综放工作面智能化反风技术

张建伟，汪 洋，马瑞峰

（1.中天合创能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.湖南平安矿井安全技术有限公司，湖南 湘潭 411100）

国家发展改革委等8 部委《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》（发改能源〔2020〕283 号）和《煤矿智能化建设指南（2021 版）》对煤矿智能化建设提出要求[1-2]，极大促进了煤矿智能化发展的进度。

通风系统作为煤矿主要系统之一，起到供给井下新鲜空气、冲淡井下有毒有害气体和粉尘、调节井下气候的作用，为矿井工人创造良好的工作环境和保障矿井安全[3]。目前，煤矿通风系统智能化已经实现主要通风机、局部通风机、自动化风门风窗、井下环境参数的远程控制和参数自动化采集分析[4-12]。但是煤矿通风还需对灾变后通风系统进行智能化控制和管理。反风作为灾变后通风系统管控的手段，灾变后能快速反风，可以有效地避免灾害的扩大和降低损失[13-15]。为此，通过研究某煤矿3105 综放工作面反风技术和设备技术需求，得出综放工作面智能化反风系统构成和管理逻辑。

1 矿井概况

根据《矿井瓦斯等级鉴定报告》：研究对象绝对瓦斯涌出量为3.83 m3/min，矿井相对瓦斯涌出量为0.26 m3/t，属于低瓦斯矿井。3105 综放工作面位于某矿井田3-1 煤11 采区，工作面长度300 m，推进长度3 870 m。煤层倾角1°～3°，平均采高4.88 m。3105综放工作面采用“一进二回”“U”型全风压通风方式，配风量2 195 m3/min。目前，3105 综放工作面区域有4 组风门、2 道调节风墙、2 处精准测风。正常通风系统图如图1。

图1 正常通风系统图Fig.1 Normal ventilation system of object

通风路线：地面→主井、副井→井底车场→（3-1 煤辅运大巷→3103 工作面辅运巷、3103 工作面主运巷→3103 工作面回撤通道→3105 工作面主运巷→3105 综采工作面→3105 工作面回风巷、3105工作面泄水巷→3105 工作面回风通道→3103 工作面泄水巷）→集中回风巷→3-1 煤辅助回风大巷→一号回风立井→地面。

2 反风理论技术

通风系统反风理论技术研究的前提是流体数学模型的设计。目前，模型主要分为静态数学模型和动态数学模型，通风系统复杂多变，因此本次技术理论的模型采用动态数学模型。通风系统网络解算分析的方法有解析法、图解法、模拟解法和数值解法（也称近似解法）[16]。根据工作面反风理论技术研究的要求，本次反风理论技术选择4 种解算方法结合，同时遵守节点流量平衡和回路风压平衡定律。

2.1 反风理论模型

3105 综放工作面通风系统中各通风设备的运行状态：ADF 风门为常闭，B 风门为常开。为满足本工作面反风的要求，需要对通风系统进行优化和整改，将构筑物E 改为调节风门，增加进风巷道的控风G 构筑物。通风系统改造、反风范围划定、节点、通风系统网络、控制室等内容，通风系统改造图如图2，节点及通风网络图如图3。

图2 通风系统改造图Fig.2 Modification drawing of ventilation system

图3 节点及通风网络图Fig.3 Diagram of nodes and ventilation network

3105 综放工作面通风系统反风的必要条件是反风灾害区域划分点之前发生灾害。反风灾害区域划分点之后发生的灾害，通风系统无需反风。

研究对象共有节点13 个，风路支路共有16 条，正常通风路线：1→3→4→5→9→10→工作面→11→12→8→7→6→2。其中3→4、4→5、5→9、9→10 4 条巷道为主要研究巷道，不同巷道灾变后需快速反风和快速控制灾害范围的扩大，保证系统安全。

根据灾害发生的巷道位置不同，将研究对象划分为2 个模型：模型1 为3105 工作面进风巷入口之前发生灾害，避免有毒有害气体进入工作面，即3→4、4→5、5→9 3 条巷道内发生灾害，需要反风控制灾害范围；模型2 为3105 工作面进风巷入口之后至反风灾害区域划分点之前发生灾害，避免有毒有害气体进入新风侧，即9→10 巷道内发生灾害。

2.2 反风理论技术

3105 综放工作面通风系统作为反风理论技术研究对象，因采用通风构筑物变化控制工作面区域内的反风，所以主要通风机无需进行反风。

根据节点风量平衡和压力平衡等定律，考虑到空气压缩、温度变化造成的密度变化、外部有可能存在的汇入等原因，增加修正系数k，实现动态分析，采用迭代法。修正后节点流量平衡公式如式（1）：

式中：k1为动态修正系数；j 为通风网络图中节点数；N 为分支数目；Qj为第j 条支路风量，m3/s；aij为风流方向的符号函数（aij=1，i 节点为j 分支的端点且Qj流向该节点；aij=-1，i 节点为j 分支的端点且Qj背离该节点；aij=0，i 节点不是j 分支的端点）。

修正后回路风压平衡公式如式（2）：

式中：k2为动态修正系数；fi为沿i 回路阻力或风压代数和，Pa；Qj为j 分支的风量，m3/s；Rj为j 分支的风压，Pa；pi为i 回路自然风压代数和，Pa；Fj（Qj）为第i 个风机的风压，Pa，研究对象区域内无风机，所以Fj（Qj）=0；bij为分支风流方向的符号函数（bij=1，i 节点为j 分支的端点且Qj流向该节点；bij=-1，i 节点为j 分支的端点且Qj背离该节点；bij=0，i 节点不是j 分支的端点）。

自然风压如式（3）：

动态修正系数与反风后的巷道压力关系为：

式中：B 为动态修正系数；pj2为第j 条支路反风后的巷道压力，Pa；pj1为第j 条支路正常通风巷道压力，Pa；Qj为第j 条支路风量，m3/s；A 为调节通风断面，m2。

无论模型1 还是模型2，构筑物E 都会开启，构筑物B 都会关闭，会改变区域内的压力分布，需要根据风量平衡和压力平衡计算得到构筑物C 风窗的调节范围。

模型1 是A/E/F/G 开启、B 关闭、D 不变、C 配合压力调节范围，反风风量和正常风量一样，模型1 通风网络图如图4。

图4 模型1 通风网络图Fig.4 Ventilation network diagram of model 1

模型1 控制顺序：先关闭B→开启G→开启E→开启A 和F，过程中C 控制风量。反风路线：1→7→8→12→9→5→4→13→6→2。根据风量和压力平衡要求以及风窗尺寸变化要求，计算得出构筑物C 风窗的控制压力差200 Pa 到（1 200±30）Pa 及风窗开口大小缩小（0.5±0.05）m2。

模型2 是A/E/G 开启、B 关闭、D/F 不变、C 配合压力调节范围，反风风量和正常风量一样，模型2 通风网络图如图5。

图5 模型2 通风网络图Fig.5 Ventilation network diagram of model 2

模型2 控制顺序：先关闭B→开启G→开启E→开启A，过程中C 控制风量。反风路线：1→7→8→12→11→工作面→10→9→5→4→13→6→2。根据风量和压力平衡要求以及风窗尺寸变化要求，计算得出构筑物C 风窗的控制压力差200～（1 000±20）Pa 及风窗开口大小缩小（0.4±0.05）m2。

3 工作面反风智能化设备

工作面智能化通风系统反风能真正实现，还需硬件设备支持，才能保证工作面通风系统反风的顺利进行。

工作面通风系统反风涉及的设备包括：风门、风窗、数据采集传感器、语音广播设备、避灾指挥设备等。风门要求具备远程自动控制、能解除机械闭锁、状态监测、漏风量管理；风窗具备远程自动调节或特性曲线调节、能监测风窗两侧压力，保证区域内其他构筑物调节后，整个区域的风量不变，保证其他区域的通风系统不受影响；传感器具备自查自检功能，并能保证数据的准确和完整性；语音广播具备通信功能和与反风系统联动的功能，广播要完善无死角；救灾指挥设备或指路铭牌悬挂明显且无死角，路线指示正确并与反风系统联动等。各设备之间控制器需具备通信功能，并能形成通信环网，保证通信的稳定和设备之间联动及时和稳定。

系统内的所有设备需具备自我实验和测试功能，做到无人值守及故障诊断，保证各部件设备真用时的可靠。

4 反风系统构成及通用逻辑

通过技术和研究对象分析，结合现场设备技术要求，得出工作面通风系统反风构成和系统通用逻辑。适用范围：区域内通风系统反风、主要通风机不参与反风、总进风和总回风之间存在调节风门。

4.1 反风系统构成

工作面通风系统反风系统基本构成：地面集控平台、反风区域控制器（一主一备）、区域通信环网、自动化风门和调节风门、自动化风窗、精准测风、灾害环境采集传感器（如：一氧化碳传感器、甲烷传感器、氧气体积分数传感器及温度传感器等）、语音广播系统、避救灾用装备及反风配套设备等。

4.2 反风系统通用逻辑

研究对象存在工作面进风巷和回风巷之间联巷，需要分2 种模型。如果不存在联巷，适用模型2。

如果需要改变主要进风大巷内的风量方向，因影响范围扩大，此时就需要主要通风机进行反风配合，反风风量不低于60%，才能保证快速完成有毒有害气体的排除，不在研究范围内。

1）模型1 反风系统逻辑。首先设计工作面进风巷和回风巷之间联巷，并安装带调节风门，其次设计区域内的进风巷和主回风巷之间联巷，并安装带调节风门，其次安装其他自动化风门和精准测风传感器安装，最后安装区域内主要调节风窗，并进行井下实地测试，获得风窗三维调节特性曲线。控制顺序：首先隔断原有总回风巷和反风后回风巷之间风门，其次改变回风巷风流方向，并将工作面进风巷和回风巷之间联巷中的风门调节开启，然后打开区域内的进风巷和主回风巷之间联巷中的调节风门，控制总回风巷风流方向，最后调节风窗自主完成风量。整个通风系统调节过程中，所有的传感器和设备需要实时监测和预警，保证整个反风过程的安全。

2）模型2 反风系统逻辑。首先设计区域内的进风巷和主回风巷之间联巷，并安装带调节风门，其次安装其他自动化风门和精准测风传感器安装，最后安装区域内主要调节风窗，并进行井下实地测试，获得风窗三维调节特性曲线。控制顺序：首先隔断原有总回风巷和反风后回风巷之间风门，其次改变回风巷风流方向，然后打开区域内的进风巷和主回风巷之间联巷中的调节风门，控制总回风巷风流方向，最后调节风窗自主完成风量。整个通风系统调节过程中，所有的传感器和设备需要实时监测和预警，保证整个反风过程的安全。

5 结 语

1）工作面存在联巷且区域内通风系统反风，模型分为工作面内灾害通风系统反风和联巷外进风侧通风系统反风2 种模型。

2）区域内通风系统反风应在总回巷和进风巷之间，需建设调节风门，保证区域通风系统反风分工作面和进风巷2 种，也便于对进风巷火灾的范围控制。

3）工作面通风系统反风需要进行“一面一策”设计，控制反风时间和流程，不能简单地理解为风流反向即可。

4）风门需具备自动解除机械闭锁，完成双门同时开启，并能监测风门漏风，漏风传感器安装在回风测风门间。风窗需现场性能测试，获得风窗的三维调节特性曲线，将风窗墙体漏风考虑进可控范围内。

5）根据现场施工和管控流程，需要对通风系统反风开始到风向反转时间进行控制，不得超过5 min。