煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究及應(yīng)用

龔向楠

（同煤集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司通風(fēng)隊， 山西 懷仁 038300）

1 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)普遍存在的問題

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦通風(fēng)方式、通風(fēng)方法和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的總稱。煤礦通風(fēng)系統(tǒng)主要包括風(fēng)機(jī)及其控制、CO傳感器、交通狀態(tài)檢測、火災(zāi)報警控制和TC控制等[1]。

目前，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)普遍存在的問題主要分為兩大類：其一，通風(fēng)系統(tǒng)的阻力、網(wǎng)絡(luò)等需進(jìn)一步優(yōu)化；其二，礦井主通風(fēng)機(jī)存在通風(fēng)量不足或過剩的情況。

2 通風(fēng)阻力的優(yōu)化

煤礦礦井的通風(fēng)阻力是影響煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的一個重大因素，有效減小通風(fēng)阻力對優(yōu)化煤礦通風(fēng)系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用，可直接提高煤礦的通風(fēng)質(zhì)量、提高煤礦生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 通風(fēng)阻力一般優(yōu)化方法

1）根據(jù)巷道通風(fēng)總阻力公式h=RQ2可知，通風(fēng)總阻力h與通風(fēng)量Q的平方成正比例關(guān)系，當(dāng)其他條件不變的情況下，通風(fēng)總阻力隨通風(fēng)量的增加而呈平方速度增加。因此，在其他條件保持不變且能夠保證生產(chǎn)安全的情況下，盡量減小風(fēng)量，各巷道的風(fēng)量越接近自然風(fēng)量，礦井巷道通風(fēng)總阻力就越小。

3）煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，即便是分支巷道的風(fēng)量和風(fēng)阻相同，那么通風(fēng)系統(tǒng)的總阻力也不相同。因此在巷道數(shù)量和相關(guān)參數(shù)都已經(jīng)確定的情況下，應(yīng)合理設(shè)計煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流流動路線，盡量減少甚至避免串聯(lián)情況，多采用并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且應(yīng)遵循早分晚合（總進(jìn)風(fēng)處分開，總回風(fēng)處匯合）的設(shè)計原則。

2.2 通風(fēng)阻力優(yōu)化實例

如某礦區(qū)的一段通風(fēng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中東翼北軌道巷的回風(fēng)段風(fēng)阻為R1=0.47 kg/m7，東翼北舊巷道的風(fēng)阻為R2=0.32 kg/m7。在通風(fēng)量相同（假設(shè)為1 900 m3/min）的情況下，東翼北軌道巷的回風(fēng)段通風(fēng)阻力為：h=R1Q2=0.47×（1 900/60）2=471.3 Pa。

圖1 某礦區(qū)的一段通風(fēng)示意圖

此時通風(fēng)阻力較大，因此對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)為并聯(lián)形式，其通風(fēng)示意圖如圖2所示。優(yōu)化后的巷道風(fēng)阻為

總的通風(fēng)阻力為：h=RQ2=0.096×（1 900/60）2=96.3 Pa。

圖2 優(yōu)化后的通風(fēng)示意圖

可見總通風(fēng)阻力變小，其減小值為：Δh=471.3-96.3=375 Pa。

通過東翼北軌道巷與舊巷道實行并聯(lián)通風(fēng)優(yōu)化后，總通風(fēng)阻力降低了375 Pa，降阻效果十分明顯。

3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是指所有井筒、巷道、車場和硐室、工作面等相互連接構(gòu)成的全部風(fēng)流流經(jīng)路線。煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是實際通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)，其基本形式有串聯(lián)風(fēng)路、并聯(lián)風(fēng)路和角連風(fēng)路。其中串聯(lián)風(fēng)路是指一條巷道的回風(fēng)再次進(jìn)入其他巷道，中間沒有分支；并聯(lián)風(fēng)路是指兩條或者兩條以上的通風(fēng)巷道在某一點(diǎn)分開后又在另一點(diǎn)匯合，中間沒有交叉巷道；角連風(fēng)路是指并聯(lián)風(fēng)路之間增加一條或者多條其他風(fēng)路。

1）控制型分風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。是指各分支風(fēng)路的風(fēng)阻和所需風(fēng)量已知，需要求出所需的總的最小風(fēng)壓和如何調(diào)節(jié)可滿足各分支風(fēng)量的要求，且使整個網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)壓損失保持平衡。Thomas A.Morley提出了使控制型分風(fēng)網(wǎng)絡(luò)年度總費(fèi)用最小的混合整數(shù)規(guī)劃模型，并用分支定界法求解[2]。

2）自然型分風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。是指各分支風(fēng)路的風(fēng)量由各自的風(fēng)阻大小自然分配，不增加任何人為的調(diào)控措施。А.А.СКОЧИНСКИЙ證明了在多臺風(fēng)機(jī)聯(lián)合工作時，各臺風(fēng)機(jī)工作的風(fēng)壓相等是自然型分風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動力消耗最小的條件，此結(jié)論隨后又被推廣到復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的計算中[3]。

3）一般型分風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。是指在整個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，一部分分支的風(fēng)量已確定，另一部分的風(fēng)量待定，調(diào)節(jié)分支和調(diào)節(jié)量都待求的風(fēng)量調(diào)節(jié)類型。其中部分分支的風(fēng)量需要按照煤礦生產(chǎn)進(jìn)行分配而非任其自然分配，也就是需要在合理的位置安裝風(fēng)窗和風(fēng)機(jī)等。此種類型中待求未知數(shù)的個數(shù)多于約束方程，因此屬于非定解問題，通過有效規(guī)劃，可保證各分支風(fēng)量在達(dá)到要求的前提下，整個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)所需的功率最小。

4 主通風(fēng)機(jī)的優(yōu)化

對主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化其實就是對主通風(fēng)機(jī)的作業(yè)能力進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要包括降低主通風(fēng)機(jī)能力使風(fēng)量減小和增大主通風(fēng)機(jī)的能力使風(fēng)量變大，以滿足不同時期煤礦巷道對通風(fēng)的要求。調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)能力的方法有很多，但在傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)中主要采用的一般為如下幾種：利用前導(dǎo)器調(diào)節(jié)風(fēng)向；改變風(fēng)機(jī)葉片安裝角度；拆除或增加部分葉片；更換風(fēng)機(jī)等。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法雖然管用，但存在很大的弊端，比如利用前導(dǎo)器并不能降低電能的使用量，對主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行零部件的更換更是操作復(fù)雜、效率低下。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前變頻調(diào)速技術(shù)開始逐漸應(yīng)用在煤礦主通風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)上。采用變頻調(diào)速技術(shù)可以實現(xiàn)對主通風(fēng)機(jī)的平滑無極調(diào)速，進(jìn)而控制主通風(fēng)機(jī)的作業(yè)能力，在滿足各巷道通風(fēng)量的同時盡量減小資源能源的浪費(fèi)[4]。

5 結(jié)論

1）煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的良好運(yùn)行是煤礦安全生產(chǎn)的必要條件，隨著煤礦開采進(jìn)程的不同以及通風(fēng)設(shè)備的老化程度，需要在煤礦生產(chǎn)過程中定時對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

2）影響煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的因素多種多樣且十分復(fù)雜，通過分析總結(jié)，對通風(fēng)系統(tǒng)主要可以從通風(fēng)系統(tǒng)的阻力、網(wǎng)絡(luò)以及礦井主通風(fēng)機(jī)等方面進(jìn)行優(yōu)化。