【文章內(nèi)容簡介】 （22）為了減少采空區(qū)或火區(qū)漏風(fēng)，使Q→0，只能通過兩種途徑：一是使火區(qū)或采空區(qū)的漏風(fēng)阻力越大越好，最好是使R→∞；二是盡量減小火區(qū)或采空區(qū)周圍密閉、防火墻、隔離煤柱的內(nèi)外壓差，使→0。第一種措施屬于密閉防火，第二種措施則屬于均壓防滅火。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。因此，只要在火區(qū)或采空區(qū)內(nèi)存在較大的漏風(fēng)壓差，單純的采用堵漏風(fēng)的方法來減少漏風(fēng)是很難奏效的。這時如果采用均壓技術(shù)就可以降低漏風(fēng)通道兩端壓差，減少火區(qū)或采空區(qū)漏風(fēng)，防止火區(qū)或采空區(qū)內(nèi)外氣體交換[30]。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。所謂開區(qū)均壓就是在生產(chǎn)工作面建立均壓系統(tǒng)，以減少采空區(qū)漏風(fēng)，抑制遺煤自燃，防止CO等有害氣的涌出，從而保證工作面的安全生產(chǎn)；閉區(qū)均壓就是在有可能發(fā)生煤炭自燃而已經(jīng)密閉的區(qū)域，采取均壓措施以防止煤炭自燃的發(fā)生。 均壓系統(tǒng)非穩(wěn)定性分析（Instability Analysis of the Even Pressure System）均壓防滅火技術(shù)是通過降低均壓區(qū)域兩端壓差，減少均壓區(qū)域的漏風(fēng)，使火區(qū)缺氧窒息而達到防滅火的目的，與其他技術(shù)措施相比，因其具有實用性強、經(jīng)濟、簡便、易操作的特點，在自燃防治現(xiàn)場實踐中得到廣泛應(yīng)用。然而在現(xiàn)場實踐中，由于自然風(fēng)壓、注氮和火風(fēng)壓等因素的影響，造成均壓區(qū)域氣體壓力的頻繁脈動，很難保證均壓區(qū)域穩(wěn)定的均壓效果 [31]。如圖21為一個典型的采煤工作面，工作面通風(fēng)路線為從進風(fēng)巷進風(fēng)、經(jīng)過工作面、由回風(fēng)巷回風(fēng)。假設(shè)工作面采空區(qū)發(fā)生自燃火災(zāi)，采用局部通風(fēng)機—調(diào)節(jié)風(fēng)窗均壓系統(tǒng)抑制采空區(qū)內(nèi)有害氣體的涌出，保證工作面的安全生產(chǎn)。局部通風(fēng)機—調(diào)節(jié)風(fēng)窗均壓的做法是在進風(fēng)巷A處設(shè)兩道風(fēng)門，在風(fēng)門外安設(shè)調(diào)壓局部通風(fēng)機；在回風(fēng)巷B處設(shè)兩道調(diào)壓風(fēng)門，這樣進、回風(fēng)巷風(fēng)門之間的巷道和工作面就形成了一個正壓區(qū)域。當(dāng)調(diào)壓局部通風(fēng)機啟動后，關(guān)閉A、B處的風(fēng)門，只打開回風(fēng)巷B處的調(diào)節(jié)風(fēng)窗，這時均壓區(qū)域的風(fēng)量取決于局部通風(fēng)機，風(fēng)壓取決于回風(fēng)巷B處調(diào)節(jié)風(fēng)窗的開啟程度。圖21 局部通風(fēng)機—調(diào)節(jié)風(fēng)窗均壓系統(tǒng)示意圖Figure 21 The Even Pressure system of the Local Fans Regulation Windshield Diagram設(shè)工作面中間點的氣體壓力為Ps，采空區(qū)中心點的氣體壓力為Pn。根據(jù)流體力學(xué)尼古拉茲實驗結(jié)果，采空區(qū)內(nèi)氣體流動可視為層流流動，則采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)量為 （23）式中：Ps——工作面的氣體壓力，Pa；Pn——采空區(qū)內(nèi)氣體壓力，Pa； R——采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)阻，Ns2/m8； ——采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)量，q為正時工作面向采空區(qū)漏風(fēng)，q為負(fù)時采空區(qū)向工作面漏風(fēng)，m3/s。根據(jù)公式（23）可以看出，影響采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)量大小的內(nèi)在因素是采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)阻，漏風(fēng)風(fēng)阻與采空區(qū)的壓實膠結(jié)狀況，密閉質(zhì)量等有關(guān)，受回采工作面推進速度、放頂煤質(zhì)量、注漿量、漿水的分布情況、煤層傾角、采高、頂板巖性、含水量、礦山壓力等因素的影響；外部因素是采空區(qū)內(nèi)外風(fēng)壓差。為研究均壓系統(tǒng)非穩(wěn)定性，本文重點分析研究采空區(qū)內(nèi)外風(fēng)壓的變化對其漏風(fēng)風(fēng)量的影響。 采空區(qū)外氣體壓力影響因素分析由于風(fēng)壓在工作面呈線性分布，進風(fēng)側(cè)（下隅角）比回風(fēng)側(cè)（上隅角）的風(fēng)壓高。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(fēng)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。用上隅角氣體壓力代替工作面氣體壓力，則公式（23）可變?yōu)? （24）因此，研究均壓系統(tǒng)非穩(wěn)定性的問題，就要分析工作面上隅角和采空區(qū)內(nèi)氣體壓力的影響因素。假設(shè)局部通風(fēng)和調(diào)節(jié)風(fēng)窗到工作面的距離相等；回風(fēng)巷、進風(fēng)巷和工作面中的風(fēng)阻均勻分布，且單位長度巷道的風(fēng)阻值與單位長度工作面的風(fēng)阻值都為r；局部通風(fēng)機的工況點不發(fā)生變化。如圖21所示，設(shè)回風(fēng)巷調(diào)節(jié)風(fēng)窗外的氣體壓力為P1，局部通風(fēng)機產(chǎn)生的氣體壓力為Pf，進風(fēng)巷風(fēng)門外的氣體壓力為P2，風(fēng)筒出口處氣體壓力為Pa，上隅角氣體壓力為Pc。 則Pa=P2+Pf （25）根據(jù)通風(fēng)阻力定律，得 （26） （27）式中：L——進、回風(fēng)巷中風(fēng)門到工作面距離，m；r——單位長度巷道（工作面）的風(fēng)阻值，Ns2/m9；m——工作面長度，m；Q——回風(fēng)巷風(fēng)量，m3/s；Rw——調(diào)節(jié)風(fēng)窗產(chǎn)生的局部風(fēng)阻，Ns2/m8。根據(jù)公式（25）、（26）和公式（27）聯(lián)立得工作面上隅角的氣體壓力為 （28）根據(jù)公式（28）可見，上隅角氣體壓力與自然風(fēng)壓、摩擦風(fēng)阻等因素有關(guān)。為了研究上隅角氣體壓力的變化，就要分析上述因素對上隅角氣體壓力的影響。（1）自然風(fēng)壓調(diào)節(jié)風(fēng)窗外的風(fēng)壓P1和進風(fēng)巷風(fēng)門外的風(fēng)壓P2是由自然風(fēng)壓和主要通風(fēng)產(chǎn)生的，而自然風(fēng)壓因受地面空氣溫度的影響會經(jīng)常發(fā)生變化。根據(jù)公式（28）可知，在自然風(fēng)壓上升時，工作面上隅角的氣體壓力也會隨之上升，新鮮空氣漏入采空區(qū)速度增加，而污濁空氣漏出來空區(qū)的速度降低；自然風(fēng)壓降低時則相反。因此，自然風(fēng)壓變化時，會使采空區(qū)漏風(fēng)有類似“人工呼吸”的供氧現(xiàn)象，這對均壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性是十分不利的。自然風(fēng)壓的大小和方向，主要受地面空氣溫度變化的影響。根據(jù)實測資料可知，由于風(fēng)流與圍巖的熱交換作用使機械通風(fēng)的回風(fēng)井中一年四季氣溫變化不大，而地面進風(fēng)井中氣溫隨季節(jié)變化，兩者綜合作用的結(jié)果，導(dǎo)致一年中自然風(fēng)壓隨季節(jié)發(fā)生周期性的變化。例如（圖22所示）BC是水平巷道，OE是通過系統(tǒng)最高點的水平線。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(dǎo)致BC水平面上的重力不等。其重力之差就是該系統(tǒng)的自然風(fēng)壓，它使風(fēng)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(fēng)壓方向與冬季相反，風(fēng)流由井口E流入，從井口A流出。而在春秋季節(jié)，地面氣溫與井筒內(nèi)空氣柱的平均氣溫相差不大，自然風(fēng)壓很小，因此，將造成井下風(fēng)流的停滯現(xiàn)象。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(fēng)壓也會隨之發(fā)生變化，夜晚，AB段進風(fēng)；午間，BA段出風(fēng)[32]。圖22 簡化的礦井通風(fēng)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(fēng)壓的影響，只考慮晝夜間溫差對自然風(fēng)壓的影響?？杉僭O(shè)晝夜間溫差是周期性變化的，則自然風(fēng)壓的變化也呈周期性變化 （29）式中：P10——自然風(fēng)壓影響下，在一個周期內(nèi)回風(fēng)巷風(fēng)門外氣體的平均壓力，Pa； t——時間，h；——循環(huán)周期，h； ——壓力變化振幅，Pa。 （210）式中：P20——自然風(fēng)壓影響下，在一個周期內(nèi)進風(fēng)巷風(fēng)門外氣體的平均壓力，Pa。根據(jù)公式（28）、公式（29）和公式（210）聯(lián)立可知，在自然風(fēng)壓影響下，經(jīng)過時間t后上隅角氣體壓力變化量為 （211）（2） 摩擦風(fēng)阻隨著工作面向前推移，調(diào)節(jié)風(fēng)窗到工作面的距離L不斷減小，進、回風(fēng)巷中產(chǎn)生的摩擦風(fēng)阻逐漸地減小，工作面通風(fēng)系統(tǒng)中各通風(fēng)參數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使得采空區(qū)內(nèi)外壓差發(fā)生變化。但如果進、回風(fēng)巷和工作面的斷面面積很大，其產(chǎn)生的摩擦風(fēng)阻與調(diào)節(jié)風(fēng)窗產(chǎn)生的局部風(fēng)阻相比非常小，則其對均壓系統(tǒng)的非穩(wěn)定性影響也是很小的，可忽略不計；如果進、回風(fēng)巷和工作面的斷面面積很小，則其產(chǎn)生的摩擦風(fēng)阻比較大，此時就必須考慮摩擦風(fēng)阻對均壓系統(tǒng)非穩(wěn)定性的影響。假設(shè)經(jīng)過時間t后，工作面向前推進了vt，根據(jù)通風(fēng)阻力定律有 （212） （213）式中：——經(jīng)過時間t后，上隅角的氣體壓力，Pa；v——工作面推進速度，m/h； t——時間，h。 將公式（212）和公式（213）聯(lián)立求得上隅角的氣體壓力變?yōu)? （214）則根據(jù)公式（28）和（214）得上隅角氣體壓力的變化量為 　 　 （215）式中：——上隅角氣體壓力變化量，Pa。根據(jù)經(jīng)驗可知，調(diào)節(jié)風(fēng)窗產(chǎn)生的局部風(fēng)阻Rw比工作面的風(fēng)阻mr大，進風(fēng)巷風(fēng)壓Pa比回風(fēng)巷風(fēng)壓P1大，所以0，隨著工作面的向前推進，上隅角的氣體壓力會逐漸升高。為了減少工作面向采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)，隨著工作面的向前推進，應(yīng)逐漸降低工作面的風(fēng)壓，并且加強上下隅角堵漏。（3）密閉墻的密閉情況密閉墻密閉的好壞直接關(guān)系到工作面氣體壓力是否能夠上升到預(yù)期數(shù)值，而影響其密閉效果的因素主要有兩個：一個是風(fēng)門，另一個是刮板輸送機口。①風(fēng)門均壓防滅火系統(tǒng)一般都帶有風(fēng)門，風(fēng)門在關(guān)閉時和密閉墻構(gòu)成通風(fēng)邊界，開啟時則是人員通行、車輛通過的必經(jīng)之路。風(fēng)門是均壓系統(tǒng)中重要控制設(shè)施，也是均壓系統(tǒng)管理的薄弱環(huán)節(jié)。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(fēng)門、風(fēng)門遙訊等技術(shù)對風(fēng)門實施控制。通過自動化控制和相互閉鎖，不僅能減少車輛通過對風(fēng)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(fēng)流短路現(xiàn)象，減少了事故隱患。②刮板輸送機口為了減少漏風(fēng)，防止均壓區(qū)域內(nèi)的壓力泄漏，進風(fēng)巷內(nèi)的運輸皮帶必須換成一部刮板輸送機。進風(fēng)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(fēng)簾。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(fēng)風(fēng)量比較小；而在維修時刮板輸送機停止運轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)，刮板輸送機口漏風(fēng)比較大，此時應(yīng)加強對刮板輸送機口的封堵。設(shè)因密閉墻的密閉情況而損失的氣體壓力為，則