淺議自然風壓對多風井多水平通風礦井反風的影響

畢作枝

(河北理工大學,河北唐山063009)

摘　要:通過某礦的反風演習,分析了自然風壓對具有多風井多水平通風礦井反風的影響,給出計算主要井巷風流能否反向條件的數學模型,并提出了每年的反風演習應安排在不同月份進行和采用模擬計算法預測礦井反風效果的建議。

關鍵詞:自然風壓;礦井反風;礦井火災;對策建議

中圖分類號:TD724　　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)03-0057-03

　　礦井反風技術是指當井下發生火災時,利用預設的反風設施,人為地改變火災煙流方向而采取的通風措施。其目的是限制災區范圍擴大,保護受煙流威脅的人員安全撤退,減少人員傷亡。反風演習是考察災變時期礦井反風效果,鍛煉與檢驗反風組織指揮管理人員、機電與通風技術人員、主要通風機司機等有關人員的基本技能以及通風設施反風性能的重要手段。因此,《煤礦安全規程》、《礦井反風技術規定》、《煤礦安全質量標準化標準及考核評級辦法》等都做了“礦井每年應進行一次反風演習”的規定。

自然風壓是由于進回風兩側空氣柱質量不同而產生的壓差?？諝庵|量的大小又取決于空氣柱的溫度和高度。所以,只要存在標高差和氣溫差的井下連通巷道之間必然存在自然風壓。當礦井自然風壓的方向與主要通風機風壓一致時,礦井自然風壓幫助主要通風機通風;當礦井自然風壓的方向與主要通風機風壓不一致時,礦井自然風壓就成為主要通風機的通風阻力,從而降低風機的通風能力。本文所述的“多風井多水平通風礦井”是指具有多個連通地表大氣的通風井口和多個通風水平的礦山。這樣的礦山不僅在整個礦井的總進風井口和總回風井口之間存在著整個礦井的綜合自然風壓,即礦井自然風壓,而且在礦井內部的各個不同閉合風路中還存在著網孔自然風壓,特別是不同通風井之間由于井口都直通地表大氣而形成閉合的網孔,所以也存在著網孔自然風壓。

1　問題的提出

筆者在某煤礦工作期間,因從事礦井通風與安全技術管理工作,參與了該礦的4次反風演習。從反風效果看,這4次反風演習雖然采用的都是同一反風方式和反風方法,而且反風系統也相差不大,但由于反風演習所處的季節不同,反風效果也有很大差異。尤其是在冬季的反風演習中,出現了某些主要巷道和井筒風流逆轉(風流不能反向)的現象。

1.1　礦井通風系統

該礦當時共有3個通風水平:總回風水平,標高-121 m;一水平(生產水平),標高-310 m;二水平(生產準備水平),標高-490 m。共有3個進風井:副井和對角進風井,至一水平;新進(綜合提升井),至二水平。共有2個回風井:中央邊界回風井,至總回風水平;對角回風井,至一水平。通風方式為中央邊界與中央對角混合抽出式,屬于多風井多水平通風礦井,其通風系統如圖1所示。

圖1　礦井通風系統示意圖

1.2　礦井反風演習概況

該礦進行的這4次反風演習,均采用中央主要通風機單臺反風的反風方式(停對角風機),反風方法都是利用風機反風道進行反風。4次反風演習時的地面大氣溫度、風機的反風壓力,以及反風時井下主要井巷的風流狀況如表1所示。

　　由上述反風演習看出,在春、秋季節(地面氣溫高于15℃),全礦主要井巷風流能夠全部反向;在冬季(氣溫低于3℃),新井及二水平巷道風流不能實現反向。這就說明,在冬季一旦新井及其井底車場或二水平巷道發生火災時,是不能采用上述反風方式和反風系統進行反風處理的。

2　原因及條件分析由上述反風概況可知,該礦所進行的4次反風演習,其反風方式、反風方法和反風風機都是相同的,反風系統也是相近的,所不同的只是進行反風時所處的季節不同。第1次是在冬季,當時的地面大氣溫度為3.1℃;第2次是在春季,當時的地面大氣溫度為15.1℃;第3次和第四次是在初秋季節,當時的地面大氣溫度為20℃左右。這說明,該礦所進行的四次反風演習除當時的地面大氣溫度不同外,其他條件和相關因素都是相同的。

根據前文所述,任何礦井只要其內部相互連通的風路有標高差和氣溫差,就存在自然風壓。而且,自然風壓的大小是與井巷的標高差和其內部風流的氣溫差成正比的。因該礦所進行的4次反風演習采用的是同一反風系統,所有井巷的標高差在4次反風演習時是基本相同的。所以可以肯定,造成該礦不同季節反風效果不同的根本原因就是礦井自然風壓,而且在冬季該礦井的自然風壓較大且方向與反風主要通風機的反風風壓方向相反,成為反風阻力,使反風主要通風機反風能力降低,導致新井及二水平巷道風流不能反向。下面就對該礦反風時部分井巷風流出現逆轉的具體原因和條件做進一步分析。根據該礦反風系統和冬季反風狀況,可劃出如圖2所示的礦井反風系統網絡圖。

圖2　礦井反風系統網絡圖

　　在網孔1—新井—2—3—副井—1中,其網孔自然風壓(h網自)方向如圖2所示,其關系式為:h網自=h1—副—3+h1—新—3,據此可得到該礦反風時新井及二水平巷道風流不能反向的關系式,即條件模型如下:

h網自>h1—新—3,h主反-h礦自外阻h網自/(h主反-h礦自)—新—3/h外阻

式中　h網自———1—2—3—1網孔自然風壓;　h礦自———礦井自然風壓;

　h主反———礦井反風主要通風機反風風壓;　h外阻———1—2—3—1網孔外部的礦井通風阻力;

h1—副—3———1—副井—3風路的通風阻力;　　h1—新—3———1—新井—3風路的通風阻力。

在冬季,由于自然風壓(h礦自、h網自)較大,加之僅利用中央主要通風機單獨反風,能力較小,風壓(h主反)較低,使上述條件得以滿足,導致反風時其新井(1—2風路)和二水平巷道(2—3、2—9風路)風流不能反向。

3　對策建議

通過該礦的反風演習和分析可知,自然風壓對像該礦這樣的具有多風井多水平通風礦井的反風的影響是比較大和比較復雜的,不同季節因地面大氣溫度不同,自然風壓對礦井反風的影響程度也不一樣。比如,該礦一旦在冬季新井井底車場附近發生火災,就絕對不能用前述反風方式和反風系統反風來處理火災,否則將會造成失誤,反而使事故擴大。

因此,根據該礦的反風演習結果和對反風出現不同結果的原因、條件分析,筆者對礦井反風提出以下建議。

3.1　礦井反風演習每年應安排在不同月份進行類似該礦通風系統和反風系統的礦井除按有關規定進行不同反風方式的反風演習外,對于一年四季地面大氣溫差較大的礦井,反風演習的時間每年還應安排在不同季節不同月份進行。只有這樣才能確切地掌握不同季節自然風壓對礦井反風的影響程度和礦井反風效果,以便為不同季節準確采取礦井火災應變對策提供可靠依據。例如,該礦的反風演習實踐只證明了利用上述反風方式和反風系統當地面氣溫在15℃以上時能實現全礦主要井巷風流反向;在3℃以下時新井及二水平巷道風流不能反向;但在地面氣溫為3~15℃的時期內礦井反風效果如何、能否實現全礦主要井巷風流反向則不能確定。

因此,如果把每年的礦井反風演習都安排在同一月份進行,其作用只能是檢驗反風設施效果和鍛煉、檢驗礦井反風組織指揮能力和操作技能,而不能檢驗不同季節自然風壓對礦井反風的影響程度。比如該礦,如果以后每年的礦井反風演習仍然安排在2月份、5月份或10月份進行,其指導意義就不如安排在其他月份進行更大,或者準確地說,應安排在地面氣溫為3~15℃的其他時期內進行更有意義。所以,對于煤礦企業,如果想通過礦井反風演習獲取制定處理礦井火災措施的依據,僅僅按《煤礦安全規程》、《礦井反風技術規定》和《礦井防火規范》等規定的“每年進行一次反風演習”是不夠的還應依據當地一年四季地面大氣溫度的變化情況,合理安排礦井反風演習的時間。

3.2　采用模擬計算法對礦井反風效果進行預測由于礦井生產特點和經營管理的需要,礦山企業一般習慣于將反風演習安排在春節、“五一”和“十一”長假期間,以減少反風演習對生產和勞動組織管理的影響。此外,礦井反風是處理礦井火災的通風措施,井下一旦發生火災,其火災煙流的氣溫會大大高于正常風流的氣溫,而礦井反風演習只是在正常井巷風流氣溫下進行的,可以推測這時的自然風壓是遠低于火災發生時的自然風壓的。所以,從這個意義說,僅用反風演習的反風結果作為制定處理礦井火災技術措施的依據就有很大的局限性。鑒于此,筆者建議采用模擬計算法來預測反風效果。從原因、條件分析可知,對任何礦井依據其反風方式和反風系統都可以繪制出像該礦這樣的反風系統網絡圖,進而建立與該礦相類似的數學模型,即h網自/(h主反-h礦自)>h1—新—3/ h外阻從模型中不難看出,除自然風壓與地面氣溫和井巷風流氣溫相關外,其他參數均可通過平時觀測或專門進行通風測定獲得,火災煙流氣溫也有經驗數據或通過試驗獲得。因此,可以任意假設礦井火災發生的不同地點和不同時間(地表氣溫不同),運用該數學模型通過計算預測出相應的反風效果。運用該方法,還可以預測不同反風方式和不同反風系統的反風效果(這時的反風網絡圖和數學模型要隨之改變)。在計算機技術高度發展和普及的今天,運用計算機進行這樣的模擬計算是非常容易、方便和迅速的。所以,如果某礦進行反風演習的目的只是為了解反風效果,那么采用模擬計算法是最為合適的。

總之,各煤礦應按《煤礦安全規程》等安全法規的規定堅持做好每年一次的礦井反風演習,以達到檢驗反風設備設施效果和能力、鍛煉和檢驗管理及技術人員組織指揮礦井反風和操作人員反風操作基本技能的目的;對于北方一年四季地面大氣溫差較大的煤礦,還應盡量將每年的反風演習安排在不同季節、不同月份進行。此外,還應在平時注意測取和積累相關的通風參數,采用模擬計算法,以達到預測不同時期、井下不同地點發生礦井火災以及利用不同反風方式、不同反風系統反風效果的目的。

　　作者簡介:畢作枝(1957-),男,工學學士,工商管理碩士,高級工程師,副教授,曾在煤礦從事過10多年的通風安全技術和管理工作,現為河北理工大學副教授,碩士研究生導師。