煤矿通风系统优化研究及应用

2018-08-02龚向楠

机械管理开发 2018年7期

关键词：风阻风量阻力

龚向楠

（同煤集团挖金湾虎龙沟煤业公司通风队，山西怀仁 038300）

1 煤矿通风系统普遍存在的问题

煤矿通风系统是煤矿通风方式、通风方法和通风网络的总称。煤矿通风系统主要包括风机及其控制、CO传感器、交通状态检测、火灾报警控制和TC控制等[1]。

目前，煤矿通风系统普遍存在的问题主要分为两大类：其一，通风系统的阻力、网络等需进一步优化；其二，矿井主通风机存在通风量不足或过剩的情况。

2 通风阻力的优化

煤矿矿井的通风阻力是影响煤矿通风系统的一个重大因素，有效减小通风阻力对优化煤矿通风系统具有至关重要的作用，可直接提高煤矿的通风质量、提高煤矿生产的安全性和经济效益。

2.1 通风阻力一般优化方法

1）根据巷道通风总阻力公式h=RQ2可知，通风总阻力h与通风量Q的平方成正比例关系，当其他条件不变的情况下，通风总阻力随通风量的增加而呈平方速度增加。因此，在其他条件保持不变且能够保证生产安全的情况下，尽量减小风量，各巷道的风量越接近自然风量，矿井巷道通风总阻力就越小。

3）煤矿通风系统的网络结构不同，即便是分支巷道的风量和风阻相同，那么通风系统的总阻力也不相同。因此在巷道数量和相关参数都已经确定的情况下，应合理设计煤矿通风系统的风流流动路线，尽量减少甚至避免串联情况，多采用并联网络结构，且应遵循早分晚合（总进风处分开，总回风处汇合）的设计原则。

2.2 通风阻力优化实例

如某矿区的一段通风结构如图1所示，其中东翼北轨道巷的回风段风阻为R1=0.47 kg/m7，东翼北旧巷道的风阻为R2=0.32 kg/m7。在通风量相同（假设为1 900 m3/min）的情况下，东翼北轨道巷的回风段通风阻力为：h=R1Q2=0.47×（1 900/60）2=471.3 Pa。

图1 某矿区的一段通风示意图

此时通风阻力较大，因此对通风系统进行优化。优化后的通风系统为并联形式，其通风示意图如图2所示。优化后的巷道风阻为

总的通风阻力为：h=RQ2=0.096×（1 900/60）2=96.3 Pa。

图2 优化后的通风示意图

可见总通风阻力变小，其减小值为：Δh=471.3-96.3=375 Pa。

通过东翼北轨道巷与旧巷道实行并联通风优化后，总通风阻力降低了375 Pa，降阻效果十分明显。

3 通风网络的优化

煤矿通风网络是指所有井筒、巷道、车场和硐室、工作面等相互连接构成的全部风流流经路线。煤矿通风网络是实际通风系统的数学表达，其基本形式有串联风路、并联风路和角连风路。其中串联风路是指一条巷道的回风再次进入其他巷道，中间没有分支；并联风路是指两条或者两条以上的通风巷道在某一点分开后又在另一点汇合，中间没有交叉巷道；角连风路是指并联风路之间增加一条或者多条其他风路。

1）控制型分风网络。是指各分支风路的风阻和所需风量已知，需要求出所需的总的最小风压和如何调节可满足各分支风量的要求，且使整个网络的风压损失保持平衡。Thomas A.Morley提出了使控制型分风网络年度总费用最小的混合整数规划模型，并用分支定界法求解[2]。

2）自然型分风网络。是指各分支风路的风量由各自的风阻大小自然分配，不增加任何人为的调控措施。А.А.СКОЧИНСКИЙ证明了在多台风机联合工作时，各台风机工作的风压相等是自然型分风网络动力消耗最小的条件，此结论随后又被推广到复杂通风网络的计算中[3]。

3）一般型分风网络。是指在整个通风网络中，一部分分支的风量已确定，另一部分的风量待定，调节分支和调节量都待求的风量调节类型。其中部分分支的风量需要按照煤矿生产进行分配而非任其自然分配，也就是需要在合理的位置安装风窗和风机等。此种类型中待求未知数的个数多于约束方程，因此属于非定解问题，通过有效规划，可保证各分支风量在达到要求的前提下，整个通风网络所需的功率最小。

4 主通风机的优化

对主通风机进行优化其实就是对主通风机的作业能力进行调节，主要包括降低主通风机能力使风量减小和增大主通风机的能力使风量变大，以满足不同时期煤矿巷道对通风的要求。调节主通风机能力的方法有很多，但在传统优化调节中主要采用的一般为如下几种：利用前导器调节风向；改变风机叶片安装角度；拆除或增加部分叶片；更换风机等。传统的调节方法虽然管用，但存在很大的弊端，比如利用前导器并不能降低电能的使用量，对主通风机进行零部件的更换更是操作复杂、效率低下。

随着科学技术的发展，目前变频调速技术开始逐渐应用在煤矿主通风机的调节上。采用变频调速技术可以实现对主通风机的平滑无极调速，进而控制主通风机的作业能力，在满足各巷道通风量的同时尽量减小资源能源的浪费[4]。