本發(fā)明涉及一種模擬地下礦山礦井通風試驗方法，尤其是涉及一種自然風壓實驗模擬演示的方法，適合于在礦井通風系統(tǒng)設計、科研和教學應用。

背景技術(shù)：

自然風壓是礦井中客觀存在的一種自然現(xiàn)象，其作用對于礦井通風有時有利，有時卻是相反的。在一些山區(qū)平硐開拓的礦井，冬季自然通風的作用有的基本可以代替主扇。自然風壓在礦井通風中是一種不可忽視的重要動力。現(xiàn)在一般認為，風流流動所發(fā)生的熱交換等因素使礦井進風側(cè)、回風側(cè)產(chǎn)生溫度差異而導致其空氣密度不相等，使兩側(cè)空氣柱底部壓力不等，其壓差就是自然風壓。因此提出了：有高差的回路是產(chǎn)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(chǎn)生自然風壓的充分條件。這種以自然風壓的伴隨現(xiàn)象來解釋自然風壓的問題存在一定的局限性。

目前，國內(nèi)外對于自然風壓的認識主要在于理論計算方法研究和礦山井下現(xiàn)場檢測，通常只是采用手算方法，求大高差、大溫差巷道回路的自然風壓，然后人為地加入其中一條巷道，以此來計算自然風壓的影響，或由某點壓力、溫度求出密度進而計算自然風壓，缺乏自然風壓的預判性和實驗室直觀的試驗模擬裝置。

《有色金屬》2014年01期介紹了一種基于UDF的自然風壓對礦井通風穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬，驗證自然風壓數(shù)值模擬的可行性，通過計算機軟件模擬自然風壓對礦井通風系統(tǒng)的影響，對多種環(huán)境氣溫條件下的自然風壓曲線進行擬合，給出了回風豎井中自然風壓的經(jīng)驗計算公式。其主要是側(cè)重于運用計算機軟件進行數(shù)值模擬技術(shù)研究，缺乏對自然風壓這種客觀自然現(xiàn)象的直觀描述。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，而提供一種模擬裝置結(jié)構(gòu)簡單、裝配方便、成本低且可模擬多種自然風壓類型的模擬地下礦山自然風壓的方法，采用的模擬裝置通過對配件的排列組合，可以快速地在實驗室模擬出三種不同類型地下礦山礦井自然風壓現(xiàn)象，并根據(jù)模擬輸出數(shù)據(jù)計算出自然風壓的大小、分析自然風壓的影響因素。

為實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法采用以下技術(shù)方案：

方案1：

本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法，采用的模擬裝置包括進風井模擬管、回風井模擬管及用風平巷模擬管。用風平巷模擬管水平放置，用風平巷模擬管的兩頭分別采用井筒與平巷連接件和豎直放置的進風井模擬管、回風井模擬管連接構(gòu)成礦井通風風路模擬系統(tǒng)，保持進風井模擬管的高度低于回風井模擬管的高度；在進風井模擬管、回風井模擬管及用風平巷模擬管的外面分別纏繞用于模擬井下高溫環(huán)境的管道加熱線圈，管道加熱線圈與加熱線圈溫控器連接，通過控制加熱線圈的加熱溫度控制進風井模擬管、回風井模擬管和用風平巷模擬管內(nèi)空氣的溫度。在進風井模擬管上安裝自帶數(shù)顯表的風速傳感器，在進風井模擬管、回風井模擬管及用風平巷模擬管上分別間隔安裝若干自帶數(shù)顯表的溫濕度傳感器。模擬裝置穩(wěn)定后觀察風速傳感器數(shù)值V₀=0。

其模擬方法為：根據(jù)穩(wěn)定后進風井模擬管的溫濕度傳感器的讀數(shù)t₁、Φ₁，回風井模擬管的溫濕度傳感器的讀數(shù)t₂、Φ₂和環(huán)境溫濕度的檢測值t₀、Φ₀查表得出相應的空氣密度ρ₁、ρ₂和ρ₀，采用以下公式計算自然風壓H_e1：

H_e1=(ρ₀×ΔH+ρ₁×H₁-ρ₂×H₂)×g （1）

式中：H_e1—自然風壓，Pa；

ρ₀—環(huán)境空氣的平均密度，kg/m³；

ΔH—回風井模擬管與進風井模擬管的管高差，m；

ρ₁—進風井模擬管內(nèi)空氣的平均密度，kg/m³；

H₁—進風井模擬管高度，m；

ρ₂—回風井模擬管內(nèi)空氣的平均密度，kg/m³；

H₂—回風井模擬管高度，m；

g—重力加速度，N/kg。

方案1中進風井模擬管高度H₁是回風井模擬管高度H2的1/3—4/5之間為宜。

方案2：

采用的模擬裝置中的回風井模擬管的高度等于進風井模擬管的高度；在用風平巷模擬管、回風井模擬管的外面分別纏繞用于模擬井下高溫環(huán)境的管道加熱線圈，管道加熱線圈與加熱線圈溫控器連接，在進風井模擬管上安裝自帶數(shù)顯表的風速傳感器，在進風井模擬管、回風井模擬管及用風平巷模擬管上分別安裝自帶數(shù)顯表的溫濕度傳感器；其它同方案1。

其模擬方法為：采用以下公式計算自然風壓H_e1：

H_e1=(ρ₁×H₁-ρ₂×H₂)×g （2）

式中各符號的含義與方案1相同。

方案3：

采用的模擬裝置中的回風井模擬管的高度低于進風井模擬管的高度。其它與方案2相同。

其模擬方法為：采用以下公式計算自然風壓H_e1：

H_e1=(ρ₁×H₁-ρ₂×H₂-ρ₀×ΔH)×g （3）

式中：ΔH—進風井模擬管與回風井模擬管的管高差，m；其它符號的含義與方案1相同。

本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法通過調(diào)節(jié)進風井模擬管、回風井模擬管的豎直高度，可分別模擬演示冬季進風井標高、回風井標高相同情況，回風井井口高于進風井井口標高情況，進風井井口高于回風井井口標高情況等三種類型的自然風壓現(xiàn)象。

本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法采用以上技術(shù)方案后，具有以下優(yōu)點：

（1）簡單直觀地在實驗室模擬演示出礦井自然風壓這一存在于礦山井下的自然現(xiàn)象。

（2）通過試驗模擬數(shù)據(jù)計算出自然風壓的大小，分析其對礦井通風系統(tǒng)的影響。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法采用的模擬裝置中回風井井口高于進風井井口標高情況下的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法采用的模擬裝置中回風井井口標高等于進風井井口標高情況下的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法采用的模擬裝置中回風井井口低于進風井井口標高情況下的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記為：1-進風井模擬管；2-回風井模擬管；3-用風平巷模擬管；4-井筒與平巷連接件；5-管道加熱線圈；6-加熱線圈溫控器；7-風速傳感器；8-溫濕度傳感器。

具體實施方式

為進一步描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法做進一步詳細說明。

方案1：由圖1所示的本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法采用的模擬裝置中回風井井口高于進風井井口標高情況下的結(jié)構(gòu)示意圖看出，本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法是由進風井模擬管1、回風井模擬管2、水平設置的用風平巷模擬管3、井筒與平巷連接件4、管道加熱線圈5、加熱線圈溫控器6、風速傳感器7和溫濕度傳感器8組合構(gòu)成。用風平巷模擬管3水平放置，用風平巷模擬管3的兩頭分別采用井筒與平巷連接件4和豎直放置的進風井模擬管1和回風井模擬管2連接構(gòu)成礦井通風風路模擬系統(tǒng)，保持進風井模擬管1高度遠低于回風井模擬管2高度，并記錄其高度差為Δh。在進風井模擬管1、回風井模擬管2及用風平巷模擬管3的外面分別纏繞用于模擬井下高溫環(huán)境的管道加熱線圈5，管道加熱線圈5與加熱線圈溫控器6連接，加熱線圈溫控器6設定各條井巷模擬管道加熱線圈5加熱溫度，保持加熱溫度恒定。在進風井模擬管1上安裝自帶數(shù)顯表的風速傳感器7，在進風井模擬管1、回風井模擬管2及用風平巷模擬管3上分別安裝自帶數(shù)顯表的溫濕度傳感器8。隨著進風井模擬管1、回風井模擬管2和用風平巷模擬管3內(nèi)空氣溫度的逐步升高，空氣密度逐步降低，造成進風井模擬管1和回風井模擬管2底端壓力不等，形成空氣流動的動力。溫濕度傳感器8的溫度逐漸上升的同時，可觀測到風速傳感器7數(shù)值也在不斷變化，模擬管道內(nèi)溫度穩(wěn)定后風速傳感器7的數(shù)值也趨于穩(wěn)定。

本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法為：

（1）按照上述過程組裝礦井通風風路模擬系統(tǒng)，保持進風井模擬管高度1遠低于回風井模擬管2高度，并記錄其高度差為Δh，模擬裝置穩(wěn)定后觀察風速傳感器數(shù)值V₀=0；

（2）采用加熱線圈溫控器6設定各條井巷模擬管的加熱溫度，保持加熱溫度恒定，待各井巷模擬管溫度傳感器溫度顯示穩(wěn)定后記錄進風井模擬管1的溫度t₁、相對濕度Φ₁，回風井模擬管2的溫度t₂、相對濕度Φ₂，并記錄試驗環(huán)境溫度為t₀和相對濕度Φ₀；

（3）進風井模擬管1、回風井模擬管2、用風平巷模擬管3內(nèi)溫度逐漸上升的同時，可觀測到風速傳感器7數(shù)值也在不斷變化，各模擬管內(nèi)溫度穩(wěn)定后風速傳感器數(shù)值也趨于穩(wěn)定；

（4）管道內(nèi)空氣流動的現(xiàn)象就是自然風壓作用的結(jié)果；根據(jù)t₀、Φ₀、t₁、Φ₁和t₂、Φ₂查表得出相應的空氣密度ρ₀、ρ₁和ρ₂，結(jié)合ΔH可計算出自然風壓的大小。

采用以下公式計算自然風壓H_e1：

H_e1=(ρ₀×ΔH+ρ₁×H₁-ρ₂×H₂)×g （1）

式中：H_e1—自然風壓，Pa；

ρ₀—環(huán)境空氣的平均密度，kg/m³；

ΔH—回風井模擬管2與進風井模擬管1的管高差，m；

ρ₁—進風井模擬管1內(nèi)空氣的平均密度，kg/m³；

H₁—進風井模擬管1高度，m；

ρ₂—回風井模擬管2內(nèi)空氣的平均密度，kg/m³；

H₂—回風井模擬管2高度，m；

g—重力加速度，N/kg。

方案2：由圖2所示的本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法采用的模擬裝置中回風井井口標高等于進風井井口標高情況下的結(jié)構(gòu)示意圖看出，回風井模擬管2的高度等于進風井模擬管1的高度。此時，進風井模擬管1的外面不再纏繞用于模擬井下高溫環(huán)境的管道加熱線圈5，其它與方案1相同。其模擬方法為：采用以下公式計算自然風壓H_e1：

H_e1=(ρ₁×H₁-ρ₂×H₂)×g （2）

式中各符號的含義與方案1相同。

方案3：由圖3所示的本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法采用的模擬裝置中回風井井口低于進風井井口標高情況下的結(jié)構(gòu)示意圖看出，回風井模擬管2的高度低于進風井模擬管1的高度。其它與方案2相同。

其模擬方法為：采用以下公式計算自然風壓H_e1：

H_e1=(ρ₁×H₁-ρ₂×H₂-ρ₀×ΔH)×g （3）

式中：ΔH—進風井模擬管與回風井模擬管的管高差，m；其它符號的含義與方案1相同。

本發(fā)明一種模擬地下礦山自然風壓的方法可以通過風速傳感器7讀數(shù)直觀地體現(xiàn)出自然風壓現(xiàn)象的存在，通過溫濕度傳感器8可以量化整個模擬過程，通過溫濕度傳感器8的數(shù)值和裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)Δh計算出自然風壓的數(shù)值大小。