华阳煤矿通风系统优化与改造

袁建国

（晋能控股煤业集团华阳煤矿， 山西 晋城 048000）

引言

华阳煤矿属于低瓦斯矿井，矿井通风系统较为复杂，前期通风系统按照低瓦斯矿井设计，随着开采深入，矿井瓦斯含量逐步提高，需要重新对矿井送风量，井下通风系统进行优化调整，提高矿井风量利用率，降低矿井能耗，保障煤矿安全生产。

1 华阳煤矿通风系统现状

华阳煤矿经过多年的挖掘，矿井通风系统已经不能适应目前的生产状况，部分巷道和通风设施受环境影响变形，喷浆巷道出现开裂、巷道内的通风设施墙皮出现了裂缝，致矿井巷道通风阻力增大，使得回采工作面的供风不足，影响正常的安全生产。煤矿通风系统主要包括井上通风基站和井下通风网络[1]，目前井下通风网络组成部分主要包括有风道、风门、局部通风机和辅助调节设备等[2]。井上通风机站主要分为主通风机和辅助控制系统[3]，主通风机装备两台同风力大小风机，确保风机可以连续平稳工作，为保证通风系统各个风点达到换气标准，主通风机耗能较多，通过优化控制主通风机调节频率，可以提高煤矿通风系统运行效率，保证煤矿安全生产[4]。

2 优化改造方案

2.1 煤矿风机模型建立

煤矿主通风机运行模型如图1 所示，其中R1S、R1C分别为1 号风机水平风门和垂直风门等效风阻，R2S、R2C分别为2 号风机水平风门和垂直风门等效风阻，R0为井下风阻。

由图1 可以看出，1 号风机和2 号风机呈对角通风结构。风机风压H 可以由式（1）确定：

图1 煤矿主道风机运行模型

式中：Hmax为风机稳定区极点值，风机临界工作点K风压为RK，工况点F 的风机风压为0.9Hmax，对应的等效风阻为RF。为确保两台风机的工况均在稳定工况范围内，风机1 号和2 号的风阻R1、R2均小于RF，风量Q1、Q2均小于QF。

2.2 煤矿主风机机械特性

华阳煤矿采用的轴流式通风机，其特性曲线为图2 所示，其工况由连接的风网确定，其中K 点为曲线顶点，也是风机工况的极值点，K 点左侧为不稳定工作区，当风机工况点落在K 点左侧，例如E 点，风机容易产生振动，甚至导致事故；而K 点右侧为稳定工作区，风机工况点应该在稳定工作区，且管网等效风阻R≤RK。针对华阳煤矿主风机稳定工况数据进行拟合，其拟合曲线如下页图3 所示，数学表达式为式（2）：

图2 轴流式通风机工况曲线

图3 风机稳定区工况拟合曲线

式中：H 为风机风压，Pa；Q 为风机风量，m3/s。

2.3 优化控制模型建立

风机2 为风机1 的备用风机，风机切换时采用逐步切换的方式。1 号风机独立运行时，R1C=R2S=0，R1S=R2C=∞。

由式（3）及风量平衡定理可推出式（4）、式（5），其中R1、R2为两侧风机等效风阻。

式中：R 为风阻，kg/m3。

由式（2）、式（3）可得，1 号风机工作点（Q0，H0），Q0为井下最小通风量，令H=0.9Hmax，可以求解得临界风阻RF，且R≤RF。带入R1、R2可以求得任意时刻两台风机的工况点（Q1，H1）、（Q2，H2）。

将（Q1，H1）、（Q2，H2）带入式（3），可以得出风机1和风机2 水平风门漏风量：

可以导出井下通风量为：

煤矿风机的最优控制目标为井下通风量ΔQ 最小，且工况均在稳定工作区，等效风阻阻R1、R2均小于RF。

设α1、α2、α3、α4分别为四个风门开度的步进量，调整井下通风量的函数为：

煤矿风机优化模型为：

minf（α1，α2，α3，α4）

s.t.R1，R2≤RF

α2，α4∈[Smin，Smax]

α1，α3∈[-Smax，-Smin]

Smin，Smax分别为风门角度步进最小、最大调整量。

3 煤矿通风系统优化

煤矿通风系统要求总风量和各用风点风量必须满足《煤矿安全规程》的不同类型巷道的风速允许范围规定[5]，如表1 所示。

表1 井下巷道风速区间

结合本文建立的数学模型，结合华阳煤矿实际工作情况，利用遗传算法，在MATLAB 中进行仿真，其中遗传算法设置如下：

种群规模N=1000；权重值w=0.9-0.6t/T；

随机数组r∈[0,1]；加速因子c=2.5-2t/T；

最大迭代次数1 000。

通过仿真可以得到图4。

图4 风机运行过程中井下风量变化

其中R0现场检测为0.16 Ns2/m3，通过计算可以得出井下通风量Q0=77.3 m3/s，逐步调整风门角度量[Smin，Smax]= [0.1，0.5]、[0.1，1]、[0.1，2]、[0.2，0.5]、[0.2，1]、[0.2，2]、[0.5，1]、[0.5，2]，对于不同风门角度设置，如图5 所示。可以得出井下风量最大值，风门调整步数存在较大差异，可以看出当α1S=α1C=41.5°，α2S=α2C=42°时风机效率最优。

图5 风门角度调整值

4 结论

本文针对华阳煤矿生产过程中煤矿主风机效率进行了优化，结合煤矿安全生产要求，深入分析运行经济效益，以煤矿主风机为主要研究对象，建立煤矿通风系统数学模型，结合煤矿相关数据，利用遗传算法对模型进行优化，寻求最优控制量，为煤矿通风系统运行提供参考。