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    1 自然风压理论基础

    自然风压是由于进回风两侧空气柱质量不同而产生的压差。空气柱质量的大小又取决于空气柱的温度和高度。所以,只要存在标高差和气温差的井下连通巷道之间必然存在自然风压。当矿井自然风压的方向与主要通风机风压一致时,矿井自然风压帮助主要通风机通风；当矿井自然风压的方向与主要通风机风压不一致时,矿井自然风压就成为主要通风机的通风阻力,从而降低风机的通风能力。

    1.1自然风压与自然通风

    图1为一个简化的矿井通风系统，2-3为水平巷道，0-5为通过系统最高点的水平线。如果把地表大气视为断面无限大，风阻为零的假想风路，则通风系统可视为一个闭合的回路。在冬季，由于空气柱0-1-2比5-4-3的平均温度较低，平均空气密度较大，导致两空气柱作用在2-3水平面上的重力不等。其重力之差就是该系统的自然风压。它使空气源源不断地从井口1流入，从井口5流出。在夏季时，若空气柱5-4-3比0-1-2温度低，平均密度大，则系统产生的自然风压方向与冬季相反。地面空气从井口5流入，从井口1流出。这种由自然因素作用而形成的通风叫自然通风。

图1 简化矿井通风系统

    由上述例子可见，在一个有高差的闭合回路中，只要两侧有高差巷道中空气的温度或密度不等，则该回路就会产生自然风压。根据自然风压定义，图1所示系统的自然风压HN可用下式计算：                                     

                                     (1)

    式中  Z—矿井最高点至最低水平间的距离，m；

      g—重力加速度，m/s2；

      ρ1、ρ2—分别为0-1-2和5-4-3井巷中dZ段空气密度，kg/m3。

    由于空气密度受多种因素影响，与高度Z成复杂的函数关系。因此利用式 (1)计算自然风压较为困难。为了简化计算，一般采用测算出0-1-2和5-4-3井巷中空气密度的平均值ρm1和ρm2，用其分别代替式(1)中的ρ1和ρ2，则(1)可写为：

                                                         (2)
    1.2 自然风压的影响因素及变化规律

    （1）自然风压影响因素

    由式(1)可见，自然风压的影响因素可用下式表示：

        　　 HN=f(ρZ）=f[ρ(T,P,R,φ) Z]                                     (3)

    影响自然风压的决定性因素是两侧空气柱的密度差，而影响空气密度又由温度T、大气压力P、气体常数R和相对湿度φ等因素影响。

    1、矿井某一回路中两侧空气柱的温差是影响HN的主要因素。影响气温差的主要因素是地面入风气温和风流与围岩的热交换。其影响程度随矿井的开拓方式、采深、地形和地理位置的不同而有所不同。大陆性气候的山区浅井，自然风压大小和方向受地面气温影响较为明显；一年四季，甚至昼夜之间都有明显变化。由于风流与围岩的热交换作用使机械通风的回风井中一年四季中气温变化不大，而地面进风井中气温则随季节变化，两者综合作用的结果，导致一年中自然风压发生周期性的变化。图2曲线1所示为某机械通风浅井自然风压变化规律示意图。对于深井，其自然风压受围岩热交换影响比浅井显著，一年四季的变化较小，有的可能不会出现负的自然风压，如图2曲线2所示。

图2

    2、空气成分和湿度影响空气的密度，因而对自然风压也有一定影响，但影响较小。

    3、井深。由式(2)可见，当两侧空气柱温差一定时，自然风压与矿井或回路最高与最低点（水平）间的高差Z成正比。

    4、主要通风机工作对自然风压的大小和方向也有一定影响。因为矿井主要通风机工作决定了主风流的方向，加之风流与围岩的热交换，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以后，即使风机停转或通风系统改变，这两个井筒之间在一定时期内仍有一定的气温差，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其明显。

    1.3自然风压的控制和利用

    自然风压既是矿井通风的动力，也可能是事故的肇因。因此，研究自然风压的控制和利用具有重要意义。

    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，可采用减小叶片角度或转速方法降低机械风压。

    3、在多井口通风的山区，尤其在高瓦斯矿井，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。

    例1：图3(a)是四川某矿因自然风压使风流反向示意图。该矿为抽出式通风，风机型号为BY-2-№28，冬季ab平硐和bd立井进风，Qab=2000m3/min，夏季平硐自然风压作用方向与主要通风机相反，平硐风流反向，出风量Q’=300m3/min，反向风流把平硐某处涌出的瓦斯带至硐口的给煤机附近，因电火花引起瓦斯爆炸。下面就此例分析平硐ab风流反向的条件及其预防措施。如图3(b)所示，对出风井来说夏季存在两个系统自然风压。   

图3 自然风压使风流反向示意图

    abb’cefa系统的自然风压为                          (4)

    dbb’ced系统的自然风压为                          (5)
 
    式中 rcb’、raf、和rbe分别为cb’、af和be空气柱的平均密度，kg/m3.

    自然风压与主要通风机作用方向相反，相当于在平硐口a和进风立井口d各安装一台抽风机（向外）。设ab风流停滞，对回路abdefa和abb’cefa可分别列出压力平衡方程：                                       

                                 (6)

    式中  HS—风机静压，Pa；

       Q—dbb’c风路风量，m3/s;

   Rd、Rc—分别为db和bb’c分支风阻，N·s2/m8。

      方程组(6)中两式相除，得                 

                              (7)

    此即ab段风流停滞条件式。

    当上式变为    

                               (8)

    则ab段风流反向。根据式(8)，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。

    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的自然风压和风阻，以便在适当的时候采取相应的措施。

    4、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。

    5、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。

    2 Ventsim高级版的自然通风

    2.1自然风压模拟

    Ventsim高级版将温度、压力、自然通风可变性等因素都考虑进热量模拟过程中。由于它使用恒稳态风流模拟，可以将预先模拟的外部空气平均密度使用在随后的模拟中来计算自然风压。因此，至少要进行两次模拟。当自然风压与矿井风压达到平衡时，可以对矿井部分区域的不稳定气流进行模拟，如风流在移动过程中不明原因的风流减少或反向，从而由于柴油机烟雾扩散污染整个矿井。这通常是由于自然风压的作用使污染物通过该风路从而污染风流。如果在某一范围内气流不稳定，通过模拟，可以考虑是否需要改变通风线路以降低自然通风对气流变化的影响。

    2.2Ventsim系统自然风压计算

    Ventsim系统中的自然通风与以前使用的有点不同。通常计算自然风压是以一个闭合回路中由于存在温度或密度的差别，从而引起自然风压，进而影响风机运行效果。同样，在Ventsim系统的模拟中，如果将所有自然风压值加在一起也会对风机运行起到推动或阻碍的影响。但是，由于三维仿真模拟时，每个巷道出入口都不相同，Ventsim系统一般不计算总的自然风压。但是可以通过数据查看选项来查看各个巷道的自然风压。

    Ventsim系统自然风压计算公式非常简单。

       P=dρⅹgⅹh                                          （9）

    公式中    P——自然风压，Pa

      dρ——矿井内部与外部空气平均密度差kg/m3

      g——重力 9.81m/s

      h——巷道高程差 m

    由于系统会对每条巷道进行自然风压计算，因此计算方法与以前有所不同。当系统计算某一条巷道时，首先需要假设一条同标高的巷道，从而得出矿井内部与外部空气的平均密度差。矿井外部空气密度是以设置中的地表湿空气温度与大气压力而计算出来的，而且随着巷道高程的变化而改变。矿井空气密度均在模拟中计算，内部空气密度即巷道风流密度，通过数据显示或颜色菜单管理器可以查看到。
 
    自然通风对一些矿井具有很大的影响，但由于没有精确的模拟而不能很好的理解与预测。Ventsim系统中的自然通风模拟工具可以对矿井的自然通风状况进行模拟，从而查找出一些问题。可以从数据查看菜单或颜色管理菜单选择压力>NVP查看自然通风压力模拟结果。