风窗对井下通风系统的影响及其调节与定位优化

冯振超

摘 要：利用回路阻力平衡关系分析了井下风窗安装前后通风系统中各分支间风流流动关系，提出了某些分支安装风窗后，通风系统各分支的风量对此变化作出反应的分析模型，给出了度量风量和阻力反应敏感性强弱的方法;假定通风系统中某些分支同时安装风窗，在保留风窗的使用对通风系统所带来的正面作用，但要抑制其负面作用的条件下，基于尽可能使所有参与调节的分支的风阻增、减值最小化的原则，提出了指定分支实施调节的调阻调节法和优选分支实施调节的调阻调节法，并建立了相关最优调节模型及其求解方法.结果表明：两种模型可以在风窗安装之前进行解算，解算结果可预知风窗安装后通风系统各分支的风流的分布情况，并确定出相应的调控策略;优选分支调阻调节模型可以用于选择最优的风窗安装位置、数量及风窗阻力，后者可以用于确定风窗窗口面积.

关键词：井下风窗;微变自动调风技术;风量震荡;调节精度

利用回路电阻平衡关系，分析了井下窗安装前后通风系统支路间的气流关系。提出了一种分析模型，用以测量通风系统在部分分支安装窗后，不同分支风量变化的敏感性和阻力响应。假设通风系统的某些分支同时装有风窗，在保留风窗的使用对通风系统所带来的正面作用，但要抑制其负面作用的条件下，基于尽可能使所有参与调节的分支的风阻增、减值最小化的原则，提出了指定分支实施调节的调阻调节法和优选分支实施调节的调阻调节法，并建立了相关最优调节模型及其求解方法。

一、井下通风系统概述

通风系统是矿井通风方式、通风方法和通风网络的总称。通常情况下，井下通风系统是专业的通风机和通风网络组成的，通过对风流加以引导，使风从井口进入到矿井，然后由各个通风机将风在通风网络中按照一定的方向进行引导，使风进入到用风场所，最后到达回风井中。稳定的通风系统保证了风场的用风，而很多事故的发生都是由于通风系统不稳定造成的。因此，分析和找出影响通风系统稳定性的因素，优化通风系统，将会降低安全生产事故的发生率，提高生产效率和经济效益。

二、风窗对风流稳定性影响的分析

1.节点风量平衡与回路阻力平衡方程。井下通风网络是一个闭合的简单图，需要运用图论的知识对其进行分析。若其节点数为J个，分支数为N个，则该风网的独立回路数为M=N-J+1。若已知通风网络中各分支的风阻、风机风压和自然风压，则根据风压平衡定律，风網中任意回路的风压的代数和为零，可列出M个回路阻力平衡方程：

利用式（2）可使对风网的解算转化为求解由式（1）描述的M个回路阻力平衡方程，方程维数大幅压缩。

2.风窗的使用对通风系统的影响。假设通风系统中某些分支同时安装风窗，安装风窗的分支的集合为C，此时在集合C中的分支通风阻力增大，即对于集合C中的分支m来说，其增大阻力为ΔH m，该阻力的大小与风窗的开口面积成反比，具体计算方法可参阅文献。为了维持通风系统的阻力平衡，各分支风量必随之发生变化，设其变化量分别为ΔQ 1，ΔQ 2，…，ΔQ N。显然，无论发生何种变化，回路阻力平衡式（1）必须满足，即

式（3）中，Q bj为通风系统未安装任何风窗时分支j的风量;ΔQ j为通风系统安装风窗后分支j的风量变化量。利用式（2），方程式（3）完全可以确定N个分支的风量变化量ΔQ 1，ΔQ 2，…，ΔQ N。当通风系统某些分支安装风窗确定后，通风系统中分支j风量发生变化，这种变化对通风系统的影响程度可用如下公式描述：

式（4）中，ξj称为分支j的风量变化对通风系统安装风窗的风量敏感指数，这种敏感指数有4种可能性：（1）ξj≥1，表明当通风系统安装风窗后，受影响分支j的风量变化也随之同向增大，此时风窗不会导致风流反向;（2）-1<ξj<1，表明当通风系统安装风窗后，受影响分支j的风量变化也随之减小，但不会导致风流反向;（3）ξj≤-1，表明当通风系统安装风窗后，受影响分支j的风量变化也随之逆向增大，此时会导致风流反向;（4）ξj=0，表明当通风系统安装风窗后，分支j不受影响。对于一个具体的通风系统，应当设置合适的风量敏感指数承受值区间[-ζ0，ζ0]，ζ0<1。安装风窗后，应对风量敏感指数ξj≥ζ0或ξj≤-ζ0的所有分支进行重点分析，以确定其是否有害。若发现有害，则需要进行调控。同理，可定义压力敏感指数：

式（5）中，H j为通风系统未安装任何风窗时分支j的压力;ΔH j为通风系统安装风窗后分支j的压差变化。由于分支j的风量与风压具有H j=Rj Q jQ j，因此风量敏感指数与压力敏感指数性质类似，且可以相互转换。因此，应用中可任选一种即可。

三、复杂矿井通风系统优化方法

针对开采多年并开始步入深井开采的复杂大型矿山，要解决通风系统运行过程中存在的诸多问题，实现矿井风流的有序流动和井下生产的正常进行，需要及时开展矿井通风系统调查、测试和分析，应用先进的通风三维仿真系统软件对矿井通风系统进行优化和完善。一般从通风网络、风流调节设施和通风构筑物等方面进行优化，其难点在于通风网络复杂分支巷道多、辅扇多、风流调节的点多等。

1.矿井通风系统优化软件矿井通风系统优化软件是运用FORTRAN 90编写的，运算迭代速度快，通风网络分析数据可靠，实用性和通用性强，不仅适用于复杂的统一通风系统，也适用于多辅扇或多级机站通风系统的优化，能有效解决大型复杂矿井通风系统优化的难题。该软件主要包括自然风压适时计算、通风网络解算、通风系统三维模型建造、数据输入输出与查询等模块。自然风压适时计算模块能将实测得到的不同季节不同时间的地表和井下的气温参数，以及进、回风井筒深度值输入计算机，自动计算矿井自然风压值，并自动刷新至通风系统网络解算的原始数据库，实现适时分析自然风压对矿井通风系统的影响，有助于了解自然风压的变化规律。通风网络解算模块能通过对通风系统网络进行数据前处理，将所有的数据转化为计算机软件要求的格式输入计算机，可实现多种通风系统方案的设计、方案实施后通风效果的计算机模拟、工作面风量的自动诊断等。

2.通风网络优化。矿井通风网络优化是矿井通风系统优化的核心内容之一，因此，在进行通风网络优化时，一般以矿井通风系统设计和矿井通风系统现状为基础，应用矿井通风三维仿真系统优化通风网络结构（如新增或减少通风巷道等）。矿井通风网络优化力求简单明了，主要从通风巷道断面积、生产布局、通风线路等方面进行优化，力求通风线路最短通风阻力最小、有害角联巷道少、风量分配合理、通风压力均衡、通风调节简单、通风网络管理容易等，确保通风网络的通畅。

3.通风构筑物优化。通风构筑物是用于引导风流、阻隔风流和调节风流的设施，对井下风流调控有着非常重要的作用。在不增加矿井通风系统阻力的前提下，根据风流调控的需要，应用矿井通风三维仿真系统优化通风构筑物的类型及位置等。力争在不增加矿井通风阻力的情况下，做到通风构筑物位置设置合理，确保构筑物质量，能有效控制风流循环和漏风，实现风流合理调控，保障矿井生产安全有序。

4.风机优选。矿井风机的优选可综合考虑选用高效节能风机、采用变频调节技术、风机数量、风机结构参数和安装位置等因素，优化目标是风机运行经济和效率高。据不完全统计，矿井通风用电平均占全矿用电的30%。在矿井通风系统优化中，一般依据矿井总需风量和矿井通风阻力，尽可能选择新型高效节能风机，使之与矿井通风系统相匹配;依据自然风压适时计算模块所得到的不同季节自然风压的变化规律，可以应用调频技术，实现风机转速适时调节和平稳启动，合理节约风机的运行能耗。另外，对于优化现有风机可以从调整风机叶片径向间隙和叶片安装角、配用专用扩散器、改善风硐转角减少射流偏流现象及风流冲击损失等方面提高风机的运行效率，将部分动压转化为静压，降低出口动压损失，提高静压效率。

四、低震荡高精度微变实时自动调风技术

1.PID 控制数学模型。装置采用 PID（比例 - 积分 - 微分）控制器实现风量实时自动检测和调节 。控制器输入与输出的关系为：

式中，K p 为比例系数;T i 为积分时间常数;T d为微分时间常数;e（t）为巷道实时风量偏差;u（t）为电液推杆位移变化量。对输入的巷道实时风量经求平均处理后得到风量实时均值，控制器参照设定的风量安全值对其做偏离判断，只要出现风量偏差 e（t），控制器对应的输出电液推杆位移变化量 u（t），装置立即开始实时风量安全调节动作，且整个过程是一个不断输入、比较并输出调节的自动过程，直到实时风量偏差 e（t）消失，即风量调节至巷道所需风量值，调节过程才结束 。电液推杆的传递函数简化为：

风窗环节的传递函数简化为：

式中，L 为卷帘风窗的卷帘宽度;λ 为单位微变面积对应的风量系数。设 PID 控制器的传递函数为 G c ，则控制系统的传递函数框图如图 1 所示。

2.低震荡微变风量调节的高精度特性分析。假定调节风窗前后两端压差恒定，可用线性特性来描述流过风窗的井下巷道风量实时值 Q 与风窗开口面积 S 的关系，其满足，呈理想线性关系，当 K =1 时，它们之间的关系曲线如图 2 中曲线 a 所示。

式中，S ω 为卷帘风窗全开时的面积，m 2;Q max 为风窗全开面积下巷道最大风量值，m 3 /min。

据现场调研实际凭经验手动调风情况，通过对采集的各项数据整合处理分析，得到风窗开口面积与对应的巷道风量实时值 Q 之间的关系曲线如图 2中曲线 b 所示，分析曲线 b 知：由于现场风窗前后两端压差实际上是变化的，两者成近似线性关系，但是风量震荡幅度较大，风量调节性能差。为很好地限制现场实际中出现此情形，提出采用井下风窗风量自动调节控制装置来对巷道风量进行调节。根据装置在煤矿现场的调风情况，分析卷帘风窗前后两端压差变化下风窗开口面积 S 与对应的巷道风量的实时大小 Q 之间的关系，通过整合处理后发现它们之间的关系。

式中，ω 1 为装置对巷道风量实时调节时液压缸活塞杆的平均伸缩速度，m/s。通过对装置现场调风试验所采集到的风量数据进行分析、筛选并带入计算总结后發现：液压缸活塞杆的平均伸缩速度 ω 1 与卷帘风窗全开时的面积 S ω 是影响巷道调风过程风量震荡幅值和风量调节精度的两个关键参数，且当它们之间的比值 N = S ω/ω1 满足一定关系时，可以显著减小巷道风量调节过程风量的震荡幅值，降低巷道风量调节误差率。该装置液压缸活塞杆平均伸缩速度 ω 1 与卷帘风窗全开时面积 S ω 的比值 N = S ω/ω1 越大，则其风量调节过程越趋向于微变调节，风量调节精度越高;但一味地考虑降低调节速度以提高风量调节精度又不能满足需风量调节的及时性，当装置微变调节液压缸活塞杆平均伸缩速度 ω 1 满足：N = S ω/ω1 ≥45，该条件下风量震荡幅值减小到巷道最大风量值的 3%以下，风量调节误差率降低到 5%以下，可以降低风量调节过程中的风量震荡幅值和风量调节误差率;取 N = 45 时，风量调节过程具有低震荡高精度的特性且当风量偏离安全值时对风量调节的及时性好.

总之，对于通风系统，若能找到满足优选分支调阻调节模型或指定分支调阻调节模型的风阻调节值，则通风系统安装风窗对整个通风系统的影响能够消除。

参考文献

[1]张鹏.通风安区学.2017.

[2]李华.浅谈风窗对井下通风系统的影响及其调节与定位优化.2017.