【正文】 壓力為P2，風筒出口處氣體壓力為Pa，上隅角氣體壓力為Pc。圖22 簡化的礦井通風系統(tǒng)意圖Figure 22 Simplified Mine Ventilation System Diagram因此，在短時間內(nèi)，不考慮季節(jié)因素對自然風壓的影響，只考慮晝夜間溫差對自然風壓的影響。一般情況下，在生產(chǎn)過程中刮板輸送機中有大量的煤炭，刮板輸送機口漏風風量比較?。欢诰S修時刮板輸送機停止運轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)，刮板輸送機口漏風比較大，此時應(yīng)加強對刮板輸送機口的封堵。假設(shè)采空區(qū)內(nèi)空氣壓力由初始壓力Pn0經(jīng)t時間到達Pn，可得微分方程： （218）式中 V——采空區(qū)的體積，m3； t——時間，h； qn——采空區(qū)內(nèi)氣體變化總量，m3/s； q——在注氮氣和瓦斯涌出的影響下，采空區(qū)的漏風風量，m3/s；Pn0——采空區(qū)內(nèi)氣體的初始壓力，Pa。假定經(jīng)過時間t后，采空區(qū)內(nèi)氣體壓力由Pn0變?yōu)镻n，若忽略因采空區(qū)內(nèi)溫度變化引起的氣體含量變化，則采空區(qū)內(nèi)氣體狀態(tài)變化可視為為等容積變化。因此，在采取均壓防滅火技術(shù)時，必須對采空區(qū)內(nèi)外壓差加強監(jiān)測并根據(jù)實際情況適時地進行調(diào)節(jié)，盡量把采空區(qū)單位面積的漏風風量控制在易燃風速區(qū)以外，使均壓系統(tǒng)達到穩(wěn)定的均壓效果。而且過去前人利用滲流力學理論研究的采空區(qū)內(nèi)氣體流動規(guī)律也是比較接近現(xiàn)實的，因此，采用滲流力學理論對采空區(qū)內(nèi)CO滲流規(guī)律進行研究是完全可行的。J——壓力梯度，m；，h為靜水壓頭，m；g——重力加速度，m/s2；d——介質(zhì)平均粒徑，m；n——孔隙度；u——比流量的模，u——比流量；——介質(zhì)顆粒形狀系數(shù)。分子擴散是分子隨機運動的結(jié)果，這種隨機運動，有一定的宏觀方向，各組元間，均由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)進行，即分子擴散向濃度減少方向進行。由于人們對于紊流中的漩渦運動認識尚不完全，于是仿照描述層流中分子擴散通量方程的形式，寫出紊流擴散通量方程。在一般情形下，機械彌散在總的彌散中是主要的，但流速很小時，分子擴散的作用將變得明顯。采空區(qū)內(nèi)按風流狀態(tài)劃分，一般可劃分為層流區(qū)、紊流區(qū)和過渡流區(qū)三種區(qū)域。定義多孔介質(zhì)這種特征的另一種方法就是要求有效孔隙空間內(nèi)的任意兩點可以用一條完全位于其中的曲線連接起來。圖23 等效風機曲線示意圖Figure 23 Equivalent Fan Curve Diagram 因此，可以通過增加或減小調(diào)節(jié)風窗開啟的面積來減小或增大上隅角氣體壓力，進而調(diào)節(jié)采空區(qū)內(nèi)外的壓差，使均壓系統(tǒng)保持良好的均壓效果。上下隅角堵漏不能阻止工作面向采空區(qū)內(nèi)大量漏風，此時必須配合有其它的防滅火技術(shù)措施。瓦斯涌出量較大時，可使進風側(cè)的內(nèi)外壓差減小，回風側(cè)的內(nèi)外壓差增大，致使新鮮空氣漏入火區(qū)的速度降低，污濁空氣漏出火區(qū)的速度增加。為了提高均壓系統(tǒng)的可靠性，可以采用自動化控制、閉鎖風門、風門遙訊等技術(shù)對風門實施控制。在冬季，地面氣溫很低，空氣柱OAB比空氣柱EDC平均溫度低，平均空氣密度大，導致BC水平面上的重力不等。 采空區(qū)外氣體壓力影響因素分析由于風壓在工作面呈線性分布，進風側(cè)（下隅角）比回風側(cè)（上隅角）的風壓高。在實際中，由于受地質(zhì)條件和礦山壓力的影響，密閉、防火墻、和煤柱經(jīng)常被壓壞形成裂隙，影響防滅火的效果。m2） m3/（minKJ7礦井監(jiān)控系統(tǒng)對井下通風系統(tǒng)各測點壓能、壓差，火區(qū)均壓系統(tǒng)的調(diào)壓氣室、調(diào)壓風機，自動風門，以及CO、COOCH溫度等環(huán)境參數(shù)實時自動監(jiān)測與調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了以風治火、惰化火區(qū)和火區(qū)下鄰近煤層的安全開采，減少了大氣壓、通風機工況點和風門開關(guān)等因素對均壓防滅火系統(tǒng)的脈動影響[24][25]；蔡永樂等人提出了均壓防滅火定量分析技術(shù)，并開發(fā)了與采空區(qū)相連兩個工作面間均壓的計算機模擬計算程序，該程序可以在較復(fù)雜條件下按實際要求進行恰當均壓的功能，提高了均壓防滅火的應(yīng)用的經(jīng)濟性、安全性和均壓效果[26]；遼寧工程技術(shù)大學的李舒伶等人建立了第一個采場均壓防滅火模型，從實驗得出的調(diào)壓幅度可以看出，火區(qū)的壓能大小和火區(qū)與火下工作面壓差大小，可以通過采空區(qū)（火區(qū)）邊界上的調(diào)壓設(shè)施進行控制，該模型配有各種與實際相對應(yīng)的調(diào)壓設(shè)施，因此可以定量顯示各種調(diào)風方法的效果[27]；中國礦業(yè)大學（北京）朱紅青等采用變頻器智能調(diào)節(jié)均壓風機（風窗）達到了自動控制風壓的目的，該技術(shù)彌補了傳統(tǒng)上均壓防滅火技術(shù)用手動控制風壓不能及時準確達到調(diào)節(jié)風壓平衡的缺陷，并研究了均壓區(qū)域兩端的氣壓差對均壓效果的影響，即調(diào)壓冗余度對均壓區(qū)域均壓效果的影響，確定了自動均壓系統(tǒng)的調(diào)壓冗余度[28]。 均壓防滅火技術(shù)研究現(xiàn)狀 均壓的概念是波蘭學者布德雷克1956年在分析和總結(jié)在井下各種條件下消除煤炭自燃的種種措施后而提出的。我國從20世紀80年代初期，開始對氮氣防滅火技術(shù)進行研究和實驗，直到1989年，撫順龍鳳礦首次使用井上氮氣廠生產(chǎn)的氮氣，通過管路輸送到綜放工作面采空區(qū)防止遺煤自燃取得成功，我國的氮氣防滅火工作才步入實施階段[14]。（2）預(yù)防性灌漿技術(shù)預(yù)防性灌漿在國內(nèi)煤礦中應(yīng)用很廣泛，它是將水和不燃性固體材料（粘土、粉煤灰等）按一定比例制成泥漿，利用動壓或靜壓，經(jīng)由鉆孔或輸漿管路輸送至礦井防滅火區(qū)域，以阻止煤炭氧化或撲滅已自燃的煤體。但由于該方法冒落高度大、采空區(qū)遺留殘煤多、漏風嚴重，使得礦井煤炭自燃火災(zāi)的嚴重性和危害性進一步升級[3] [4]。煤礦自燃火災(zāi)嚴重程度，根據(jù)井下位置不同表現(xiàn)也不同。泥漿的作用是：①將煤包裹起來，隔絕它與空氣的接觸；②固體物充填于浮煤和冒落的巖石縫隙之間形成再生頂板，增加了嚴密性，減少了漏風，對于厚煤層分層開采，有利于下分層的開采；③對于已經(jīng)自燃的煤炭有冷卻作用[8]。進入21世紀以來，由于制氮裝備和技術(shù)的不斷發(fā)展，氮氣防滅火技術(shù)作為綜放工作面防止煤炭自然發(fā)火的一項重要措施，已經(jīng)在國有重點煤礦獲得了廣泛的應(yīng)用。這些措施在實際應(yīng)用中均取得了良好的效果。（Research Contents and Method） 研究內(nèi)容（1）對均壓系統(tǒng)非穩(wěn)定性影響因素進行分析研究；（2）對采空區(qū)內(nèi)CO三維流動規(guī)律進行研究，建立采空區(qū)CO滲流的數(shù)學模型；（3）研究均壓條件下，采空區(qū)CO濃度場和壓力場的變化；（4）現(xiàn)場應(yīng)用均壓系統(tǒng)啟封來葉溝煤礦6201綜放工作面采空區(qū)火區(qū)。m2）時，都不會發(fā)生自燃火災(zāi)， m3/（min因此，只要在火區(qū)或采空區(qū)內(nèi)存在較大的漏風壓差，單純的采用堵漏風的方法來減少漏風是很難奏效的。因此，為保證采空區(qū)內(nèi)有害氣體不向工作面泄漏，可選擇風壓最低處（上隅角）作為均壓點，即只需要上隅角的氣體壓力等于采空區(qū)內(nèi)的氣體壓力就可以達到均壓的目的。其重力之差就是該系統(tǒng)的自然風壓，它使風流由井口A流入，從井口E流出；夏季，地面氣溫高于井筒內(nèi)的平均氣溫，空氣柱EDC比空氣柱OAB溫度低，平均密度大，則自然風壓方向與冬季相反，風流由井口E流入，從井口A流出。通過自動化控制和相互閉鎖，不僅能減少車輛通過對風門的損壞和維護工作量，方便運輸，而且增加了均壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，杜絕了風流短路現(xiàn)象，減少了事故隱患。由瓦斯涌出量而造成的壓力變化，在均壓系統(tǒng)運行一段時間后可達到某一穩(wěn)定值。（3）采空區(qū)火勢發(fā)展程度采空區(qū)火勢持續(xù)發(fā)展時，采空區(qū)內(nèi)氣體溫度逐漸上升，導致氣體壓力也隨之上升，其壓力上升的幅度與采空區(qū)的密閉程度有關(guān)。將公式（232）右邊的分子式上下同時乘以風量Q，則公式（232）可變?yōu)? （236）式中：hw——回風巷調(diào)節(jié)風窗內(nèi)外壓差，Pa。而且，除了特殊情形以外，任意這樣的兩點都可以用許多條曲線連接起來，其中任何兩條曲線之間都有一個很大的距離。前人的研究表明，采空區(qū)內(nèi)大約20%的區(qū)域為層流區(qū)，20%的區(qū)域為紊流區(qū)，60%的區(qū)域為過渡流區(qū)。顯然，機械彌散和分子擴散都會使示蹤物質(zhì)既沿平均流動方向擴展又沿垂直于平均流動的方向擴展。相對于流體整體運動，仿照菲克定律，三維紊流。 （1）菲克（Fick）定律[45]菲克定律是描述分子擴散的經(jīng)驗公式。對于大雷諾數(shù)下多孔介質(zhì)的流體流動，自1901年Forchimer提出大雷諾數(shù)下一維非線性滲流定律公式以來，很多學者提出各種各樣的非線性運動方程，其中內(nèi)容最具體、最具有代表性的而且適合各向異性介質(zhì)的是1965年Bachmat提出的非線性運動方程[41] （35）式中：E——滲透性系數(shù)張量，m2；，K為滲透系數(shù)張量。對于煤礦井下采空區(qū)，對照上述三條，認為：首先采空區(qū)是由氣體、煤巖固體巖塊和裂隙組成的；其次采空區(qū)煤巖塊之間的空隙相對整個采空區(qū)范圍是比較狹窄的；最后采空區(qū)煤巖塊之間空隙也是連通的，所以煤礦井下采空區(qū)具有滲流力學所描述的多孔介質(zhì)的特征。此時若采空區(qū)內(nèi)外壓差，不需要調(diào)節(jié)均壓系統(tǒng)；若采空區(qū)內(nèi)外壓差時，采空區(qū)漏風對遺煤自燃會產(chǎn)生較大的影響，必須對均壓系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)以降低采空區(qū)內(nèi)外的壓差。因此，采空區(qū)內(nèi)的氣體壓力和漏風風量與采空區(qū)火勢發(fā)展程度密切相關(guān)，測量采空區(qū)內(nèi)氣體壓力的變化也是分析采空區(qū)火勢發(fā)展趨勢的一個重要參考依據(jù)。根據(jù)流體力學中關(guān)于工程問題處理的假設(shè)，在一般工程條件下，即氣體壓強不大于20 MPa，溫度不低于253 K下，理想氣體狀態(tài)方程對于常用氣體準確適用，則采空區(qū)內(nèi)氣體的變化過程可視為等溫過程。進風巷密閉墻上的刮板輸送機口尺寸要合適，其大小要根據(jù)生產(chǎn)實際情況來決定，而且刮板輸送機口必須懸掛風簾。在一些山區(qū)，由于地面氣溫在一晝夜之內(nèi)也有較大變化，所以自然風壓也會隨之發(fā)生變化，夜晚，AB段進風；午間，BA段出風[32]。假設(shè)局部通風和調(diào)節(jié)風窗到工作面的距離相等；回風巷、進風巷和工作面中的風阻均勻分布，且單位長度巷道的風阻值與單位長度工作面的風阻值都為r；局部通風機的工況點不發(fā)生變化。根據(jù)煤礦井下實施均壓技術(shù)的區(qū)域是否封閉，均壓技術(shù)可以分為開區(qū)均壓和閉區(qū)均壓兩種類型。m2）[29]。在總結(jié)國內(nèi)外對均壓系統(tǒng)研究成果及成功應(yīng)用的經(jīng)驗后，首先，對均壓系統(tǒng)非穩(wěn)定性影響因素進行深入分析；其次，采用滲流力學理論研究采空區(qū)內(nèi)氣體的流動，建立采空區(qū)內(nèi)CO滲流的數(shù)學模型，并應(yīng)用FLUENT軟件對6201綜放工作面采空區(qū)的CO滲流流場進行數(shù)值模擬，得出滲流區(qū)域的CO濃度分布和壓力分布；最后，以內(nèi)蒙古特弘集團來葉溝煤礦為例，應(yīng)用局部通風機—調(diào)節(jié)風窗均壓系統(tǒng)，成功啟封了來葉溝煤礦6