[发明专利]深水平矿井自然风压重点影响区域判定方法

权利要求书

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；

a1只有自然风压作用下单回路形式

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；

a2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，令有：

整理(1.1)有：

比较式(1.4)和式(1.6)，两者有相同的形式；

为了便于分析，重写式(1.6)得：

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)Q_f≤-2M，

根据对以上六种情况具体分析，可以得出：当Q_f和Q_N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；

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；

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；

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；

b2进行数据处理

b21确定巷道断面积

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，

b22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；

b23测点速压

H_V＝ρV²/2Pa (2.3)

b24测点间风量

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，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，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，则通过两测点间巷道的风量取前一测点的风量，即：Q＝Q₁；

b25两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+1的空气密度，kg/m³；

b26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；

b3分析自然风压敏感性

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，自然风压影响大的区域分布在机械动力消耗小的巷道，能反映机械动力消耗程度的参数有通风阻力、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，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；

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；

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：

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，

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|；

分析H_N变化时，矿井通风系统中相关分支风量变化规律。