區域可控循環風對礦井主通風系統影響的分析與研究
作者：中國礦業商務網
2008-12-15 00:00
來源：不詳
摘要：根據單臺循環風機增阻循環方式的區域可控循環通風系統簡圖，建立了該類循環風系統影響礦井主要通風機供風量、井下通風系統循環區域及非循環區域通風量和通風阻力的數學模型；并結合連云港市白集煤礦可控循環通風系統，對所建立的數學模型進行了理論分析。最后用開啟1臺循環風機或開啟2臺并聯循環風機，對主要通風機供風量理論計算減少值、井下循環區域及非循環區域通風量和通風阻力理論計算增加值進行了驗證，其結果完全吻合。
關鍵詞：區域可控循環風；主要通風機；循環區域
可控循環通風是20世紀70年代首先在英國興起的一項礦井通風新技術，大量試驗研究和現場實踐表明：該技術可以達到增加采掘工作面風量、改善礦井氣候條件和節省通風費用的目的。
在我國，近年來隨著礦井的拓展延伸，礦井開采距離及深度日漸增大，可控循環風在礦井通風系統中的應用也逐漸增多。但是，由于礦井通風網路本身的復雜性，循環風特別是區域循環風對整個礦井通風系統影響的規律，人們還尚未完全掌握。
筆者以單臺循環風機增阻循環方式的區域可控循環通風系統為模型，并結合連云港市白集煤礦可控循環風系統，對該類可控循環風怎樣影響礦井主通風系統進行了深入分析與研究。
1 區域可控循環風影響礦井主通風系統的理論分析
礦井通風系統是一個整體，任何區域性的變化都會影響全局。對于區域可控循環風而言，由于區域循環風機比一般的局部循環風機能力大，且與礦井主通風機之間沒有中間網路，風機之間相互影響較大；試驗數據顯示：循環率K為30%和40%時，主要通風機風量的相對變化率分別達到15%和20.5%。
如圖1 所示的可控循環通風系統簡圖，ABCEFG為原通風系統，BF為安裝可控循環風系統后增加的循環橫巷，設：
1)AB段和FG段的井巷的摩擦風阻之和為R，BCEF段的井巷的摩擦風阻為R2，FB段井巷的摩擦風阻為R1；
2)可控循環風系統運行前原通風系統通風量為Q，可控循環風系統運行后AB、FG段風量減少為Q1，FB段循環通風量為QX，則BCEF段通風量為(Q1＋QX)；
3)主通風機性能特性曲線，模擬拋物線方程為
圖1 可控循環通風系統筒圖
為了分析循環風對礦井主要通風機的風量、井下通風系統的循環區和非循環區的風量，以及對通風阻力分布影響，建立以下數學關系式。
1.1 主要通風機p—Q特性曲線模擬拋物線方程求解
風機特性曲線模擬成數學方程式的方法較多，此處采用最小二乘法二次多項式模擬風機p—Q特性曲線，實踐證明該方法能滿足精度要求，且求解簡便。
根據風機樣本資料從p—Q曲線上讀取m組數據(Q1，p1)，(Q2，p2)，…，(Qm，Pm)，為保證模擬精度，要求m≥5，一般可取5至7組數據，按最小二乘法原則建立以下特性曲線方程組：
由方程組(1)解出系數a，b，c，即可求出模擬的拋物線方程。
利用上述求解原理，以連云港市白集煤礦為例，采用該礦最近的風機性能測試計算結果數據，編制計算程序求出系數a，b，c的值(見表1)，則可求得連云港市白集煤礦主要通風機模擬拋物線方程為
(Qf的單位為m3/s，hf的單位為mm H2O)。
表1 白集煤礦主要風機P—Q特性曲線模擬數據
1.2 循環風對主
循環風系統運行前主要通風機提供風壓：
循環風系統運行后主要通風機提供風壓：
二式相減，變形整理可得：
令
則式(4)變形整理可得：
令
式中F為可控循環通風系統的供風量增加率，%。則式(6)變形為
聯立式(5)、(9)、(10)，由此得到循環通風系統對主要通風機風量影響的數學關系式。但是，考慮主通風機提供的風量并沒有全部流經循環風區域，有部分風量是從風網其他分支流過的；因此，應對主通風機提供的風量乘以一個分配給循環風區域的風量分配系數β，這時循環風系統對主通風機風量影響的數學關系式變為
式中：Q為可控循環風系統運行前主要通風機的風量，m3/s；Q1為可控循環風系統運行后主要通風機的風量，m3/s；Qj為可控循環風系統運行前后主要通風機的風量變化值，m3/s；Qx為循環通風機風量，m3/s；β為風量分配系數，僅和通風系統各分支風阻有關(循環橫巷風阻忽略)；F為風量增加率，即使用循環風后循環區域內的風量與使用循環風前該區域風量之比值，F≥1；A1，A2為系數，僅與原通風系統本身有關，
進一步分析F值可知：
即：
這里，對于
經驗表明一般不大于50%，因此，1≤F<1.5。
1.3 循環風對主要通風機風量
1.4 影響的分析
為便于分析公式(11)，現結臺連云港市白集煤礦現場資料，計算出β，A1，A2系數(表2)，再以公式(11)為計算模型，按下列步驟：
1)根據參數F的取值范圍，取F=1＋0.05n(n=1，2，3，…，10)；
2)將表2中的求解系數代入公式(11)中的第一子式求出Qj；
3)將Qj代入公式(11)中的第二子式求出Q1；
4)將Q1代入公式(11)中的第三子式求出Qx，
編制計算程序則得到白集煤礦主要通風機供風量減少值Qj、循環風量Qx與F值的關系，見表3及圖2中的F—Qx，F—Qj曲線。
表2 β，A1，A2系數計算
表3 F，Qj，Qx
圖2 主通風機風量變化值、循環風量與風量增加率的關系
綜合公式(11)及表3，分析曲線圖2可知，主要通風機供風量減小值Qj的變化具有一定規律：即其平方數和風量增加率F平方數成線性關系，并且隨著循環風量Qx的增加而增大；但是，其增大幅度較小，變化趨勢較平緩。
若取白集煤礦設計循環風量Qx=500m3/min，計算可得主要通風機風量變化為176m3/min，變化率僅為6%。因此，即使循環風系統投入運行耐，循環風量值有所變化，對主要通風機風量的影響也不會太大。可見，白集煤礦使用可控循環通風系統對主要通風機影響較小，主要通風機完全能夠平穩運行。
1.4 循環風對循環區域及非循環區域通風量和通風阻力的影響分析
區域可控循環通風系統能有效增加區域循環通風量，因而對礦井主通風系統而言，在有循環風的通風區域內，通風量和通風阻力會明顯增加；而與循環風區域并聯通風的非循環獨立用風區域，則因為循環區域通風阻力增加，可推知其通風量和通風阻力也會有所增加。
兩區域內通風量和通風阻力的具體變化值可根據下列公式求出。
循環區域通風量及通風阻力增加值：
非循環區域通風量及通風阻力增加值：
進一步結合白集煤礦循環風量設計數據分析，取循環風量為500m3/min進行計算。
循環區域通風量及通風阻力增加值：
非循環區域通風量及通風阻力增加值：
由此看出，可控循環通風系統運行后，礦井通風系統風量和通風阻力值在各通風分支分布會有所變化，在有循環風的區域內通風量及通風阻力明顯增加；在沒有循環風的獨立用風區域內，通風量及通風阻力增加量不大，不會影響該區域的正常生產。
2 區域可控循環通風系統在連云港市白集煤礦的應用
連云港市白集煤礦，位于徐州市東北郊，礦井瓦斯相對涌出量5.61m3/t，CO2相對涌出量3.8m3/t，屬低瓦斯礦井。由于該礦已進入到1000m以下深部開采，采掘工作面供風量嚴重不足。
為了解決白集煤礦深部開采采掘工作面供風問題，于2004年10月在原有通風系統的基礎上，設計了以單臺循環風機，增阻循環方式的區域可控循環通風系統，并于2004年12月投入使用，使白集煤礦深部開采采掘工作面供風量嚴重不足的問題得到了徹底的解決。該礦區域可控循環通風系統設計的理論分析值與系統使用實測值的比較見表4，二者較吻合，誤差率不超過10%。
表4 區域可控循環通風系統理論計算參數值與實測值對比
從表4數據還可看出，白集煤礦區域可控循環通風系統，不僅給井下通風系統循環區域增加風量355m3/min，為該礦深部開采采掘工作面提供了足夠的循環風流，而且理論分析和實測數據都證明：白集煤礦區域可控循環通風系統的運行并不會嚴重影響礦井主通風機的供風量及非循環區域通風量和通風阻力，主通風機的供風量僅減小192m3/min，非循環區域風量增加49.8m3/min。可見，該循環風系統不會破壞礦井通風系統的正常運行。
3 結論
通過對區域可控循環通風系統理論分析，結合該系統在連云港市白集煤礦的實際應用情況，得到以下幾點結論。
1)理論分析表明，區域可控循環通風系統對礦井主通風系統的影響具有一定規律：①主要通風機供風量減少值Qj的平方數和風量增加率F的平方數成線性關系，并且隨著循環風量Qx的增加而增大；②非循環區域通風量和通風阻力會隨著循環區域通風量的增加而增大。因此，設計區域可控循環通風系統時，應綜合考慮循環橫巷位置及循環區域范圍，并合理確定可控循環通風系統的供風量增加率F或循環率K的大小，以保證主要通風機供風量及非變化幅度較小，變化趨勢較平緩，滿足整個礦井通風系統正常運行的要求。
2)理論計算數據表明，由單臺循環風機，增阻循環方式組成的白集煤礦區域可控循環通風系統，既能很好地滿足礦井生產和通風降溫的要求，有效地增加白集煤礦深部開采采掘工作面供風量，又不會對礦井主通風系統的正常運行產生影響。
3)白集煤礦區域可控循環通風系統運行時的實測數據證明，白集煤礦區域可控循環通風系統的運行并不會嚴重影響礦井主要通風機的供風量及非循環區域的通風量，主要通風機的供風量僅減小192m3/min，非循環區域風量增加49.8m3/min。可見，該循環風系統不會破壞礦井通風系統的正常運行。
關鍵詞：區域可控循環風；主要通風機；循環區域
可控循環通風是20世紀70年代首先在英國興起的一項礦井通風新技術，大量試驗研究和現場實踐表明：該技術可以達到增加采掘工作面風量、改善礦井氣候條件和節省通風費用的目的。
在我國，近年來隨著礦井的拓展延伸，礦井開采距離及深度日漸增大，可控循環風在礦井通風系統中的應用也逐漸增多。但是，由于礦井通風網路本身的復雜性，循環風特別是區域循環風對整個礦井通風系統影響的規律，人們還尚未完全掌握。
筆者以單臺循環風機增阻循環方式的區域可控循環通風系統為模型，并結合連云港市白集煤礦可控循環風系統，對該類可控循環風怎樣影響礦井主通風系統進行了深入分析與研究。
1 區域可控循環風影響礦井主通風系統的理論分析
礦井通風系統是一個整體，任何區域性的變化都會影響全局。對于區域可控循環風而言，由于區域循環風機比一般的局部循環風機能力大，且與礦井主通風機之間沒有中間網路，風機之間相互影響較大；試驗數據顯示：循環率K為30%和40%時，主要通風機風量的相對變化率分別達到15%和20.5%。
如圖1 所示的可控循環通風系統簡圖，ABCEFG為原通風系統，BF為安裝可控循環風系統后增加的循環橫巷，設：
1)AB段和FG段的井巷的摩擦風阻之和為R，BCEF段的井巷的摩擦風阻為R2，FB段井巷的摩擦風阻為R1；
2)可控循環風系統運行前原通風系統通風量為Q，可控循環風系統運行后AB、FG段風量減少為Q1，FB段循環通風量為QX，則BCEF段通風量為(Q1＋QX)；
3)主通風機性能特性曲線，模擬拋物線方程為
圖1 可控循環通風系統筒圖
為了分析循環風對礦井主要通風機的風量、井下通風系統的循環區和非循環區的風量，以及對通風阻力分布影響，建立以下數學關系式。
1.1 主要通風機p—Q特性曲線模擬拋物線方程求解
風機特性曲線模擬成數學方程式的方法較多，此處采用最小二乘法二次多項式模擬風機p—Q特性曲線，實踐證明該方法能滿足精度要求，且求解簡便。
根據風機樣本資料從p—Q曲線上讀取m組數據(Q1，p1)，(Q2，p2)，…，(Qm，Pm)，為保證模擬精度，要求m≥5，一般可取5至7組數據，按最小二乘法原則建立以下特性曲線方程組：
由方程組(1)解出系數a，b，c，即可求出模擬的拋物線方程。
利用上述求解原理，以連云港市白集煤礦為例，采用該礦最近的風機性能測試計算結果數據，編制計算程序求出系數a，b，c的值(見表1)，則可求得連云港市白集煤礦主要通風機模擬拋物線方程為
(Qf的單位為m3/s，hf的單位為mm H2O)。
表1 白集煤礦主要風機P—Q特性曲線模擬數據
1.2 循環風對主
循環風系統運行前主要通風機提供風壓：
循環風系統運行后主要通風機提供風壓：
二式相減，變形整理可得：
令
則式(4)變形整理可得：
令
式中F為可控循環通風系統的供風量增加率，%。則式(6)變形為
聯立式(5)、(9)、(10)，由此得到循環通風系統對主要通風機風量影響的數學關系式。但是，考慮主通風機提供的風量并沒有全部流經循環風區域，有部分風量是從風網其他分支流過的；因此，應對主通風機提供的風量乘以一個分配給循環風區域的風量分配系數β，這時循環風系統對主通風機風量影響的數學關系式變為
式中：Q為可控循環風系統運行前主要通風機的風量，m3/s；Q1為可控循環風系統運行后主要通風機的風量，m3/s；Qj為可控循環風系統運行前后主要通風機的風量變化值，m3/s；Qx為循環通風機風量，m3/s；β為風量分配系數，僅和通風系統各分支風阻有關(循環橫巷風阻忽略)；F為風量增加率，即使用循環風后循環區域內的風量與使用循環風前該區域風量之比值，F≥1；A1，A2為系數，僅與原通風系統本身有關，
進一步分析F值可知：
即：
這里，對于
經驗表明一般不大于50%，因此，1≤F<1.5。
1.3 循環風對主要通風機風量
1.4 影響的分析
為便于分析公式(11)，現結臺連云港市白集煤礦現場資料，計算出β，A1，A2系數(表2)，再以公式(11)為計算模型，按下列步驟：
1)根據參數F的取值范圍，取F=1＋0.05n(n=1，2，3，…，10)；
2)將表2中的求解系數代入公式(11)中的第一子式求出Qj；
3)將Qj代入公式(11)中的第二子式求出Q1；
4)將Q1代入公式(11)中的第三子式求出Qx，
編制計算程序則得到白集煤礦主要通風機供風量減少值Qj、循環風量Qx與F值的關系，見表3及圖2中的F—Qx，F—Qj曲線。
表2 β，A1，A2系數計算
表3 F，Qj，Qx
圖2 主通風機風量變化值、循環風量與風量增加率的關系
綜合公式(11)及表3，分析曲線圖2可知，主要通風機供風量減小值Qj的變化具有一定規律：即其平方數和風量增加率F平方數成線性關系，并且隨著循環風量Qx的增加而增大；但是，其增大幅度較小，變化趨勢較平緩。
若取白集煤礦設計循環風量Qx=500m3/min，計算可得主要通風機風量變化為176m3/min，變化率僅為6%。因此，即使循環風系統投入運行耐，循環風量值有所變化，對主要通風機風量的影響也不會太大。可見，白集煤礦使用可控循環通風系統對主要通風機影響較小，主要通風機完全能夠平穩運行。
1.4 循環風對循環區域及非循環區域通風量和通風阻力的影響分析
區域可控循環通風系統能有效增加區域循環通風量，因而對礦井主通風系統而言，在有循環風的通風區域內，通風量和通風阻力會明顯增加；而與循環風區域并聯通風的非循環獨立用風區域，則因為循環區域通風阻力增加，可推知其通風量和通風阻力也會有所增加。
兩區域內通風量和通風阻力的具體變化值可根據下列公式求出。
循環區域通風量及通風阻力增加值：
非循環區域通風量及通風阻力增加值：
進一步結合白集煤礦循環風量設計數據分析，取循環風量為500m3/min進行計算。
循環區域通風量及通風阻力增加值：
非循環區域通風量及通風阻力增加值：
由此看出，可控循環通風系統運行后，礦井通風系統風量和通風阻力值在各通風分支分布會有所變化，在有循環風的區域內通風量及通風阻力明顯增加；在沒有循環風的獨立用風區域內，通風量及通風阻力增加量不大，不會影響該區域的正常生產。
2 區域可控循環通風系統在連云港市白集煤礦的應用
連云港市白集煤礦，位于徐州市東北郊，礦井瓦斯相對涌出量5.61m3/t，CO2相對涌出量3.8m3/t，屬低瓦斯礦井。由于該礦已進入到1000m以下深部開采，采掘工作面供風量嚴重不足。
為了解決白集煤礦深部開采采掘工作面供風問題，于2004年10月在原有通風系統的基礎上，設計了以單臺循環風機，增阻循環方式的區域可控循環通風系統，并于2004年12月投入使用，使白集煤礦深部開采采掘工作面供風量嚴重不足的問題得到了徹底的解決。該礦區域可控循環通風系統設計的理論分析值與系統使用實測值的比較見表4，二者較吻合，誤差率不超過10%。
表4 區域可控循環通風系統理論計算參數值與實測值對比
從表4數據還可看出，白集煤礦區域可控循環通風系統，不僅給井下通風系統循環區域增加風量355m3/min，為該礦深部開采采掘工作面提供了足夠的循環風流，而且理論分析和實測數據都證明：白集煤礦區域可控循環通風系統的運行并不會嚴重影響礦井主通風機的供風量及非循環區域通風量和通風阻力，主通風機的供風量僅減小192m3/min，非循環區域風量增加49.8m3/min。可見，該循環風系統不會破壞礦井通風系統的正常運行。
3 結論
通過對區域可控循環通風系統理論分析，結合該系統在連云港市白集煤礦的實際應用情況，得到以下幾點結論。
1)理論分析表明，區域可控循環通風系統對礦井主通風系統的影響具有一定規律：①主要通風機供風量減少值Qj的平方數和風量增加率F的平方數成線性關系，并且隨著循環風量Qx的增加而增大；②非循環區域通風量和通風阻力會隨著循環區域通風量的增加而增大。因此，設計區域可控循環通風系統時，應綜合考慮循環橫巷位置及循環區域范圍，并合理確定可控循環通風系統的供風量增加率F或循環率K的大小，以保證主要通風機供風量及非變化幅度較小，變化趨勢較平緩，滿足整個礦井通風系統正常運行的要求。
2)理論計算數據表明，由單臺循環風機，增阻循環方式組成的白集煤礦區域可控循環通風系統，既能很好地滿足礦井生產和通風降溫的要求，有效地增加白集煤礦深部開采采掘工作面供風量，又不會對礦井主通風系統的正常運行產生影響。
3)白集煤礦區域可控循環通風系統運行時的實測數據證明，白集煤礦區域可控循環通風系統的運行并不會嚴重影響礦井主要通風機的供風量及非循環區域的通風量，主要通風機的供風量僅減小192m3/min，非循環區域風量增加49.8m3/min。可見，該循環風系統不會破壞礦井通風系統的正常運行。
上一篇：礦井巷道通風摩擦阻力系數測定方法
