畢作枝

(河北理工大學(xué),河北唐山063009)

摘　要:通過某礦的反風(fēng)演習(xí),分析了自然風(fēng)壓對(duì)具有多風(fēng)井多水平通風(fēng)礦井反風(fēng)的影響,給出計(jì)算主要井巷風(fēng)流能否反向條件的數(shù)學(xué)模型,并提出了每年的反風(fēng)演習(xí)應(yīng)安排在不同月份進(jìn)行和采用模擬計(jì)算法預(yù)測礦井反風(fēng)效果的建議。

關(guān)鍵詞:自然風(fēng)壓;礦井反風(fēng);礦井火災(zāi);對(duì)策建議

中圖分類號(hào):TD724　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B　　　文章編號(hào):1003-496X(2006)03-0057-03

　　礦井反風(fēng)技術(shù)是指當(dāng)井下發(fā)生火災(zāi)時(shí),利用預(yù)設(shè)的反風(fēng)設(shè)施,人為地改變火災(zāi)煙流方向而采取的通風(fēng)措施。其目的是限制災(zāi)區(qū)范圍擴(kuò)大,保護(hù)受煙流威脅的人員安全撤退,減少人員傷亡。反風(fēng)演習(xí)是考察災(zāi)變時(shí)期礦井反風(fēng)效果,鍛煉與檢驗(yàn)反風(fēng)組織指揮管理人員、機(jī)電與通風(fēng)技術(shù)人員、主要通風(fēng)機(jī)司機(jī)等有關(guān)人員的基本技能以及通風(fēng)設(shè)施反風(fēng)性能的重要手段。因此,《煤礦安全規(guī)程》、《礦井反風(fēng)技術(shù)規(guī)定》、《煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核評(píng)級(jí)辦法》等都做了“礦井每年應(yīng)進(jìn)行一次反風(fēng)演習(xí)”的規(guī)定。

自然風(fēng)壓是由于進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)空氣柱質(zhì)量不同而產(chǎn)生的壓差?？諝庵|(zhì)量的大小又取決于空氣柱的溫度和高度。所以,只要存在標(biāo)高差和氣溫差的井下連通巷道之間必然存在自然風(fēng)壓。當(dāng)?shù)V井自然風(fēng)壓的方向與主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓一致時(shí),礦井自然風(fēng)壓幫助主要通風(fēng)機(jī)通風(fēng);當(dāng)?shù)V井自然風(fēng)壓的方向與主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓不一致時(shí),礦井自然風(fēng)壓就成為主要通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)阻力,從而降低風(fēng)機(jī)的通風(fēng)能力。本文所述的“多風(fēng)井多水平通風(fēng)礦井”是指具有多個(gè)連通地表大氣的通風(fēng)井口和多個(gè)通風(fēng)水平的礦山。這樣的礦山不僅在整個(gè)礦井的總進(jìn)風(fēng)井口和總回風(fēng)井口之間存在著整個(gè)礦井的綜合自然風(fēng)壓,即礦井自然風(fēng)壓,而且在礦井內(nèi)部的各個(gè)不同閉合風(fēng)路中還存在著網(wǎng)孔自然風(fēng)壓,特別是不同通風(fēng)井之間由于井口都直通地表大氣而形成閉合的網(wǎng)孔,所以也存在著網(wǎng)孔自然風(fēng)壓。

1　問題的提出

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

1.1　礦井通風(fēng)系統(tǒng)

該礦當(dāng)時(shí)共有3個(gè)通風(fēng)水平:總回風(fēng)水平,標(biāo)高-121 m;一水平(生產(chǎn)水平),標(biāo)高-310 m;二水平(生產(chǎn)準(zhǔn)備水平),標(biāo)高-490 m。共有3個(gè)進(jìn)風(fēng)井:副井和對(duì)角進(jìn)風(fēng)井,至一水平;新進(jìn)(綜合提升井),至二水平。共有2個(gè)回風(fēng)井:中央邊界回風(fēng)井,至總回風(fēng)水平;對(duì)角回風(fēng)井,至一水平。通風(fēng)方式為中央邊界與中央對(duì)角混合抽出式,屬于多風(fēng)井多水平通風(fēng)礦井,其通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

1.2　礦井反風(fēng)演習(xí)概況

該礦進(jìn)行的這4次反風(fēng)演習(xí),均采用中央主要通風(fēng)機(jī)單臺(tái)反風(fēng)的反風(fēng)方式(停對(duì)角風(fēng)機(jī)),反風(fēng)方法都是利用風(fēng)機(jī)反風(fēng)道進(jìn)行反風(fēng)。4次反風(fēng)演習(xí)時(shí)的地面大氣溫度、風(fēng)機(jī)的反風(fēng)壓力,以及反風(fēng)時(shí)井下主要井巷的風(fēng)流狀況如表1所示。

　　由上述反風(fēng)演習(xí)看出,在春、秋季節(jié)(地面氣溫高于15℃),全礦主要井巷風(fēng)流能夠全部反向;在冬季(氣溫低于3℃),新井及二水平巷道風(fēng)流不能實(shí)現(xiàn)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(fā)生火災(zāi)時(shí),是不能采用上述反風(fēng)方式和反風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行反風(fēng)處理的。

2　原因及條件分析由上述反風(fēng)概況可知,該礦所進(jìn)行的4次反風(fēng)演習(xí),其反風(fēng)方式、反風(fēng)方法和反風(fēng)風(fēng)機(jī)都是相同的,反風(fēng)系統(tǒng)也是相近的,所不同的只是進(jìn)行反風(fēng)時(shí)所處的季節(jié)不同。第1次是在冬季,當(dāng)時(shí)的地面大氣溫度為3.1℃;第2次是在春季,當(dāng)時(shí)的地面大氣溫度為15.1℃;第3次和第四次是在初秋季節(jié),當(dāng)時(shí)的地面大氣溫度為20℃左右。這說明,該礦所進(jìn)行的四次反風(fēng)演習(xí)除當(dāng)時(shí)的地面大氣溫度不同外,其他條件和相關(guān)因素都是相同的。

根據(jù)前文所述,任何礦井只要其內(nèi)部相互連通的風(fēng)路有標(biāo)高差和氣溫差,就存在自然風(fēng)壓。而且,自然風(fēng)壓的大小是與井巷的標(biāo)高差和其內(nèi)部風(fēng)流的氣溫差成正比的。因該礦所進(jìn)行的4次反風(fēng)演習(xí)采用的是同一反風(fēng)系統(tǒng),所有井巷的標(biāo)高差在4次反風(fēng)演習(xí)時(shí)是基本相同的。所以可以肯定,造成該礦不同季節(jié)反風(fēng)效果不同的根本原因就是礦井自然風(fēng)壓,而且在冬季該礦井的自然風(fēng)壓較大且方向與反風(fēng)主要通風(fēng)機(jī)的反風(fēng)風(fēng)壓方向相反,成為反風(fēng)阻力,使反風(fēng)主要通風(fēng)機(jī)反風(fēng)能力降低,導(dǎo)致新井及二水平巷道風(fēng)流不能反向。下面就對(duì)該礦反風(fēng)時(shí)部分井巷風(fēng)流出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)的具體原因和條件做進(jìn)一步分析。根據(jù)該礦反風(fēng)系統(tǒng)和冬季反風(fēng)狀況,可劃出如圖2所示的礦井反風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。

圖2　礦井反風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

　　在網(wǎng)孔1—新井—2—3—副井—1中,其網(wǎng)孔自然風(fēng)壓(h網(wǎng)自)方向如圖2所示,其關(guān)系式為:h網(wǎng)自=h1—副—3+h1—新—3,據(jù)此可得到該礦反風(fēng)時(shí)新井及二水平巷道風(fēng)流不能反向的關(guān)系式,即條件模型如下:

h網(wǎng)自>h1—新—3,h主反-h礦自外阻h網(wǎng)自/(h主反-h礦自)—新—3/h外阻

式中　h網(wǎng)自———1—2—3—1網(wǎng)孔自然風(fēng)壓;　h礦自———礦井自然風(fēng)壓;

　h主反———礦井反風(fēng)主要通風(fēng)機(jī)反風(fēng)風(fēng)壓;　h外阻———1—2—3—1網(wǎng)孔外部的礦井通風(fēng)阻力;

h1—副—3———1—副井—3風(fēng)路的通風(fēng)阻力;　　h1—新—3———1—新井—3風(fēng)路的通風(fēng)阻力。

在冬季,由于自然風(fēng)壓(h礦自、h網(wǎng)自)較大,加之僅利用中央主要通風(fēng)機(jī)單獨(dú)反風(fēng),能力較小,風(fēng)壓(h主反)較低,使上述條件得以滿足,導(dǎo)致反風(fēng)時(shí)其新井(1—2風(fēng)路)和二水平巷道(2—3、2—9風(fēng)路)風(fēng)流不能反向。

3　對(duì)策建議

通過該礦的反風(fēng)演習(xí)和分析可知,自然風(fēng)壓對(duì)像該礦這樣的具有多風(fēng)井多水平通風(fēng)礦井的反風(fēng)的影響是比較大和比較復(fù)雜的,不同季節(jié)因地面大氣溫度不同,自然風(fēng)壓對(duì)礦井反風(fēng)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(fā)生火災(zāi),就絕對(duì)不能用前述反風(fēng)方式和反風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)來處理火災(zāi),否則將會(huì)造成失誤,反而使事故擴(kuò)大。

因此,根據(jù)該礦的反風(fēng)演習(xí)結(jié)果和對(duì)反風(fēng)出現(xiàn)不同結(jié)果的原因、條件分析,筆者對(duì)礦井反風(fēng)提出以下建議。

3.1　礦井反風(fēng)演習(xí)每年應(yīng)安排在不同月份進(jìn)行類似該礦通風(fēng)系統(tǒng)和反風(fēng)系統(tǒng)的礦井除按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行不同反風(fēng)方式的反風(fēng)演習(xí)外,對(duì)于一年四季地面大氣溫差較大的礦井,反風(fēng)演習(xí)的時(shí)間每年還應(yīng)安排在不同季節(jié)不同月份進(jìn)行。只有這樣才能確切地掌握不同季節(jié)自然風(fēng)壓對(duì)礦井反風(fēng)的影響程度和礦井反風(fēng)效果,以便為不同季節(jié)準(zhǔn)確采取礦井火災(zāi)應(yīng)變對(duì)策提供可靠依據(jù)。例如,該礦的反風(fēng)演習(xí)實(shí)踐只證明了利用上述反風(fēng)方式和反風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)?shù)孛鏆鉁卦?st1:chmetcnv w:st="on" TCSC="0" NumberType="1" Negative="False" HasSpace="False" SourceValue="15" UnitName="℃">15℃以上時(shí)能實(shí)現(xiàn)全礦主要井巷風(fēng)流反向;在3℃以下時(shí)新井及二水平巷道風(fēng)流不能反向;但在地面氣溫為3~15℃的時(shí)期內(nèi)礦井反風(fēng)效果如何、能否實(shí)現(xiàn)全礦主要井巷風(fēng)流反向則不能確定。

因此,如果把每年的礦井反風(fēng)演習(xí)都安排在同一月份進(jìn)行,其作用只能是檢驗(yàn)反風(fēng)設(shè)施效果和鍛煉、檢驗(yàn)礦井反風(fēng)組織指揮能力和操作技能,而不能檢驗(yàn)不同季節(jié)自然風(fēng)壓對(duì)礦井反風(fēng)的影響程度。比如該礦,如果以后每年的礦井反風(fēng)演習(xí)仍然安排在2月份、5月份或10月份進(jìn)行,其指導(dǎo)意義就不如安排在其他月份進(jìn)行更大,或者準(zhǔn)確地說,應(yīng)安排在地面氣溫為3~15℃的其他時(shí)期內(nèi)進(jìn)行更有意義。所以,對(duì)于煤礦企業(yè),如果想通過礦井反風(fēng)演習(xí)獲取制定處理礦井火災(zāi)措施的依據(jù),僅僅按《煤礦安全規(guī)程》、《礦井反風(fēng)技術(shù)規(guī)定》和《礦井防火規(guī)范》等規(guī)定的“每年進(jìn)行一次反風(fēng)演習(xí)”是不夠的還應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)匾荒晁募镜孛娲髿鉁囟鹊淖兓闆r,合理安排礦井反風(fēng)演習(xí)的時(shí)間。

3.2　采用模擬計(jì)算法對(duì)礦井反風(fēng)效果進(jìn)行預(yù)測由于礦井生產(chǎn)特點(diǎn)和經(jīng)營管理的需要,礦山企業(yè)一般習(xí)慣于將反風(fēng)演習(xí)安排在春節(jié)、“五一”和“十一”長假期間,以減少反風(fēng)演習(xí)對(duì)生產(chǎn)和勞動(dòng)組織管理的影響。此外,礦井反風(fēng)是處理礦井火災(zāi)的通風(fēng)措施,井下一旦發(fā)生火災(zāi),其火災(zāi)煙流的氣溫會(huì)大大高于正常風(fēng)流的氣溫,而礦井反風(fēng)演習(xí)只是在正常井巷風(fēng)流氣溫下進(jìn)行的,可以推測這時(shí)的自然風(fēng)壓是遠(yuǎn)低于火災(zāi)發(fā)生時(shí)的自然風(fēng)壓的。所以,從這個(gè)意義說,僅用反風(fēng)演習(xí)的反風(fēng)結(jié)果作為制定處理礦井火災(zāi)技術(shù)措施的依據(jù)就有很大的局限性。鑒于此,筆者建議采用模擬計(jì)算法來預(yù)測反風(fēng)效果。從原因、條件分析可知,對(duì)任何礦井依據(jù)其反風(fēng)方式和反風(fēng)系統(tǒng)都可以繪制出像該礦這樣的反風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖,進(jìn)而建立與該礦相類似的數(shù)學(xué)模型,即h網(wǎng)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(fēng)壓與地面氣溫和井巷風(fēng)流氣溫相關(guān)外,其他參數(shù)均可通過平時(shí)觀測或?qū)ｉT進(jìn)行通風(fēng)測定獲得,火災(zāi)煙流氣溫也有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或通過試驗(yàn)獲得。因此,可以任意假設(shè)礦井火災(zāi)發(fā)生的不同地點(diǎn)和不同時(shí)間(地表氣溫不同),運(yùn)用該數(shù)學(xué)模型通過計(jì)算預(yù)測出相應(yīng)的反風(fēng)效果。運(yùn)用該方法,還可以預(yù)測不同反風(fēng)方式和不同反風(fēng)系統(tǒng)的反風(fēng)效果(這時(shí)的反風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖和數(shù)學(xué)模型要隨之改變)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)展和普及的今天,運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行這樣的模擬計(jì)算是非常容易、方便和迅速的。所以,如果某礦進(jìn)行反風(fēng)演習(xí)的目的只是為了解反風(fēng)效果,那么采用模擬計(jì)算法是最為合適的。

總之,各煤礦應(yīng)按《煤礦安全規(guī)程》等安全法規(guī)的規(guī)定堅(jiān)持做好每年一次的礦井反風(fēng)演習(xí),以達(dá)到檢驗(yàn)反風(fēng)設(shè)備設(shè)施效果和能力、鍛煉和檢驗(yàn)管理及技術(shù)人員組織指揮礦井反風(fēng)和操作人員反風(fēng)操作基本技能的目的;對(duì)于北方一年四季地面大氣溫差較大的煤礦,還應(yīng)盡量將每年的反風(fēng)演習(xí)安排在不同季節(jié)、不同月份進(jìn)行。此外,還應(yīng)在平時(shí)注意測取和積累相關(guān)的通風(fēng)參數(shù),采用模擬計(jì)算法,以達(dá)到預(yù)測不同時(shí)期、井下不同地點(diǎn)發(fā)生礦井火災(zāi)以及利用不同反風(fēng)方式、不同反風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)效果的目的。

　　作者簡介:畢作枝(1957-),男,工學(xué)學(xué)士,工商管理碩士,高級(jí)工程師,副教授,曾在煤礦從事過10多年的通風(fēng)安全技術(shù)和管理工作,現(xiàn)為河北理工大學(xué)副教授,碩士研究生導(dǎo)師。