第二章自然風壓理論認知
2.1 自然風壓基本理論
自然風壓是礦井中客觀存在的一種自然現象，其作用有時對礦井通風有利，有時卻相反。我國一些山區平峒開拓的礦井，冬季自然通風的作用有的基本可以代替主扇工作。這表明，自然風壓在礦井通風中是一種不可忽視的重要動力。
但是，現在人們一般認為，風流流動所發生的熱交換等因素使礦井進出風側(或進出風井筒，下同)產生溫度差而導致其平均空氣密度不等，使兩側空氣柱底部壓力不等，其壓差就是自然風壓。因此提出了：有高差的迴路是產生自然風壓的必要條件；有高差井巷的空氣平均密度不等是產生自然風壓的充分條件。
這種以自然風壓的伴隨現象或計算手段來解釋自然風壓的問題，在分析自然風壓時對風流狀態的影響方面有時存在著難以克服的困難。實際上，自然風壓是井上下多種自然因素所造成的促使空氣沿井巷流動的一種能量差，這種能量差存在於包括平巷在內的所有井巷中。
根據礦井和地下工程的實際情況，由地面地下自然因素和生產活動的熱力效應所產生的自然能量差可概括為三種形式：自然熱位差、水平熱壓差(或稱水平氣壓差)、大氣自然風。
1.自然熱位差
如圖2.1所示，由地面氣溫、井下熱力因素、含溼量、氣體成分等變化所引起的進回風井筒內空氣平均密度不等，密度大的井筒的空氣柱壓力大於密度小的井筒空氣柱壓力。這兩井筒中的空氣柱壓差稱做自然熱位差。
圖2.1自然熱位差示意圖
在主扇通風停止後，因自然熱位差的作用，在圖2.1所示情況下，冬季風流從進風井筒進入，經井底平巷由出風井筒流出；夏季炎熱時，其風流方向則相反。在有機械通風的礦井，冬季自然風壓與主扇風壓方向相同，幫助扇風機克服通風阻力；夏天則可能相反，起削弱機械通風壓力作用。
在垂直座標向上為正的情況下，圖2.1所示通風迴路的熱位差可用下式表示。
2-1）
2-1）
以前一些通風書上就把該種形式的熱位差叫做自然風壓。這在自然風壓的概念上是不全面的[8]。
2.水平熱壓差
在地表，由於多種因素造成空氣溫度、濕度、成分等的差異，同一標高水平上的大氣壓力也有差別。這種同一標高水平上的氣壓差，氣象上稱為氣壓梯度，由氣壓梯度所產生的旁壓力稱為氣壓梯度力。水平氣壓梯度力可表示為：
2-2）
n∕kg2-2）
即水平氣壓梯度力的方向是由高指向低，其大小與p/n(δp)成正比，和空氣密度成反比。在水平氣壓梯度力的作用下，形成大氣風。氣壓梯度力越大，風速也越大。
在礦井水平井巷中也能因溫度等自然因素變化導致風流密度上的差異，從而造成同一標高水平上的壓力不同。井巷中同一水平上主要因溫差而形成的壓力差稱為水平熱壓差。這種水平熱壓差也能促使空氣沿井巷流動，形成自然風。
一般情況下這種自然風速很小，往往不被人所注意，但在某些條件下，仍能明顯的顯現出來。
圖2.2水平自然風示意圖
如圖2.2所示乙個地溫較高或正在掘進的平峒，由於峒內空氣與峒壁熱交換的結果，在冬天造成平峒底部空氣密度較峒外小，頂部則較峒外大，促使峒外空氣從平峒底部流入，從頂部流出的自然風流。成渝高速公路中梁山隧道單孔長度3i00m左右，進出口高差僅40m，2023年6月雙向掘進在中間貫通後，僅有500m/min左右的自然風從西向東流過隧道，如果沒有隧道內外溫度效應而導致空氣密度變化所造成的水平熱壓差，僅靠40m高差是形不成隧道自然風的。
因為高峒口的大氣壓力加上兩峒口間的位壓差應與低峒口大氣壓相等。所以，以上現象的產生都緣於水平熱壓差。
3.大氣自然風壓
地面吹向平峒口的大氣風，其動壓可轉變成靜壓，形成礦井自然風，影響礦井通風量的大小。該動壓的計算方法為：
2-3）
pa2-3）
式中：δ一係數。由風向、山坡表面形狀傾斜度、洞門形狀和尺寸等決定；
ρ一大氣自然風流密度，kg/m；
va-一大氣風速，m/s。
大氣自然風對抽出式通風礦井的進風平峒和壓入式通風礦井出風平峒的風量影響較顯著。綜上所述，以上三種形式的能量差都應屬於自然風壓的範疇。所以，自然風壓是由井內外自然因素所造成促進所有井巷風流流動的能量，而單位體積風流所具有的這種能量稱做自然風壓。
自然風壓的實質[7]：礦井是地面空間的延伸，與地面形成大氣風的道理一樣，只要在一定的自然因素條件下，形成了足以克服井巷阻力的壓力差，就會產生自然風。在礦井中，井筒之間或井筒與地面之間同一標高上的水平熱壓差沿垂直方向累加的結果形成了自然熱位差。
由於自然熱位差強度較大，易被人注意到；而水平熱壓差在一些特定條件下也是較明顯的，如前述獨頭掘進巷道和中梁山隧道的自然風流就是其例。另外，如圖2.3所示的通風火災試驗平巷中進行火災試驗時，隨著燃燒平巷4斷面上燃燒溫度的公升高，使回風側7，8點斷面溫度也相應增高，風流密度降低；和燃燒段併聯平巷中的2點段面與7, 8點斷面之間的水平熱壓差也相應增大，而導致2點斷面風量增加。
多次試驗證明，2點斷面風量的增加與4點斷面及其回風側的溫度同步，即4點斷面及其回風側溫度公升高，2點斷面風速亦增加，溫度越高，風速增加越大。
同時，在燃燒段進風巷中3點風速小於1 m/s的條件下，4點斷面燃燒時，空氣受熱上公升，使其斷面上部產生空氣積聚和膨脹作用，導致該斷面上部與風流上、下風側斷面上部之間均產生了熱壓差，促使4點斷面上部風流倒向，即所謂」逆流現象」。逆流層長度最長達25.7m，厚約1.
5 m，為巷道高度的1/2，逆流速度為0.15 m/s。無疑在順風流方向也有乙個相同的熱壓差與機械風壓疊加在一起，促使風流順向流動。
這些現象完全可以說明，熱壓差在一定條件下的平巷中也是存在的，只是平巷中形不成熱位差，需要更強的熱力效應才能形成明顯的水平熱壓差；而熱力效應在垂直井巷中可以通過積蓄而變成熱位差，所以只要較小的熱力效應就可顯現出較大的熱位差。
有文獻認為[7]：」即使只有乙個出口的正在掘進的井筒或平峒也可以形成自然風。冬天當井筒周壁不淋水就可出現井筒中心部下風和周圍上風的現象；夏天，就可能出現相反的方向。
大爆破產生大量溫度稍高的有毒有害氣體以後，特別是當井下發生火災產生大量溫度較高的火煙氣體時，就會出現區域性自然風壓(所謂」火風壓」)，進而擾亂原來通風系統的風流狀況。」可能有人認為火風壓不能與自然風壓混為一談，其實火災時只是產生了更強烈的熱力效應，使風流超出了不可壓縮氣體的範疇。但在壓差關係方面，火風壓與自然風壓對風流狀態的影響是一樣的。
另外的文獻也認為：自然風壓包括熱風壓對山區和深部礦井以及發生火災時期礦井的通風狀態均有很大的影響。
圖2.3 火災試驗平巷圖
綜上所述，自然風壓是井上下熱力效應等自然因素在礦井中形成的熱壓差，它存在於包括平巷在內的所有井巷中。大氣自然風是地面水平熱壓差的結果作用於礦井通風的一種自然作用力，是間斷性的；自然熱位差是井筒間和井筒與地面間水平熱壓差累加而形成的，是持續性的。所以，水平熱壓差是其餘兩種形式自然壓差產生的基礎，而自然熱位差和大氣自然風是水平熱壓差在不同具體條件下的不同表現形式而已。
2.2 自然風壓的基本計算方法
當自然風壓對礦井開採的影響達到一定程度時，礦井通風計算就必須考慮自然風壓的影響。《煤炭工業礦井設計規範(gb50215-94 )》第101.7條規定，進、出風井井口的標高差在150m以上，或進、出風井井口的標高相同但井深400 m以上時，宜計算礦井的自然風壓。
礦井自然風壓計算中，遇到的情況往往比較複雜。計算自然風壓時，既要盡可能反映實際情況，又要便於計算，並以滿足礦井主扇風機的選型為最終目標。現今計算礦井自然風壓的方法主要有流體靜力學方法和熱力學方法兩類[6]。
2.2.1 自然風壓熱力學計算方法
（1）當井深在100m以內時，按等容過程計算
h=z(ρ1一ρ2)g
式中：h一自然風壓，pa
ρ1一進風井空氣柱的平均密度，kg/m3 ；
ρ2一回風井空氣柱的平均密度，kg/m3 ；
z一井筒深度，m。
（2）井深超過1 oom時，按等溫過程計算。
2-5）
2-5）
式中：k一校正係數，k=l+z/10000；
po一當地井口大氣壓，pa；
t1一進風井空氣柱平均絕對溫度，k；
t2一回風井空氣柱平均絕對溫度，k。
2.2.2 自然風壓流體力學計算方法
圖2.4 自然風壓位置示意圖
流體靜力學方法的實質是計算兩空氣柱的重量差。如圖2.4所示礦井，進風井口以上假想一段空氣柱1-2, 1點與5點標高相同，大氣壓皆為p0。
2-6）
2-7)
2-8)
2-9)
(2-10)
式中：t進一入風井空氣平均溫度；
t回一回風井空氣平均溫度；
t0一地表溫度；
t1一入風井井底溫度；
t2一回風井井底溫度；
t3一回風井井口溫度；
z1一入風井高度；
z2一回風井高度；
z0一回風井與入風井的高度差。
此式中自然風壓的值只與進風井的深度、井底溫度，回風井的深度、井底溫度，地表大氣壓和地表溫度有關。生產礦井各處的氣溫，可從實測獲得。新設計礦井時，進風井口氣溫可取該標高處地表的月平均氣溫；進風井底的氣溫應參考附近礦山的實際資料。
回風井口的溫度可按每上公升100公尺氣溫下降0.4~0.5度計算，回風井底的氣溫可按該深度處岩體溫度減去1 ~2℃，一定深度的岩石溫度可用下式進行計算。
金屬非金屬礦山通知
關於舉辦金屬非金屬礦山安全作業培訓班的通知 各有關單位 根據 中華人民共和國安全生產法 特種作業人員安全技術培訓考核管理規定 生產監督管理總局令第30號 浙江省特種作業人員安全技術培訓考核管理細則 等精神，為提高金屬非金屬礦山安全作業人員的安全技術水平，增強安全知識，加強安全意識，做到持證上崗，我中...
《金屬非金屬礦山員工安全培訓》大綱
教材編寫大綱 一 教材編寫的性質和定位 1.教材的性質 本教材是金屬非金屬礦山安全職業能力培訓教材，培訓物件金屬非金屬礦山從業人員，通過培訓使從業人員具備金屬非金屬礦山從業的基本安全素質，達到職業要求，確保在從業過程中的人身安全。2.教材的定位 因礦山人業人員素質的原因，教材的編寫及內容應符合礦山實...
金屬礦山豎井快速施工的措施
摘要 礦山的開採目前比較多的採用豎井來開採，本文就對金屬礦山的快速施工措施和技術進行 關鍵字 金屬礦山豎井快速施工 一 引言 由於國民經濟對礦山資源的需求量日益增加,掀起了礦山開採的熱潮。現在礦山投資的主體也呈多元化格局,不僅是國有企業投資開採礦山,越來越多的民營也加入了礦山資源開採的行列。因市場對...