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第四章 通风动力
矿井中的空气之所以能在巷道中运动而形成风流，是由于风流的起末点间存在着能量差。这种能量差的产生，若是由通风机提供的，则称为机械风压；若是由矿井自然条件产生的，则称为自然风压。机械风压和自然风压都是矿井通风的动力，用以克服矿井的通风阻力，促使空气流动。但自然风压一般较小且不稳定，难以满足矿井通风的要求，因此我国《煤矿安全规程》第121条规定：矿井必须采用机械通风。故我国煤矿已普遍使用主要通风机进行机械通风，使矿井通风条件得到了根本保证和改善。
第一节 自然风压
一、自然风压及其形成和计算 1、自然风压与自然通风
图4-1-1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，则通风系统可极为一个闭合的回路。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流人，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4-1-1 简化矿井通风系统
2、自然风压的计算
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4-1-1所示系统的自然风压HN可用下式计算：
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HN???1gdz???2gdz （4-1-1）
0325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；
?1、?2——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（4-1-1）计算自然风压较为困难。为了简化计算，一般采用测算出的0-1-2和5-4-3井巷中空气密度的平均值?m1和?m2分别代替式（4-1-1）中的?1和?2，则式（4-1-1）可写为：
HN?Zg??m1??m2? （4-1-2）
二、自然风压的变化规律及其影响因素 1、自然风压的变化规律
自然风压的大小和方向，主要受地面空气温度变化的影响。根据实测资料可知，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随季节发生周期性的变化。例如在冬季，地面气温很低，空气柱1-2比空气柱5-3重，风流由1流向2，经出风井3-5排至地面；夏季，地面气温高于井筒3-5内的平均气温，使风流由2—1排出。而在春秋季节，地面气温与井筒内空气柱的平均气温相差不大，自然风压很小，因此，将造成井下风流的停滞现象。在一些山区，由于地面气温在一昼夜之内也有较大变化，所以自然风压也会随之发生变化，夜晚，1-2段进风；午间，2-1段出风。
图4-1-2和图4-1-3所示分别为浅井和位于我国北部地区的深井自然风压随季节变化的情形。由图可以看出，对于浅井，夏季的自然风压出现负值，而对于我国北部地区的一些深井，全年的自然风压都为正值。
图4-1-2 浅井自然风压示意图 图4-1-3 深井自然风压示意图
2、自然风压的影响因素
由式（4-1-1）可见，影响自然风压的决定性因素是两侧空气柱的密度差，而空气密度除了受温度T的影响，还受大气压力P、气体常数R和相对湿度?等因素影响。因此，影响自然风压的因素可用下式表示：
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HN?f??Z??f????T,P,R,??Z??
（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。
（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（4-1-2）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。如淮南潘一矿及浙江长广一号井在建井期间改变通风系统时都曾遇到这个问题。
三、自然风压的控制和利用
自然风压既可作为矿井通风的动力，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。
图4-1-4是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-No28，冬季AB平硐和BD立井进风，QAB?2000m3min，夏季平硐自然风压作用方向与主要通风机相反，干硐风流反向，出风量Q??300m3min，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4-1-4（b）所示，对出风井来说夏季存在两个系统自然风压。
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