矿井局部风量调节优化设计

矿井局部风量调节优化设计

林海峰1，任玉超2，黄英雷3

1辽宁工程技术大学矿物资源工程系，辽宁阜新（123000）

2辽宁工程技术大学应用数学系，辽宁阜新（23000）

3辽宁工程技术大学材料科学与工程系，辽宁阜新（123000）

E-mail：tianyi2603@https://www.360docs.net/doc/5e5003973.html,

摘要：矿井通风系统属于生命保障系统类之一，对其进行有效的安全管理具有特殊的意义。保持风流的稳定性对于通风系统是至关重要的。本文在详细分析现有的矿井通风安

全计算软件和风量异常分析及风量调节理论的基础上，根据矿井的实际需要，提出了通

风系统风量异常与通风系统风量调节的分析研究。本文以通风系统风量异常与风量调节本文研究的最大阻力路线法，以调风设施的设兰地.点为优化目标，以矿井网路的最大阻力路线为基础，用增阻法对各独立风路进行阻力平衡，求解网路中可能存在的全部阻力调节方案，根据矿井生产条件和巷道用途，优选矿井风童调节方案。

关键词：矿井通风；风量调节；通风网路；优化调节

中图分类号：TD72

1．引言

矿井通风是煤矿生产一个重要的环节，而矿井通风的信息化又是促进采矿工业实现现代化、信息化非常重要的条件。随着信息技术的不断发展，对现代化矿井进行科学管理的要求也越来越高，如何将有关通风系统的实测资料和网络解算与分析融为一体，实现对矿井通风的一体化管理，是人们十分关心的问题，也是提高矿井管理质量的当务之急。

矿井风量调节是生产矿井通风技术管理

工作的重要内容。在矿井生产过程中，由于瓦斯涌出量的升降、通风距离的增减、工作场所气象参数的变化以及由于工作面数目的变动等因素的影响，井下各用风点的配风量常常有所变化.因此，风量调节是矿井通风技术管理的经常性工作之一。在新矿井的通风设计工作中，为了正确选择主要通风机，往往也要进行风量调节计算。目前，我国煤矿的井型趋于增大，许多老矿井通过改扩建，通风网路比较复杂，通风设施较多，增加了通风技术管理工作的难[1]

度。过去风量调节计算都采用网孔平衡算法，对复杂网路手工计算时易造成风窗的重复设置，增加全矿的通风阻力。近年来，由于电子计算机应用的普及，出现了许多风量调节的算法，主要有线性规划的单纯形算法、采用图论树图的计算方法、关键路线法、线性规划法和非线性规划法等。从优化指标考虑，风量调节算法基本上可分为两大类，一是以通风功率最小为优化指标，以回路法作算法基础，求取最小能耗下的优化调节方案;另一类是以调风设施的设置地点为优化指标，以通路法作算法基础，选取合乎矿井生产条件，调风设施位置较理想的优化方案。

2．矿井局部风量调节

在矿井通风网络中，风量的自然分配往往不能满足作业地点的风量需求，因而需要对风量进行调节。随着生产的发展和变化，工作面的推进和更替，巷道风阻、网络结构及所需的风量均在不断变化，相应地要求及时进行风量调节。所以风量调节是矿井通风技术管理中的一项经常性的工作，它对矿井安全和节约通风能耗都有重大的影响。矿井风量调节的措施多种多样。从调节设施来看，有通风机、射流器、风窗、风幕和增加并联井巷或扩大通风断面

等。按其调节的范围，可分为局部风量调节与矿井总风量调节。从通风能量的角度看，可分为增能调节、耗能调节和节能调节。[2]

2.1风量调节的基本方法

（1）增阻调节

增阻调节以并联网路中阻力大的风路的阻力值为基础，在各阻力较小的风路中增加局部阻力（安装调节风门、窗），使各条风路的阻力达到平衡，以保证各风路的风量按需供给。是在风网的有关分支上，安装某种能增加该分支风阻的设施，如安设风门、调节风窗等。矿井总进或总回风系统内增阻调节法主要适应于主要通风机的能力过大、矿井供风量过剩的矿井，其调节方法通常是在矿井的风硐中利用调节阀门调节或在矿井的总回风巷道内设置调节风窗增大矿井的总风阻来实现；对于一部分用风地点风量过剩、而其它部分用风地点风量不足的风网，是在风量过剩的用风地点或有关巷道内增设增阻调节设施达到调节目的。生产矿井通风系统中通过在巷道里安装风窗来实现增阻调节；另外，当某些用风地点完成了生产任务，如采煤工作面收作，而不需供给新风流时，往往采用设置风门或封闭方式来控制风流，这样也增加了系统的阻力。[3]

调节风门的形式如下图所示

图1 调节风门的形式

Fig 1Adjusts the air throttle the form

计算用下式计算调节风门的面积：

S’=QS/(Q+0.759S√h’)或S’=S/(1+0.759S√R’)

S’---调节风门面积h’--调节风门阻力R’--调节风门风阻

增阻调节的分析：[4]

a 增阻调节使风网总风阻增加，在一定条件下可能达不到风量调节的预期效果。如右图

所示，已知主要通风机风压曲线I和两分支的风阻曲线R1、R2，并联风网的总风阻曲线R。R与I交点a即为主要通风机的工作点，自a作垂线和横坐标相交，得出矿井总风量Q。从a作水平线和R1、R2交于b、c两点，由这两点作垂线分别得两风路的风量Q1和Q2。

图2增阻调节特性曲线

Fig 2Increases the anti- control characteristic

当风机性能不变时，由于矿井总风阻增加，使总风量减少，其减少值为△Q＝Q－Q'，安装调节风门的分支中风量也减少，其减少值为△Q1＝Q1－Q1'；另一分支风量增加，其增加值为△Q2＝Q2'－Q2。显然减少的多，增加的少，其差值就等于总风量的减少值，即△Q=△Q1－△Q2。

b 总风量的减少值与主要通风机性能曲线的陡缓有关。如右图所示，I为轴流式通风机的风压曲线，Ⅱ为离心式通风机的风压曲线。R、R’为调节前后的风阻曲线，与I、Ⅱ分别交于a、b和a’、b’；从而得出总风量的减少值△Q和△Q’。从图中看出，△Q’>△Q，表明扇风机的风压曲线愈陡，总风量的减少值愈小，反之则愈大。[5]

c 增阻调节有一定的范围，超出这个范围会达不到要求。

图3通风机风压曲线

Fig 3 Ventilator wind pressure curve

（2）减阻调节

减阻调节就是在风网调节的分支上减小风阻。其具体的措施有：降低巷道局部阻力，其中即消除井巷突然扩大、缩小的结构形式；巷道转弯出加大曲率半径并做成圆弧；改变井巷的支护形式或井巷壁面光滑度；扩大井巷断面等。减阻调节一般是在矿井供风不足、一时又无法提高矿井主要通风机的能力或采用提高主要通风机能力不经济的情况下实施的调节措施。对供风不足的用风地点，其减阻调节措施可在本分支内进行，也可在用风地点的上游或下游分支内实施。降阻调节分析：降阻调节的优点是使矿井总风阻减少。若风机风压曲线不变，调节后，矿井总风量增加。降阻调节多在矿井产量增大、原设计不合理、主要巷道年久失修的情况下，用来降低主要风流中某一段巷道的阻力。一般，当所需降低的阻力值不大时，应首先考虑减少局部阻力。另外，也可在阻力大的巷道旁侧开掘并联巷道。在一些老

矿中，应注意利用废旧巷道供通风用。[6]

（3）增压调节

增压调节就是在风网的分支内安设某种增能设施，如辅助通风机、引射器等。这种调节方法是用在主要通风机工作能力不足，最大通风阻力路线上的阻力又不能降低或降低的代价太大的条件下采用。如果采用增加风压的调节方法，在阻力较大的二采区内安设辅助通风机的方法有：

a选择合适的辅助通风机，但不调整主要通风机的风压曲线。如图所示，主要通风机是70B2-21型、24号、600r/min的轴流式通风机，动轮叶片安装角度是27.5°，静风压特性曲线是Ⅰ曲线，这时风机的工作点是a点。

图4增压调节特性曲线

Fig4 Turbo-charged control characteristic[7]

这台辅助通风机要按以下两个数值来选择：

通过辅助通风机的风量为二采区的风量：

Qaf＝34.7m3/s

辅助通风机的全风压：

haft＝1529.2－565.1≈964Pa

它的全风压特性曲线应通过或大于这两个数值所构成的工作点b。一采区按需通过27.07m3/s的风量时，其阻力是505.6Pa，这个数值小于主要通风机能够供给这个采区使用的剩余风压，即565.1－505.6＝59.5Pa。

在此情况下，还要在一采区的回风流中安设调节风门，使它能够产生59.5Pa 的阻力。

b 选择合适的辅助通风机，同时调整主要通风机的风压曲线。在二采区安设一台辅助通风机。

通过辅助通风机的风量Qaf＝34.7m3/s

辅助通风机的全风压haft＝1529.2－505.6＝1023.6Pa

同时要调整主要通风机的静风压特性曲线，使它通过以下两个数值所构成的工作点：

主要通风机的风量Qaf＝68.6m3/s

主要通风机的静风压hfs＝953.9＋505.6＝1459.5Pa

与降阻调节法比较

优点：在阻力较大的风路中安装辅助通风机，无需调节主风机而使得风量增大，相当于主要通风机对这条风路的工作风阻下降，这点和降阻调节法很类似，但比降阻调节法施工快而且方便。

缺点：管理工作较复杂，安全性比较差[8]

与增阻调节法比较：

优点：使主要通风机的电力费降低很多，服务时间又长时，比较经济。

缺点：管理工作比较复杂，安全性比较差，施工比较困难。

适用条件：并联风网中各条风路的阻力相差比较悬殊，主要通风机风压满足不了阻力较大的风路，不能采用增阻调节法，而采用降阻调节法又来不及时，可采用增压调节法。

2.2最优算法的数学描述

最大阻力路线算法，以调风设施的设置地点作为优化目标，采用简单易行、时效性强的增阻法进行网路的阻力调节。即在网路中选择最大阻力路线作为标准阻力风路，对网路中各独立风路上的可调分支实施调节，设置调风设施，增加通风阻力，使各风路阻力平衡。[9]在调节计算时，先从调阻最小的风路开始，将调风设施安置在风路中的独立分支中，然后依据调阻值不同，依次由小到大对各风路进行调节。通过调节计算，·可求解出网路中可能存在的所有阻力调节方案(包括调节地点和调节量)，再根据生产条件和巷道功用，选择优化调节方案。本算法的数学Hi=∑hi=∑Ri*Qi2

Hi—网路中第i条风路的总阻力，pa; Rj—j分支的风阻，kg/m，;Qj—j分支的风量，m h’=Hmax一H:(i=1，2，…，N一l)。

∑Heij=h’

由(1)、(2)和(3)式，可以求得各个

可调分支的调节量。

图5调阻计算网络图

Fig5 Adjusts the anti- computation network chart

某新井通风系统网路图如图2所示，两对角式通风，全矿共8个采煤工作面，其两个备用。保证采掘的接续，两翼各有个掘进工作面，北翼采煤工作面配风5，3/:，备用工作面7.5m3/:;南翼由于瓦斯小，采煤工作面配风为10m，/:。备用工作面sm丫:。掘进工作面平均供风3.7m3/，，绞车房1.。仇3/:，变电所l.sm3/s，火药库2.503/s。此外，网路中存在多处漏风，每处漏风2~4m3/s，由于漏风是通过局部通风机附近的风门，故与掘进用风一起处理。进行

网路解算，按需配风分支以固定风量方式处理，求得全矿的风量分配，以该风量为基础进行风量调节计算。为此，首先根据网路图2绘出调阻网路图，即删去掘进用风分支和漏风分支，保留全部节点，调阻网路如图所示，其中1和2分支是南、北大同，不失真.巷掘进回风巷，为非调阻分支，本应删去，但输入有关参数，上机计算结果如下表1如翔去上述分支会造成网路断开，出现死头。所示(由于篇幅所限，在此仅绘出最优方在轴入数据时，1、2分支风阻取零，使之不案):影响调阻计算，同时在选择调阻方案时，1、据表1中计算结果，要实现井下各用风2分支列为不可调阻分支。通过上述处理，保点的配风量，网路中只需设置表1所列的14证了调阻网路和矿井实际网路的风量分配相个风窗即可满足要求. [10]

表1新井通风设计风量调节计算结果

Chart1The new well ventilates the amount of wind designed and regulates the result of calculation

3．实验及结果分析

最优法以增阻法进行矿井局部风量调节，实用性强，适应煤矿通风技术管理工作的需要。同时，由于上机过程中得到的有关最大阻力路线的信息，为改善矿井通凤提供条件。

表2 生产矿井风量优化调节计算结果

Chart2Produce the wind amount of the mine and optimize and regulate the result of calculation

4．总结

(1)性能稳定、工作可靠、监测参数准确度高，由于参数的监测具有严格的同时性，压能的风提供了有益的参数。

(2)在调阻计算过程中，可得到可能存在的所有调阻方案，数量众多，完全可以选出理

想的优化调节方案，调风设施可设在风路的进风区，用风区和回风区，使风窗的设置位置合乎煤矿生产的要求。

(3)本程序既可用于新井通风设计时的风量调节计算，也可用于生产矿井的风量优化调节计算。程序完全按照矿井网路的实际情况进行配风，调阻计算时可删除网路中的非调阻分支(漏风和掘进分支)，程序不要求满足节点风量平衡方程，灵活实用。

(4)在生产矿井风量优化调节计算时，可充分考虑网路中已有的调风设施，使所选的方案与原有调风设施相适应，减少调风设施拆除与安装工程量。[11]

调整以后的两台风机都使用了叶片角度最大的特性曲线，考虑到有时会出现反向自然风压和风路的风阻变大等因素，使两台风机的工作点都超出合理工作范围，造成运转不安全，而且噪音大，在此情况下，宜适当降低风路上的风阻，尽可能做到既保证矿井所需风量，又少用或不用风机叶片最大角度的特性曲线。变阻调节矿井通风系统供风量时，应综合考虑矿井通风系统风量的稳定性川，生产规模，能量消耗及工程量，选择最佳的调节方法，保证矿井通风系统安全经济的运行。[12]联合变阻法适合生产规模较大的矿井，此时可综合降阻调节和增阻调节方法的优点，变阻比例比例入二入。变阻风量调节具有最高的经济性。矿井通风系统进行增阻风量调节时，应避免在矿井主要进、回风道安设调节设施，否则影响风量稳定川，间接影响经济性。降阻调节时，应避免在用风巷道施工降阻，因为工程费用大，操作复杂，而且可降幅度不大，收效甚微，经济性很差。

参考文献

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[2] 房秀敏. 表面活性剂在煤炭工业中的应用[J]. 表面活性剂工业, 1996, (03) .

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[4] 刘承思. 用网孔组合法计算风量调节值[J]. 东北煤炭技术, 1994, (02) .

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[10] 鞠殿铭,王保伦. 井巷风阻确定方法的研究与探讨[J]. 辽宁工程技术大学学报, 1991, (S1)

[11] 黄俊歆. 矿井通风系统仿真可视化研究及其应用[D]湖南科技大学, 2007 .

[12] 武晓敏. 矿井通风网络解算、调节与评价一体化研究[D]重庆大学, 2008

Some wind amount of the mine regulates optimization

design

Lin Haifeng1, RenY uchao2, HuangYinglei3

1 Liaoning University of Engineering and Technology Department of Mineral Resources, Fuxin,

Liaoning (123000)

2 Liaoning University of Engineering and Technology Department of Applied Mathematics, Fuxin,

Liaoning (123000)

3 Liaoning University of Engineering and Technology of Materials Science and Engineering,

Fuxin, Liaoning (123000)

Abstract

Mine ventilation system is one type of life support system, its effective safety management is of special significance. Airflow to maintain the stability of the ventilation system is essential. In this paper, a detailed analysis of the existing mine ventilation and wind calculation software security analysis and the volume of abnormal air-flow theory based on the actual needs of the mine, the air volume ventilation system anomalies and air-flow ventilation system analysis. In this paper, the ventilation system and air volume for air-flow anomaly In this paper, the greatest obstacle to the road law, to transfer the wind facility located in Portland. Point to optimize the target in order to mine the greatest obstacle to the road network based on

With increasing resistance on the road to independent wind resistance balance, may exist in the network to solve all the resistance adjustment program, according to production conditions and the roadway mine use, optimization of mine wind child adjustment program

Key words: Mine ventilation; air volume adjustment; ventilation network; optimization adjustment

作者简介：

林海峰，男，1986年生，本科生，主要研究方向是采矿工程，井工开采。

任玉超，女，1989年生，本科生，主要研究方向是数学和计算机。

黄英雷，男，1987年生，本科生，主要研究方向是高分子材料