压重点影响区域判定原则。本发明基于现场实测的基础数据以及分支风路的敏感性的理论研究，采用定性与定量分析相结合的方法得到了自然风压重点影响区域的分布范围；基于反风产生原因，得到该区域可能发生停风甚至反风的条件；本发明对于深井自然风压进行合理控制和利用，降低通风能耗，提高矿井通风系统运行的稳定性和经济性具有重要意义，并且具有一定的推广价值和应用前景。

Description

深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法

技术领域

本发明涉及一种深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法，属于矿井通风领域。

背景技术

深部开采矿井的自然风压往往具有随季节变化幅度大、对矿井通风系统影响明显等特点，是影响矿井通风系统稳定性、矿井安全生产和高产高效的重要因素。针对深部开采矿井自然风压的特点，从自然风压的产生原理、过程以及影响因素出发，对不同影响因素的影响程度、矿井自然风压的变化规律及对矿井通风系统的影响进行研究，判定出重点影响区域，进而采取有效措施趋利避害，最大程度减小自然风压对于矿井通风系统稳定性、瓦斯异常涌出、工作面漏风等方面的负面影响，对矿产安全开采意义重大，然而目前尚缺乏相关内容研究及报道。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法，包括以下步骤：

a分析分支风量对自然风压敏感性

采用回路中分支风量对自然风压的敏感度定量描述自然风压变化对矿井通风网路中不同分支风量变化情况；

b基于敏感性测定的自然风压重点影响区域判定

b1自然风压敏感性测定

采用气压计基点测定法对矿井巷道的通风阻力及相关通风参数进行测定，结合对分支机械动力消耗以及风路的前后连通关系分析，测定出自然风压敏感性；

b2进行数据处理

确定巷道断面积、测点风速、测点速压以及测点间风量；

b3分析自然风压敏感性

通过综合分析，确定自然风压重点影响区域判定的基础依据是巷道段风阻值；

b4确定自然风压重点影响区域判定原则

1)因自然风压变化导致的无风甚至反风的井巷均为自然风压重点影响区域；

2)重点影响区域为完整的一段巷道，不存在某巷道段一部分影响较大，另一部分影响较小的情况；

3)无分支风路的单回路巷道不作为重点影响区域处理；

4)采用定性分析与定量分析相结合的方法进行判定。

优选的，步骤a中包括：

a1只有自然风压作用下单回路形式

当自然风压产生的自然风量较小时，分支风量对自然风压变化敏感度高；相反，当自然风压产生的自然风量较大时，分支风量对自然风压变化敏感度低；

a2机械通风和自然风压联合作用下单回路形式

在自然风压作用分支中，机械动力消耗越多的分支，其分支风量对自然风压的敏感度越低。

优选的，步骤b1中包括：

b11测定路线的选择

根据测定的要求和目的，结合该矿的生产布局和通风系统的现状，选择风流路线长，风量大且包含采煤工作面，能反映矿井通风系统特征的路线作为测定路线，如有需要再选择其他路线作为辅测路线；

b12测点布置

测定路线选定后，参照通风阻力测定的要求，结合巷道布置的具体条件，在通风系统单线图上确定出测点的位置和数量，并沿测定路线将测点依次编号；

b13测定仪器

选用精密数字气压计、风表、干湿温度计、秒表、卷尺和计时表；

b14测定方法

采用精密气压计逐点测定法。

优选的，上述方法还包括以下步骤：

c计算自然风压重点影响区域风流状态

从功能上对矿井通风系统进行划分，分为进风段，用风段和回风段。根据这个原则，任何一个复杂的矿井通风系统都能够简化为简单的矿井通风回路，再根据阻力定律，并将自然风压通风、机械通风联合，分析矿井通风系统中相关分支风量变化规律。

本发明的有益技术效果是：

(1)基于现场实测的基础数据以及分支风路的敏感性的理论研究，采用定性与定量分析相结合的方法得到了自然风压重点影响区域的分布范围。

(2)基于反风产生原因，得到该区域可能发生停风甚至反风的条件。

(3)本发明对于深井自然风压进行合理控制和利用，降低通风能耗，提高矿井通风系统运行的稳定性和经济性具有重要意义，并且具有一定的推广价值和应用前景。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为单回路只有自然风压作用下Q_N和相图；

图2为机械通风和自然风压联合作用下Q_N和和相图；

图3为风量测定测点布置图；

图4为Q与H相图。

具体实施方式

结合附图，一种深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法，具体包括以下步骤：

1.分支风量对自然风压敏感性分析

矿井通风网络中不同分支，其风量对自然风压变化的响应是不同的。当矿井通风系统中自然风压发生变化时，有的分支风量变化较大，有的分支风量变化较小。为了定量描述自然风压变化对矿井通风网路中不同分支风量变化情况，提出了回路中分支风量对自然风压的敏感度：即当自然风压变化时，第i回路中分支风量变化率。

1.1只有自然风压作用下单回路形式

在只有自然风压作用的单回路情形下，根据阻力平方定律有：

该式对H_N求导有：

进一步化简上式有：

对于矿井通风系统而言，若不考虑阻力随时间变化时，方程(1.3)的右边是一个常数。由于考查的是单回路通风系统，分支风量变化与系统总风量的变化是一致的。从方程(1.3)可以看出，Q_N和构成一双曲方程，可作Q_N和相图，见图1。

从图1可以看出，原点是矿井通风系统的一个定点或平衡点，但这个定点极不稳定，当系统受到微小扰动情况下，阻力平方定律马上起作用，把矿井通风系统变量状态引到图1的轨线中来。图l展现的是一个双曲线，说明回路分支风量对自然风压的变化率是非线性的，它同自然风压产生的风量彼此消长。当自然风压产生的自然风量较小时，分支风量对自然风压变化敏感度高；相反，当自然风压产生的自然风量较大时，分支风量对自然风压变化敏感度低。分析表明：在矿井通风系统中分支风量对自然风压的敏感度并不是一个常数，其敏感程度取决于矿井自然通风状态。从稳定性角度来说，在平衡点附近，分支风量对自然风压的敏感度高，而远离平衡点的位置，分支风量对自然风压的敏感度变低。从矿井通风的角度来看，在原点附近，意味着自然风压小；而远离原点，意味着自然风压较大，矿井通风系统总风量也较大，分支风量变化率变小。从中可以看出，矿井通风系统是一个具有自我调节的系统，可以削弱分支风量随自然风压变化而变化的趋势，有利于矿井通风系统工作稳定。

在现实情况中，只有自然风压作用下单回路形式很少存在，只有当计划停风或者非正常停风时才符合以上分析，同时也可以作为研究机械通风与自然风压联合作用的理论基础。

1.2机械通风和自然风压联合作用下单回路形式

在机械通风和自然风压联合作用的单回路情形，根据阻力平方定律有：

H_f+H_N＝RQ²＝R(Q_N+Q_f)² (1.4)

对式(1.4)H_N求导，考虑自然风压变化较小时对风机工况影响较小，令有：

整理(1.1)有：

比较式(1.4)和式(1.6)，两者有相同的形式，但意义却有很大差别，原因在于方程左边参量的含义发生了很大变化。

为了便于分析，重写式(1.6)得：

式(1.7)中可以看出，其不稳定平衡点在Q_f+Q_N＝0，以下分析在不同工况下风机Q_N和相图。

对于同一个矿井通风网络，比较式(1.6)和式(1.7)有：

考虑矿井通风系统参数的物理意义，式(1.8)变为：

假设自然风压在[-M，M]之间波动，讨论k的取值问题：

(1)Q_f≥2M，

(2)2M＞Q_f≥M，

(3)M＞Q_f≥0，

(4)0＞Q_f≥-M，

(5)-M＞Q_f≥-2M，

(6)Qf≤-2M，

根据对以上六种情况具体分析，可以得出：当Q_f和QN同向或|Q_f|≥2M时，有k∈(0，1]；其它情况下，有k∈(1，∞)这说明：当Q_f和Q_N同向或|Q_f|≥2M时，由于机械通风作用的存在，减弱了分支风量对自然风压变化的敏感度，在其它情况下，却增强了分支风量对自然风压变化的敏感度，具体相图见图2，曲线1代表机械通风作用增强了分支风量对自然风压变化的敏感度，曲线2代表没有机械通风作用下的分支风量对自然风压变化的敏感度，曲线3代表机械通风作用削弱了分支风量对自然风压变化的敏感度。

处理多回路中分支风量对自然风压变化的敏感度时，对其进行叠加。根据分支风量对自然风压的敏感度分析可以得出：在自然风压作用分支中，机械动力消耗越多的分支，其分支风量对自然风压的敏感度越低。对于矿井通风网络中风量相同的两条分支，假如其中一条机械动力消耗较少，说明通风机分配到该分支的机械能少，那么该分支风量对自然风压变化的敏感度越高，分支风量变化量V_Q大，风流稳定性差。

2.基于敏感性测定的自然风压重点影响区域判定

2.1自然风压敏感性测定

自然风压敏感性测定与阻力测定均是采用气压计基点测定法对矿井巷道的通风阻力及相关通风参数进行测定，与阻力测定不同的是，自然风压敏感性测定需要对分支机械动力消耗以及该风路的前后连通关系进行分析，是定量与定性分析相结合的过程，可以说，阻力测定是自然风压敏感性测定的定量分析基础。

2.1.1测前准备工作

1)测定路线的选择

根据测定的要求和目的，结合该矿的生产布局和通风系统的现状，选择风流路线长，风量大且包含采煤工作面，能反映矿井通风系统特征的路线作为测定路线，如有需要再选择其他路线作为辅测路线。

2)测点布置

测定路线选定后，即可参照通风阻力测定的要求，结合巷道布置的具体条件，在通风系统单线图上确定出测点的位置和数量，并沿测定路线将测点依次编号。

在确定测点布置时一般应遵守下述原则：

(1)测点布置在风流稳定，巷道规整的地点，测点前后支护完好，巷道内无堆积物；

(2)在风流分叉、汇合及局部阻力大的地点；

(3)测点与风流变化点之间应有一定的距离；

(4)测点应尽可能选在标高控制点附近。

在井下实测时，还应据现场的实际情况对个别测点进行调整，甚至临时性增加或减少一些测点。以便使测点的选择能有效的反映主要巷道和工作面的阻力分布情况。

3)测定仪器

此次测定所用各种设备仪表如表1所示。

表1

4)测定方法

采用精密气压计逐点测定法，即将一台精密气压计放置在地面井口附近，作为基点气压计，监视地面气压变化情况，另将一台气压计沿测定路线按选定的测点进行测定。基点气压计每隔1分钟读数，测点气压计在各测点每逢1或10分钟读数，测点气压计读数和基点气压计读数时间相对应，以反映地面气压变化对测点读数的影响，保证测点测定结果的可靠性，在各测点测定风流压力的同时，应测量巷道的风速、断面尺寸、气象条件等。如此依次测定全部的测点，待测点气压计返回至井口时再重新校对仪器读数，以检查仪器的误差。至此测定完毕，并记录各测点原始数据。

2.2数据处理方法

1)巷道断面积

测点巷道断面积按下式计算：

梯形或矩形巷道：

S_L＝B_L×H_L (2.1a)

半圆拱巷道：

S_L＝B_L×(H_L-0.1073B_L) (2.1b)

三心拱巷道：

S_L＝B_L×(H_L-0.0867B_L) (2.1c)

式中：S_L——巷道断面积，m²；

B_L——巷道宽度或腰线长度，m；

H_L——巷道全高，m。

2)测点风速

测点的风速由测出的表速按下式换算成真实风速：

式中：V——测点风速，m/s；

S——巷道断面积，m²；

0.4——人体侧面积，m²；

a、b——风表校正系数；

x——表速，m/min。

3)测点速压

H_V＝ρV²/2pa (2.3)

4)测点间风量的确定

如图3所示，两测点间巷道通过的风量按如下原则确定：

两测点间巷道没有分岔(图3中A)，巷道通过的风量取两测点风量的平均值，即：Q＝(Q₁+Q₂)/2；在风流分岔点前设置测点(图3中B)，则通过两测点间巷道的风量取后一测点的风量，即：Q＝Q₂；在风流分岔点后设置测点(图3中C)，则通过两测点间巷道的风量取前一测点的风量，即：Q＝Q₁。

1)两测点间巷道的阻力计算

用精密气压计逐点测定时，两测点间的静压差按下式计算：

H_s(i，i+1)＝[B(i)-B(i+1)]+[B′(i)-B′(i+1)]Pa (2.4a)

两测点的位压差：

两测点的速压差：

H_V(i，i+1)＝H_V(i)-H_V(i+1)Pa (2.4c)

则两测点间的通风阻力为：

H_r(i，i+1)＝H_s(i，i+1)+H_Z(i，i+1)+H_V(i，i+1)Pa (2.4d)

式中：B(i)、B(i+1)——分别为精密气压计在巷道前后测点i、i+1上的读数，mmH₂O；

B′(i)、B′(i+1)——井下气压计读取B(i)、B(i+1)时，基点气压计读数，mmH₂O；

Z(i)、Z(i+1)——测点i、i+1的标高，m；

ρ(i)、ρ(i+1)——测点i、i+l的空气密度，kg/m³。

6)巷道风阻、百米风阻计算

(1)巷道风阻

(2)百米风阻

式中：L(i，i+1)——测点i、i+1间巷道的长度，m。

2.3自然风压敏感性测定及分析

根据测定的要求和目的，选择测定路线及测点布置。

根据分支风量对自然风压敏感性分析得出，自然风压影响较大的区域主要分布在机械动力消耗较小的巷道，能反映机械动力消耗程度的参数主要有通风阻力、风阻、百米风阻，其中通风阻力与风量的平方成正比例关系，当通风系统进行调整后，由于风量的变化，通风阻力也随之改变，因此只能作为参考数据；百米风阻反映的是巷道阻力特性，而某段巷道的风阻却可以反映具体矿井系统中某段巷道的通风难易程度，综合以上分析，自然风压重点影响区域判定的基础依据巷道段风阻值。

2.4自然风压重点影响区域判定原则

1)因自然风压变化导致的无风甚至反风的井巷均为自然风压重点影响区域；

2)重点影响区域为完整的一段巷道，不存在某巷道段一部分影响较大，另一部分影响较小的情况；

3)无分支风路的单回路巷道(如非并联进风巷或回风巷)不作为重点影响区域处理；

4)应采用定性分析与定量分析相结合的方法进行判定。

3自然风压重点影响区域风流状态计算

3.1风流状态计算方法

一个矿井通风系统，如果从功能上划分，可以分为进风段，用风段和回风段。根据这个原则，任何一个复杂的矿井通风系统都可以简化为简单的矿井通风回路。设矿井通风系统总风阻为R，机械风压为H_D，自然风压为H_N，总风量为Q。

根据阻力定律，其风流状态可表达为：

H_D+H_N＝RQ² (2.7)

对于特定矿山，R_j是不易变化的。而H_D和H_N是容易变化的。因此，可以把式(2.7)看成以H_D和H_N为参变量，以Q为状态变量的函数表达式。

为了分析在参变量H_N变化下的风流变化规律，假定H_D不等于0且恒定。自然风压H_N变化导致H_D+H_N变化，最终引起系统风量值Q的变化。对于确定的通风回路或通风分支来说，风阻特性是确定的，并且风流分配受H＝RQ²支配。如果矿井通风系统中没有自然风压的作用，即H_N＝0，矿内风流仅在H_D作用下流动，风机工况点存在A、B两种可能。根据工况点以及零点的位置，把工况点曲线划分为4个区域，见图4。

根据自然风压大小与方向，将自然风压通风、机械通风联合形式划分为以下6种情况：

(1)H_D＞0，H_N＞0；

(2)H_D＞0，H_N＜0且|H_D|＞|H_N|；

(3)H_D＞0，H_N＜0且|H_D|＜|H_N|；

(4)H_D＜0，H_N＜0；

(5)H_D＜0，H_N＜0且|H_D|＞|H_N|；

(6)H_D＜0，H_N＞0且|H_D|＜|H_N|。

结合图4以及以上6类情况，分析H_N变化时，矿井通风系统中相关分支风量变化规律。若不考虑自然风压的影响，对于前3种情形，其工况点为A；对于后3种情况，其工况点为B在工况点A附近，当情形(1)发生时，通风系统工况点向区域I发展，系统风量增加；当情形(2)发生时，通风系统工况点向区域II发展，系统风量减少；当情形(3)发生时，通风系统工况点突破零点的约束，向区域III发展，系统风流方向发生变化；在工况点B附近，当情形(4)发生时，通风系统工况点向区域IV发展，系统风量增加；当情形(5)发生时，通风系统工况点向区域III发展，系统风量减少；当情形(6)发生时，通风系统工况点突破零点0的约束，向区域II发展，系统风流方向发生变化；从以上分析可以看出：除情形(3)和(6)外，风流方向不会发生变化；出现情形(3)时，风量从正值变为负值；出现情形(6)时，风量从负值变为正值。即在情形(3)和(6)下，风流可能出现反向，反向临界点为0，其物理意义是风机风压和自然风压的共同作用效果为零。

综上所述，本发明能够解决以下关键问题：

1)根据能量方程明确各风路机械动力消耗水平，然后通过分析风路的位置及连通关系确定各分支风路自然风压敏感性，最终计算分析得出深水平矿井自然风压重点影响区域。

2)以得出的矿井自然风压重点影响区域为依据，基于反风产生原因，得到该区域可能发生停风甚至反风的条件。

Claims (4)

1.一种深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法，其特征在于包括以下步骤：

a分析分支风量对自然风压敏感性

采用回路中分支风量对自然风压的敏感度定量描述自然风压变化对矿井通风网路中不同分支风量变化情况；

b基于敏感性测定的自然风压重点影响区域判定

b1自然风压敏感性测定

采用气压计基点测定法对矿井巷道的通风阻力及相关通风参数进行测定，结合对分支机械动力消耗以及风路的前后连通关系分析，测定出自然风压敏感性；

b2进行数据处理

确定巷道断面积、测点风速、测点速压以及测点间风量；

b3分析自然风压敏感性

通过综合分析，确定自然风压重点影响区域判定的基础依据是巷道段风阻值；

b4确定自然风压重点影响区域判定原则

1)因自然风压变化导致的无风甚至反风的井巷均为自然风压重点影响区域；

2)重点影响区域为完整的一段巷道，不存在某巷道段一部分影响较大，另一部分影响较小的情况；

3)无分支风路的单回路巷道不作为重点影响区域处理；

4)采用定性分析与定量分析相结合的方法进行判定。

2.根据权利要求1所述的一种深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法，其特征在于，步骤a中包括：

a1只有自然风压作用下单回路形式

当自然风压产生的自然风量较小时，分支风量对自然风压变化敏感度高；相反，当自然风压产生的自然风量较大时，分支风量对自然风压变化敏感度低；

a2机械通风和自然风压联合作用下单回路形式

在自然风压作用分支中，机械动力消耗越多的分支，其分支风量对自然风压的敏感度越低。

3.根据权利要求1所述的一种深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法，其特征在于，步骤b1中包括：

b11测定路线的选择

根据测定的要求和目的，结合该矿的生产布局和通风系统的现状，选择风流路线长，风量大且包含采煤工作面，能反映矿井通风系统特征的路线作为测定路线，如有需要再选择其他路线作为辅测路线；

b12测点布置

测定路线选定后，参照通风阻力测定的要求，结合巷道布置的具体条件，在通风系统单线图上确定出测点的位置和数量，并沿测定路线将测点依次编号；

b13测定仪器

选用精密数字气压计、风表、干湿温度计、秒表、卷尺和计时表；

b14测定方法

采用精密气压计逐点测定法。

4.根据权利要求1所述的一种深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法，其特征在于还包括以下步骤：

c计算自然风压重点影响区域风流状态

从功能上对矿井通风系统进行划分，分为进风段，用风段和回风段。根据这个原则，任何一个复杂的矿井通风系统都能够简化为简单的矿井通风回路，再根据阻力定律，并将自然风压通风、机械通风联合，分析矿井通风系统中相关分支风量变化规律。