第三章 矿井通风动力
矿井通风动力是克服通风阻力、保证井巷空气连续不断地流动的能量或风压，有通风机提供的机械风压和由自然条件生成的自然风压两种。
第一节 自然通风
一、自然风压及其特性
自然风压是由于空气热湿状态的变化在矿井中产生的一种自然通风动力，其数值为以矿井风流系统的最低、最高标高点为界，两侧空气柱作用在底面单位面积上的重力之差。在此重力差的驱动下，较重的一侧的空气向下流动，较轻的一侧的空气向上流动，即可形成空气的自然流动。如图3-1-1所示矿井，0-4水平以上，大气的重力是相同的，矿井中空气的重力差是在0-4至2-3之间形成的。
左侧空气柱作用在底面单位面积上的重力为：
??gdz??00121?1gdz，Pa
图3-1-1自然风压原理图
右侧空气柱作用在底面单位面积上的重力为：
?34?2gdz， Pa
123则矿井的自然风压为：
Hn???0gdz???1gdz???2gdz ， Pa （3-1-1）
014以上式中
z0、z1、z2 分别为各段的垂直高度，z2=z0?z1，m；
g 重力加速度，ms ；
?0、?1、?2 分别为各段空气密度分布，kgm；
32HN为矿井自然风压，Pa。
如果把地表大气视为断面无限大，风阻为零的假想风路，则矿井通风系统可视为一个通风回路1-2-3-4-0-1（其中大气中的4-0-1段为假想的风路），则自然风压值为?gdz沿此闭合回路的积分：
Hn????gdz， Pa （3-1-2）
（3-1-1）、（3-1-2）式是矿井自然风压的基本计算公式。
完全依靠自然风压进行的通风，称为自然通风。自然风压受地面气候影响，冬夏两季较大，春秋较小，甚至趋近于零，而且夏季自然风压的方向可能与冬季相反。因此自然风压通风不稳定，难以保证矿井安全生产。 我国一些山区平硐开拓的矿井，冬季自然通风的作用较强．
但是到了夏天，经顶部采空区和通道下贯的自然通风设也相当大，往往扰乱原来拟定的通风系统。因此，从全年着眼如何有效地控制和利用自然通风，是一些矿井值得研究解决的问题。
对于采用机械通风的矿井，自然风压也依然存在。其方向和大小仍由最低水平以上、进出风井空气柱的重力差来决定。一般规定，自然风压与通风机所产生的机械风压方向一致时为正值，表示它帮助机械通风；反之为负值，表示它是机械通风的阻力。
在矿井通风系统的任意有标高差的闭合回路中，都有可能存在自然风压．并对回路内的空气流动产中影响。
二、矿井自然风压的影响因素及变化规律
由式（3-1-1）和式（3-1-2）可见，回路中最低、最高标高点的高差即矿井深度和两侧空气柱的平均密度之差决定了矿井自然风压的大小。而空气密度又受温度T、大气压力P、气体常数R和相对湿度?等因素影响，所以自然风压可表示为如下的函数关系：
3-1-3 Hn?f?ρ,Z??f?ρT,P,R,??,Z???? ⑴矿井最低水平以上两侧空气柱的温差是影响H的主要因素。进风井风流的温度主要是地面入
N风气温和风流与围岩的热交换所决定的，一般进风井地势较低，有的山区矿井采用平硐开拓，地面气温对进风井影响较大，不同季节、气候变化显著，有的地区一昼夜气温能变化十几度；回风井风流的温度取决于矿井的围岩散热、生产散热等，由于风流与围岩及各种热源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。两者综合作用的结果，导致一年中自然风压发生周期性的变化。在冬季，进风井风流温度低，空气密度大，矿井自然风压较大；夏季则相反，有的矿井甚至会出现于冬季作用方向相反的自然风压；春秋季的自然风压位于两者之间。及图4-1-3
⑵矿井深度对自然风压的影响表现在：①在进、回风井空气的密度差一定的情况下，自然风压与最大井深成正比，即深井的自然风压值高于浅井。②进风井的深度影响风流的换热，深井进风流温度受井筒围岩的调节作用大，一年四季井筒平均温度变化小，因此深井的自然风压变化幅度小，如图4-1-2；相反，对于较浅的进风井，进风流受地温作用小，特别是山区平硐开拓的矿井，其温度主要随季节变化，矿井自然风压的变化幅度较大，甚至昼夜之间都会发生明显变化，如图4-1-3。
⑶矿井主要通风机的运行对矿井自然风压也产生影响：①矿井主要通风机工作决定了主风流的方向，强迫矿井风流与围岩及各种生产热源进行热交换，致使回风流能保持较高的温度；②以抽出式通风为例，风机的作用使回风井风流的压力较低，会进一步减小风流的密度。因此一般的机械通风矿井的自然风压作用方向与通风机的作用方向一致，较少产生负值。
⑷矿井风量对自然风压的影响，在冬季，若增加风量，进风井风流的温度会进一步降低，进、回风井风流的温度差增大，因此自然风压增加；减少风量，则自然风压会有所降低。在夏季，增加风量，进风流温度会升高，则自然风压会减小。一般认为风量对自然风压的影响较小。
另外，空气成分和湿度影响空气的密度，从而对自然风压也有一定影响。
图3-1-2深井自然风压规律
图3-1-3浅井自然风压规律
三、自然风压的测算方法
矿井自然风压是通风设计及矿井通风技术管理的必要资料，为了确切的考虑自然风压的影响，必须对自然风压进行定量测算。矿井自然风压的测算方法主要有隔断风流测定法、平均密度测算法、改变通风机运行工况测算法、热力学测算法，其中隔断风流测定法叫做直接测定法，其余为间接测定法。
⑴隔断风流测定法
在通风机停止运转后，在总风流中设置密闭墙隔断风流，用压差计测定密闭墙两侧的压差，此值即为该回路的自然风压，如图3-1-4。密闭墙的位置可以任意选定，但要能完全隔断总风流，为简化工序，通风机停转后，可利用关闭风硐内的闸门来隔断风流，用压差计测定闸门两侧的压差（如图3-1-5），其读数即为矿井的自然风压。测定时，既要等风流停滞(停风后等待10~15min)，有要动作迅速，防止因停风机时间过长，空气的密度发生变化。
直接测定方法简单、直观，测定结果准确，但需要停通风机，对矿井的生产和安全有影响。
图3-1-4建密闭墙测自然风压
图3-1-5利用关闭闸门测自然风压
⑵平均密度测算法
该方法是指通过测算井巷风流的平均密度而计算矿井自然风压的方法。式(3-1-1)及(3-1-2)是计算自然风压的基本公式。但该式中的?受多种自然因素影响，与高度Z之间成复杂的函数关系。因此利用此式用积分的方法解算自然风压十分困难。为了简化，取各段空气柱的平均密度进行计算，则如图3-1-1矿井的自然风压为：
Hn????gdz???0gdz???1gdz???2gdz
014123??m0gz0??m1gz1??m2gz2 ， Pa 3-1-4
式中
?m0、?m1、?m2 分别为各段空气平均密度，kgm3；
其他符号表示的意义同前。
对于进、回风井口标高相同的矿井，自然风压的计算式为：
Hn??m1gz??m2gz?gz(?m1??m2)，Pa 3-1-5
式中Z为两井口至最低标高的深度，m。
对于井深大、巷道多的通风回路，为了比较准确地求得高度Z内空气柱的平均密度，应在风路内尽量多布置测点，尤其要在密度变化较大的地方，如井口、井底、倾斜巷道的上下端及风温变化较大和变坡的地方布置测点，并尽可能同时或在较短的时间内测出各点风流的绝对静压力P、温度T、湿度，两测点间的高差不宜过大(最好不超过100m)。分别计算各测段单位面积的重力，风流向下流动的井巷段为“+”，向上流动的井巷段为“-”，沿风流方向进行累加，即可得到闭合路线的自然风压。
Hn???migzi， Pa 3-1-6
式中?mi为第i段井巷风流的平均密度，kgm3；
Zi为第i段井巷的的垂直高度，m。
此方法可以测定计算矿井通风系统中各条回路的自然风压，是在主要通风机正常运行的条件下进行测定，不影响生产。但是，此方法测定和计算工作量大，时间较长。对于多水平多回路通风系统，此方法不能直接得出作用于通风机的综合自然风压值（需要通过解算网络才能确定）。
⑶改变通风机运行工况测算法
由于自然风压和矿井通风机共同作用克服矿井通风阻力，对于单通风机工作的通风系统，其关系为：
Hf?Hn?RmQ2 3-1-7
式中，Hf为通风机风压（Pa）；
； Rm为矿井风阻（kgm7）。 Q为矿井风量（m3s）
公式3-1-7中，通风机风压（Hf）和矿井风量（Q），可以直接测得，未知数只有两个Hn和Rm，
Hn和Rm随阻力和风量的变化可忽略，因此只要再改变一次工况，测出（Hf'，Q'）即可建立
联立方程求算出矿井自然风压Hn。
Hf?Hn?RmQ2Hf'?Hn?RmQ'解联立方程得：
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