礦井風(fēng)路中影響風(fēng)流的因素及風(fēng)量調(diào)節(jié)問題研究

景巨棟

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司羊場灣煤礦，寧夏靈武751400)

0 引言

首先，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的管理是一項復(fù)雜工作，對整個通風(fēng)系統(tǒng)管理和維護(hù)也是非常困難的，特別是對于特大型礦山，井巷錯綜復(fù)雜，井下通風(fēng)設(shè)備復(fù)雜多樣，井下環(huán)境多變，要準(zhǔn)確的獲得井下即時變化的信息是非常困難的，傳統(tǒng)的人工管理方式不可能及時有效維護(hù)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。如果能夠?qū)⒄麄€礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況及時有效的反饋到管理人員手中，礦井通風(fēng)管理工作將得到極大改善。

1 風(fēng)路中影響風(fēng)流的因素

1.1 井巷風(fēng)阻變化引起風(fēng)流變化的規(guī)律

礦井風(fēng)網(wǎng)內(nèi)分支風(fēng)阻變化是經(jīng)常發(fā)生的。有些風(fēng)阻變化是按原計劃進(jìn)行的，如采、掘工作面的推進(jìn)和搬遷、采區(qū)的接替、水平的延伸、系統(tǒng)的調(diào)整等；有些風(fēng)阻變化則是隨機(jī)的，如風(fēng)門的開啟、巷道的垮塌、罐籠和車輛的運(yùn)行等；還有因巷道老化而引起的風(fēng)阻變化等。任何原因引起的風(fēng)阻變化都會導(dǎo)致風(fēng)網(wǎng)內(nèi)風(fēng)流的變化。

1．1．1 變阻分支本身的風(fēng)量與風(fēng)壓變化規(guī)律當(dāng)某分支風(fēng)阻增大時，該分支的風(fēng)量減小、風(fēng)壓增大；當(dāng)風(fēng)阻減小時，該分支風(fēng)量增大、風(fēng)壓降低。這一規(guī)律是由井巷通風(fēng)阻力定律和通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓性能特性所決定的。

1．1．2 變阻分支對其它分支風(fēng)量與風(fēng)壓的影響規(guī)律

（1）當(dāng)某分支某分支風(fēng)阻增大時，包含該分支的所有通路上的其它分支的風(fēng)量減小，風(fēng)壓亦減??；與該分支并聯(lián)的通路上的分支的風(fēng)量增大，風(fēng)壓亦增大；當(dāng)風(fēng)阻減小時與此相反。

（2）對于一進(jìn)一出的子網(wǎng)絡(luò)，若外部分支調(diào)阻引起其流入（流出）風(fēng)量變化，其內(nèi)部各分支的風(fēng)量變化趨勢相同。

（3）風(fēng)網(wǎng)內(nèi)，某分支風(fēng)阻變化時，各分支風(fēng)量、風(fēng)壓的變化幅度，以本分支為最大，鄰近分支次之，離該分支越遠(yuǎn)的分支變化越小。

（4）風(fēng)網(wǎng)內(nèi)，不同類型的分支風(fēng)阻變化引起的風(fēng)量變化幅度和影響范圍是不同的。一般地說，主干巷道變阻引起的風(fēng)量變化幅度和影響范圍大，末分支巷道變化引起的風(fēng)量變化幅度和影響范圍小。

（5）風(fēng)網(wǎng)內(nèi)某分支增阻時，增阻分支風(fēng)量減小值比其并聯(lián)分支風(fēng)量增加值大；某分支減阻時，減阻分支風(fēng)量增加值比其并聯(lián)分支風(fēng)量減小值大。這種差值，是由于當(dāng)某分支風(fēng)阻增減時，風(fēng)網(wǎng)的總風(fēng)阻隨之增減，導(dǎo)致風(fēng)網(wǎng)總風(fēng)量亦發(fā)生變化而引起的。

1．1．3 巷道密閉與貫通對風(fēng)流的影響

巷道密閉相當(dāng)于該分支的風(fēng)阻增至無窮大，故本分支風(fēng)量減少到趨近于0；對其他分支的影響規(guī)律與分支增阻相同。

1.2 影響風(fēng)流穩(wěn)定性的因素

在生產(chǎn)礦井中，影響風(fēng)流穩(wěn)定的因素很多。通風(fēng)動力、通風(fēng)構(gòu)筑物的非正常工作狀況，自然風(fēng)壓，巷道的貫通與封閉，工作面的推進(jìn)與轉(zhuǎn)移，采區(qū)接替，生產(chǎn)水平過渡，巷道中的行人、行車和堆積物等等。都會影響風(fēng)流的穩(wěn)定。去掉上述影響因素的物理意義，就可由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、巷道風(fēng)阻的變化、系統(tǒng)通風(fēng)動力的變化三個方面。

1．2．1 回路中輔助風(fēng)機(jī)自然風(fēng)壓對風(fēng)流的影響

在回路中有通風(fēng)動力hp=hf+hz（輔助通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓加上自然風(fēng)壓）時，不僅有通風(fēng)動力的風(fēng)路的風(fēng)量、風(fēng)壓要發(fā)生變化，而且引起的網(wǎng)絡(luò)中其它風(fēng)路的風(fēng)量、風(fēng)壓重新分配。在有通風(fēng)動力的回路中，其風(fēng)壓平衡定律為：

式中：hp為通風(fēng)動力值；為回路中與hp同流向的各風(fēng)路的風(fēng)壓值；為回路中與hp反流向的各風(fēng)路風(fēng)壓值。

將上式對通風(fēng)動力取微分：

當(dāng)分析回路中與hp同流向的各風(fēng)路風(fēng)量、風(fēng)壓變化趨勢時，令：

代入式（2）得：

上式表明：其變化率為負(fù)值。說明有了通風(fēng)動力后，與hp反流向的各風(fēng)路其風(fēng)壓下降、風(fēng)量也減少。

1．2．2 回路中其它風(fēng)路的風(fēng)量、風(fēng)壓的影響

在閉合回路中各風(fēng)路的風(fēng)阻、風(fēng)量、風(fēng)壓之間關(guān)系應(yīng)滿足風(fēng)壓平衡定律，即：

式中：hk為回路中風(fēng)阻變化的風(fēng)路ek的風(fēng)量值；Σhi為回路中與ek同流向的各風(fēng)路的風(fēng)壓值；為回路中與ek反流向的各風(fēng)路的風(fēng)壓值。

將式（4）取微分為：

式（5）表明：在回路中改變某一風(fēng)路的風(fēng)阻，不僅該風(fēng)路的風(fēng)量、風(fēng)壓發(fā)生變化，其它風(fēng)路的風(fēng)量、風(fēng)壓也發(fā)生了變化。

1.2.3 風(fēng)路中風(fēng)阻變化對風(fēng)流的影響

風(fēng)路的風(fēng)阻，風(fēng)量,風(fēng)壓之間的關(guān)系滿足阻力定律，即：

當(dāng)rk發(fā)生變化時，其風(fēng)量,風(fēng)壓也相應(yīng)的發(fā)生改變，對式(6)取微分：

式中：dhk/drk為風(fēng)路的風(fēng)壓對風(fēng)阻的變化率；dqk/drk為風(fēng)路中風(fēng)量對風(fēng)阻的變化率；

上式表明：風(fēng)阻變化時,其風(fēng)壓風(fēng)量均發(fā)生改變。

2 礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)

2.1 風(fēng)量調(diào)節(jié)的基本方法

2．1．1 增阻調(diào)節(jié)

增阻調(diào)節(jié)是在風(fēng)網(wǎng)的有關(guān)分支上，安裝某種能增加該分支風(fēng)阻的設(shè)施，如安設(shè)風(fēng)門、調(diào)節(jié)風(fēng)窗等。礦井總進(jìn)或總回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)增阻調(diào)節(jié)法主要適應(yīng)于主要通風(fēng)機(jī)的能力過大、礦井供風(fēng)量過剩的礦井，其調(diào)節(jié)方法通常是在礦井的風(fēng)硐中利用調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)或在礦井的總回風(fēng)巷道內(nèi)設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗增大礦井的總風(fēng)阻來實現(xiàn)；對于一部分用風(fēng)地點風(fēng)量過剩、而其它部分用風(fēng)地點風(fēng)量不足的風(fēng)網(wǎng)，是在風(fēng)量過剩的用風(fēng)地點或有關(guān)巷道內(nèi)增設(shè)增阻調(diào)節(jié)設(shè)施達(dá)到調(diào)節(jié)目的。生產(chǎn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)中通過在巷道里安裝風(fēng)窗來實現(xiàn)增阻調(diào)節(jié)；另外，當(dāng)某些用風(fēng)地點完成了生產(chǎn)任務(wù)，如采煤工作面收作，而不需供給新風(fēng)流時，往往采用設(shè)置風(fēng)門或封閉方式來控制風(fēng)流，這樣也增加了系統(tǒng)的阻力。

2．1．2 減阻調(diào)節(jié)

減阻調(diào)節(jié)就是在風(fēng)網(wǎng)調(diào)節(jié)的分支上減小風(fēng)阻。其具體的措施有：降低巷道局部阻力，即消除井巷突然擴(kuò)大、縮小的結(jié)構(gòu)形式；巷道轉(zhuǎn)彎出加大曲率半徑并做成圓??；改變井巷的支護(hù)形式或井巷壁面光滑度；擴(kuò)大井巷斷面等。減阻調(diào)節(jié)一般是在礦井供風(fēng)不足、一時又無法提高礦井主要通風(fēng)機(jī)的能力或采用提高主要通風(fēng)機(jī)能力不經(jīng)濟(jì)的情況下實施的調(diào)節(jié)措施。對供風(fēng)不足的用風(fēng)地點，其減阻調(diào)節(jié)措施可在本分支內(nèi)進(jìn)行，也可在用風(fēng)地點的上游或下游分支內(nèi)實施。

2．1．3 增壓調(diào)節(jié)

增壓調(diào)節(jié)就是在風(fēng)網(wǎng)的分支內(nèi)安設(shè)某種增能設(shè)施，如輔助通風(fēng)機(jī)、引射器等。這種調(diào)節(jié)方法是用在主要通風(fēng)機(jī)工作能力不足，最大通風(fēng)阻力路線上的阻力又不能降低或降低的代價太大的條件下采用。

2.2 風(fēng)量調(diào)節(jié)的原理

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流的流動遵循通風(fēng)三大定律。在既定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各分支風(fēng)阻已知的前提下，欲改變某些分支的風(fēng)量，則意味著這些分支的需風(fēng)量與自然分配的風(fēng)量不吻合。若按需風(fēng)量考慮，則風(fēng)壓平衡定律無法滿足，即：

這時必須采取人為干預(yù)措施，即采取風(fēng)量調(diào)節(jié)措施，才能使風(fēng)量平衡定律得到滿足。通常采用的方法是在某些分支中考慮一阻力調(diào)節(jié)值Δhj＞0，即：

上式即為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流調(diào)節(jié)的基本數(shù)學(xué)模型。若Δhj＞0，需增阻調(diào)節(jié)；若Δhj＜0，需減阻或增壓調(diào)節(jié)；若Δhj=0，則不需調(diào)節(jié)。

3 結(jié)束語

總之，在礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，風(fēng)量的自然分配往往不能滿足作業(yè)地點的風(fēng)量需求，因而需要對風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和變化，工作面的推進(jìn)和更替，巷道風(fēng)阻、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及所需的風(fēng)量均在不斷變化，相應(yīng)地要求及時進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。所以風(fēng)量調(diào)節(jié)是礦井通風(fēng)技術(shù)管理中的一項經(jīng)常性的工作，它對礦井安全和節(jié)約通風(fēng)能耗都有重大的影響。

［1] 沈漢年，楊娟．礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流控制的改進(jìn)算法[J] ．工業(yè)安全與防塵，2001，27（6）：3-6．

［2] 吳勇華.通風(fēng)系統(tǒng)靈敏度分析[J] .西安礦業(yè)學(xué)院院學(xué)報，1992（3）：207-212．

［3] 魏引尚，常心坦，李如明.復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J] .西安科技學(xué)院學(xué)報，2003，23（2）：119-122．