第五章矿井自然通风课件.ppt

第五章 矿井自然通风,5.1 自然通风的概念及其表达5.2 矿井自然通风压计算5.3 矿井自然压差的测定5.4 自然风压的影响因素和控制与利用,5.1 自然风压的概念及其表达,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。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）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。,5.1 自然风压的概念及其表达,5.1.1 自然风压的基本分类 根据矿井的实际情况，由井上、井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）及大气自然风。,5.1 自然风压的概念及其表达,5.1.1 自然风压的基本分类1.自然热位差 图5-1 矿井通风自然热位差示意图,如图5-1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，密度大的井筒内空气柱压力大于密度小的井筒内空气柱压力。这两井筒中的空气柱压差称做自然热位差。Pn=g z(m1 m2),5.1 自然风压的概念及其表达,5.1.1 自然风压的基本分类2水平热压差 图5-2 水平自然风示意图,图5-21中a是表示冬季洞内温度比地面温度高，巷道内空气逐渐被加温，热气上升从巷道顶部流出，而地面冷空气从巷道下部进入；图5-2中b是表示夏季洞内温度比地面温度低，巷道内空气逐渐降温，冷气下降由巷道底部流出，而地面热空气从巷道顶部进入。这是借助自然因素通风的最简单形式。,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，往往不被注意，但在某些条件下，仍能明显的显现出来。,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压力称为气压梯度力（N/kg），即,5.1 自然风压的概念及其表达,5.1.1 自然风压的基本分类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Pv的计算方法为：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。,系数。由风向、山坡表面形状倾斜度、洞口形状和尺寸等决定；大气自然风流密度，kg/m3；va 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，能使前者风速明显增加，后者风流停滞甚至反向。,5.1 自然风压的概念及其表达,5.1.2自然风压的实质 图5-3 燃烧试验巷道示意图,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；与燃烧段并联平巷中的2点断面与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。,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”。,综上所述，自然风压是井上、井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。,5.2 矿井自然风压计算,5.2.1 矿井自然风压计算方法 对矿井自然风压的影响因素主要有气候变化及矿井开采时期。气候影响最大的是夏、冬两季，开采影响最大的是矿井生产通风最易和最难时期。气候和开采对矿井通风负压影响的极值通常有以下几种：H易+He1，H易-He2；H难+He3，H难-He4式中，H易、H难矿井通风最易、最难（不计自然风压）时的通风计算负压，Pa；He1、He2 矿井通风最易时冬、夏季自然风压的极值，Pa；He3、He4 矿井通风最难时冬、夏季自然风压的极值，Pa。,5.2 矿井自然风压计算,5.2.1 矿井自然风压计算方法 矿井主扇风机选型参数主要有矿井通风风量、负压。风量一定时，负压主要考虑最大负压、最小负压。此时负压关系为：H难-He4 H难+He3 H易-He2 H易+He1 式中矿井通风负压的最小为H易+He1，最大为H难-He4。计算自然风压时，需计算矿井通风容易时期冬天和困难时期夏天（极值）的矿井负压，即 H易+He1，H难-He4 几种不同情况的自然风压计算方法归纳如下：,5.2 矿井自然风压计算,5.2.1 矿井自然风压计算方法 1.进、回风井井口标高相同的情况(1)容易时期(冬季)自然风压He1。He1=(回易-进冬)gH 式中，回易容易时期回风井筒中湿空气的平均密度，kg/m3；进冬冬季进风井筒中湿空气的平均密度，kg/m3；H 井筒垂深，m。(2)困难时期(夏季)自然风压He4。He4=(回难-进夏)gH 式中，回难困难时期回风井筒中湿空气的平均密度，kg/m3；进夏夏季进风井筒中湿空气的平均密度，kg/m3。,5.2 矿井自然风压计算,5.2.1 矿井自然风压计算方法 2.回风井井口高于进风井井口的情况(1)容易时期(冬季)自然风压He1。He1=(冬Hc+进冬Hj-回易Hh)g(2)困难时期(夏季)自然风压He4。He4=(夏Hc+进夏Hj-回难Hh)g 3.回风井井口低于进风井井口的情况(1)容易时期(冬季)自然风压He1。He1=(进冬Hj-冬Hc-回易Hh)g(2)困难时期(夏季)自然风压He4。He4=（进夏Hj-夏Hc-回难Hh)g,冬冬季进风井筒侧地表湿空气的平均密度，kg/m3；进冬冬季进风井筒中湿空气的平均密度，kg/m3；回易容易时期回风井筒中湿空气的平均密度，kg/m3；Hc 进、回风井井口标高差，m；Hj 进风井筒的垂深，m；Hh 回风井筒垂深，m。,夏夏季进风井筒侧地表湿空气的平均密度，kg/m3。,5.2 矿井自然风压计算,5.2.2 矿井自然风压相关参数的计算1.空气平均密度计算=近似计算,5.2 矿井自然风压计算,5.2.2 矿井自然风压相关参数的计算2.湿空气绝对静压计算（1）地表的情况。例如，已知海平面 0 m处的大气静压力P0=1.01325105 Pa，海平面+1000m处的大气静压力P=0.888P0，则：（2）进风井筒的情况。P进=P表-0.5 Ph 3）回风井筒的情况。a.容易时期：P回易=P表+Pf易+0.5 Ph b.困难时期：P回难=P表+Pf难+0.5Ph,P表地表湿空气绝对静压，Pa；H表计算井筒井口地表标高，m。,P进进风井筒湿空气的绝对静压平均值，Pa；Ph 进风井筒上、下风压差（通过通风网络计算求得），Pa。,P回易容易时期回风井筒湿空气的绝对静压平均值，Pa；Pf易容易时期通风网络总负压，Pa；Ph 容易时期回风井筒井口、井底风压差(通过通风网络计算求得)，Pa。,P回难困难时期回风井筒湿空气的绝对静压平均值，Pa；Pf难容易时期通风网络总负压，Pa；Ph困难时期回风井筒井口、井底风压差(通过通风网络计算求得)，Pa。,5.2 矿井自然风压计算,5.2.2 矿井自然风压相关参数的计算3.相对湿度确定进风井筒风流的相对湿度一般取60%，回风井筒的一般取100%。4.湿空气温度确定5.饱和水蒸气的绝对分压确定饱和水蒸气的绝对分压Ps 随湿空气温度(t)变化而变化，可在焓湿图表中查得。,(1)地表湿空气温度确定。夏季以当地记载历年最高气温，；冬季以当地记载历年最低气温，。(2)进风井筒湿空气温度确定。通常夏季以当地历年最高气温与井下气温(22)的平均值，；冬季以进风井筒有加温设施时，取2与井下气温(22)的平均值12。(3)回风井筒湿空气温度确定。椐调查，矿井生产过程中回风井筒内空气温度变化很小，计算时可取22。,5.2 矿井自然风压计算,5.2.3 自然风压计算实例 图5-4 自然风压计算实例,通风网络计算结果如下(未计自然风压)。a.容易时期通风网络负压：Pf易=-1106.8 Pab.困难时期通风网络负压：Pf难=-1508.7 Pac.进风井筒井口、井底风压差:容易时期 Pj=47.8 Pa；困难时期 Pj=47.8 Pa。d.回风井筒井口、井底风压差:容易时期 Ph=92.6 Pa；困难时期 Ph=92.6 Pa。,如图5-4所示，某矿井为单水平斜井开拓，斜井井口标高为+1550m，回风井井口标高为+1700m。主斜井垂深50m，回风井井筒垂深200m。水平运输大巷布置在+1500m 水平。夏季最高气温为35.4，冬季最低气温为-20。矿井总通风量112m3/s。,5.2 矿井自然风压计算,5.2.3 自然风压计算实例 1.计算各种情况下的P值 P进表=1.01325105=83.7350 kPa式中：Z进表进风井口地表标高，+1550m。P回表=1.01325105=82.0327 kPa式中：Z回表回风井口地表标高，+1700m。P表=0.5(P进表+P回表)=82.9 kPa因Pj=Pj，故 P进易=P进难=P进表-0.5Pj=83.7 kPa P回易=P回表+Pf 易+0.5Ph=81.0 kPa P回难=P回表+Pf难+0.5Ph=80.6 kPa,5.2 矿井自然风压计算,5.2.3 自然风压计算实例 2.饱和水蒸气绝对分压确定根据进、回风井的通风风流温度，由表5-1选取饱和水蒸气绝对分压Ps。（1）地表。夏季t=35.4，Ps=5.736 kPa；冬季t=-20，Ps=0.102 kPa。（2）进风井筒。夏季t=28.7，Ps=3.771 kPa；冬季t=12，Ps=1.399 kPa。（3）回风井筒。t=22，Ps=2.637 kPa。,5.2 矿井自然风压计算,5.2.3 自然风压计算实例 3.计算空气密度(1)求进风井口地表湿空气的密度。a.夏天：夏=0.921 kg/m3b.冬天：冬=1.140 kg/m3,5.2 矿井自然风压计算,5.2.3 自然风压计算实例 3.计算空气密度(2)求进风井筒中湿空气的平均密度。a.夏天：进夏=0.956 kg/m3b.冬天：进冬=1.019 kg/m3,5.2 矿井自然风压计算,5.2.3 自然风压计算实例 3.计算空气密度(3)计算回风井筒中湿空气的平均密度。a.容易时期：回易=0.944 kg/m3b.困难时期：回难=0.939 kg/m3,5.2 矿井自然风压计算,5.2.3 自然风压计算实例 4.计算自然风压(1)计算容易时期(冬天)自然风压He1。He1=（冬h+进冬Zj-回易Zh)g=324.9 Pa(帮助主扇风机通风)(2)求困难时期(夏天)的自然风压He4。He4=(夏h+进夏Zj-回难Zh)g=-18.1 Pa(阻碍主扇风机通风),5.2 矿井自然风压计算,5.2.4 自然风压简略计算法 对于新设计或延深、扩建矿井的自然风压仍可用式（5-1）计算，但式中两侧空气柱平均密度值需进行估算。由气体状态方程，近似地可得：将上式代入式（5-1），则得,P矿井最高点与最低水平间的平均气压，Pa；Tm1、Tm2分别为进、回风侧空气柱的平均气温，K；R空气的气体常数，J/（kgK）。,Tm1和Tm2可参考矿山或附近矿井的资料确定，也可按下述方法估算：以该地区最冷或最热月份的平均气温作为该矿最冷或最热时期入风井口气温；井底气温可按比该处原岩温度低34考虑；回风井风流温度按每上升100m降低1估算平均值。,5.3 矿井自然风压的测定,5.3.1直接测定法 若井下有扇风机，先停止扇风机的运转，在总风流流过的巷道中任何适当的地点建立临时风墙，隔断风流后，立即用压差计测出风墙两侧的风压差，此值就是自然风压。如果矿井还有其他水平，则应同时将其他所有水平的自然风流用风墙隔断。可见，这个方法在多水平矿井并不简便。在有主扇通风的矿井，测定全矿自然风压的方法是：首先停止主扇风机的运转，立即将风硐内的闸板放下，隔断自然风流，这时接入风硐内闸板前的压差计的读数就是全矿的自然风压。,5.3 矿井自然风压的测定,5.3.2间接测定法在有主扇通风的矿井：首先，当主扇运转时，测出其总风量Q及主扇的有效静压Hs，则可列出能量方程：Hs+Hn=R Q2(5-19)然后，停止主扇运转，当仍有自然风流流过全矿时，立即在风硐或其他总风流中测出自然通风量Qn,则可列出方程:Hn=RQn2(5-20)联立解(5-19)与(5-20)式，可得自然风压Hn和全矿风阻R。,同理，将主扇转数改变，或者用闸板调整一下风硐的过风面积，使主扇工况改变，测出其参数，列出其他形式的式(5-20)，与式(5-19)联立求解，亦可得自然风压。在矿井通风设计、日常通风管理和通风系统调整中，为了确切地考虑自然风压的影响，必须对自然风压进行定量分析，为此需要掌握自然风压的测算方法。,5.3 矿井自然风压的测定,5.3.3 平均密度测算法若各测点间高差相等，可用算术平均法求各点密度的平均值，即：若高差不等，则按高度加权平均求其平均值，即,为了测定通风系统的自然风压，以最低水平为基准面（线），将通风系统分为两个高度均为Z的空气柱，一个称之内空气柱的平均密度，应在密度变化较大的地方，如井口、井底、倾斜巷道的上下端及风温变化较大和变坡的地方布置测点，并在较短的时间内测出各点风流的绝对静压力P、干湿球温度td、tw、相对湿度。两测点间高差不宜超过100m（以50m为宜）。,ii测段的平均空气密度，kg/m3；Zii测段高差，m；Z总高差，m；n测段数。,5.3 矿井自然风压的测定,5.3.3 平均密度测算法 图5-5 进、回风井湿空气密度测点布置实例 表5-2 某通风系统不同标高处空气密度测算结果,例如，图5-5所示的通风系统，在利用气压计法测定该系统通风阻力的同时，测得了图中各测点的空气密度如表5-2，求此系统自然风压HN。,5.3 矿井自然风压的测定,解:根据（5-22）式，计算进、回风侧平均空气密度 kg/m3同理求得 kg/m3 Pa,5.4 自然风压的影响因素和控制与利用,5.4.1 影响自然风压的因素 图5-6 矿井自然通风压力一年期间的变化例子,某铅锌矿自然风压变化规律形曲线，二月份自然风压达到最大为262.7Pa，八月份自然风压最小值为-118.2 Pa，自然风压波动范围为380.9 Pa。,5.4 自然风压的影响因素和控制与利用,5.4.1 影响自然风压的因素影响矿井自然风压的主要因素：1.温度 2.空气成分和湿度 3.井深 4.风机运转,风机运转对自然风压的大小和方向也有一定的影响。因为矿井主要通风机工作决定了主风流方向，加之风流与围岩之间的热交换，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后，即使风机停转或通风系统改变，两个井筒之间在一定时期内仍有一定温差，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为明显。,5.4 自然风压的影响因素和控制与利用,5.4.2 矿井自然风压的控制与利用,（1）新设计矿井在选择开拓方案、拟定通风系统时，应充分考虑利用地形和当地气候特点，使在全年大部分时间内自然风压作用的方向与机械通风风压的方向一致，以便利用自然风压。例如，在山区要尽量增大进、回风井井口的高差；进风井井口布置在背阳处等。（2）根据自然风压的变化规律，应适时调整主要通风机的工况点，使其既能满足矿井通风需要，又可节约电能。例如，在冬季自然风压帮助机械通风时，可采用减小风机叶片安装角度或调低转速方法降低机械风压。,（3）为了控制和利用自然风压，可人工调整进、回风井内空气的温差。有些矿井在进风井巷设置水幕或者淋水，以冷却空气，同时起到净化风流的作用。（4）在多井口通风的山区，要掌握自然风压的变化规律，防止因自然风压作用造成某些巷道无风或反向而发生事故。（5）为了防止风流反向，必须做好调查研究和现场实测工作，掌握矿井通风系统和各回路自然风压和风阻，以便在适当的时候采取相应措施。,（6）在建井时期，要注意因地制宜和因时制宜利用自然风压通风，如在表土施工阶段可利用自然通风；在主副井与风井贯通之后，有时也可利用自然通风；有条件时还可利用钻孔构成回路，形成自然风压，解决局部地区通风问题。（7）利用自然风压做好非常时期通风。一旦主要通风机因故遭受破坏时，便可利用自然风压进行通风。这在矿井制定事故预防和处理计划时应予以考虑。,5.4 自然风压的影响因素和控制与利用,5.4.2 矿井自然风压的控制与利用（1）abbcefa系统：（2）dbbcedb系统：，图5-7 自然风压使风流反向示意图（a、b）,图5-7a是某矿因自然风压使风流反向示意图。该矿为抽出式通风，冬季ab平硐和db竖井进风，Qab=2000m3/min，夏季平硐自然风压作用方向与主要通风机的相反，平硐风流反向，出风量=300m3/min。如果要防止平硐ab风流反向，需要确定以下有关条件和采取预防措施。如图5-7b所示，对出风井来说夏季存在两个系统自然风压。,自然风压与主要通风机作用方向相反，相当于在平硐口a和进风竖井口d各安装一台抽风机（向外）。设ab风流停滞，对回路abdefa和abbcefa可分别列出压力平衡方程：,方程组中两式相除，得ab段风流停滞条件式,ab段风流反向。根据该式，可采用下列措施防止ab段风流反向：1）加大RD；2）增大Hs；3）在a点安装风机向巷道压风。,