王洪粱，張迎新

(黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱150022)

區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

王洪粱，張迎新

(黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱150022)

針對區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)中存在的不穩(wěn)定因素，從該系統(tǒng)特點(diǎn)入手，分析了區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)中由于集中運(yùn)輸而形成的對礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大的角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，提出區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)角聯(lián)分支的風(fēng)流方向的判別方法以及角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行的措施。同時(shí)分析了區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)中公共風(fēng)阻、獨(dú)立工作管網(wǎng)風(fēng)阻和通風(fēng)機(jī)能力發(fā)生改變時(shí)主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的相互影響，給出應(yīng)對措施。實(shí)例表明，該研究已應(yīng)用于七臺河某礦的系統(tǒng)改造中，效果良好。該研究方法對區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)的日常通風(fēng)管理和通風(fēng)系統(tǒng)改造起到重要作用。

區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng);角聯(lián)分支;穩(wěn)定性;聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)

收稿日期: 2013-09-04
第一作者簡介:王洪粱( 1981-)，男，山東省日照人，講師，碩士，研究方向:災(zāi)害預(yù)測與控制，E-mail: whl-6108@163．com。

0引言

通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要是指井巷中風(fēng)流的方向發(fā)生改變，以及風(fēng)量的大小變化超過允許范圍的現(xiàn)象。影響通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素有風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、風(fēng)阻的變化以及風(fēng)機(jī)等。區(qū)域式通風(fēng)作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的一種，具有建井期短、出煤快、通風(fēng)阻力小及安全出口多的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于井田面積大、儲量豐富的大型礦井及中小型整合礦井，是應(yīng)用較多的一種通風(fēng)系統(tǒng)。但是，它的不足是，通風(fēng)設(shè)備較多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給礦井通風(fēng)管理帶來一定的困難。該系統(tǒng)主要存在兩大影響穩(wěn)定性因素:一是角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。一般大型煤礦通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)都存在較多的角聯(lián)分支，區(qū)域式通風(fēng)礦井由于都采用集中運(yùn)輸和集中提升，所以其運(yùn)輸大巷作為主要通風(fēng)巷道處于角聯(lián)分支上，對通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大，容易引起瓦斯積聚而發(fā)生瓦斯爆炸事故。如果礦井采用多水平同時(shí)開采，則角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，通風(fēng)管理也更加困難。二是主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的相互影響。區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)是多風(fēng)機(jī)通風(fēng)，聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主要通風(fēng)機(jī)相互影響，整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中某一分支風(fēng)阻或者某一臺風(fēng)機(jī)的性能發(fā)生改變，將引起整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量以及其他區(qū)域風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)發(fā)生改變，出現(xiàn)局部配風(fēng)不足和風(fēng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象。針對上述特點(diǎn)，筆者對區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)角聯(lián)分支穩(wěn)定性進(jìn)行分析，探討多風(fēng)機(jī)的相互影響因素，旨在為降低通風(fēng)管理的困難提供幫助。

1角聯(lián)分支的穩(wěn)定性分析

區(qū)域式通風(fēng)礦井的運(yùn)輸大巷作為主要通風(fēng)運(yùn)輸巷道處于通風(fēng)系統(tǒng)的角聯(lián)分支上，對通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大[1-2]。簡單網(wǎng)絡(luò)中角聯(lián)分支風(fēng)量的大小取決于自身分支和旁側(cè)分支兩項(xiàng)風(fēng)阻，而角聯(lián)分支的風(fēng)流方向僅取決于旁側(cè)分支的風(fēng)阻，與自身風(fēng)阻大小無關(guān)。依據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的簡化原理，對區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行簡化，如圖1所示。

圖1 區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)簡化網(wǎng)絡(luò)Fig．1 Simplified network chart of regional ventilation system

圖1 中分支5為角聯(lián)分支，即區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)中的運(yùn)輸大巷，分析角聯(lián)分支5風(fēng)流的大小及方向是保證區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。下面以單水平雙區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)為例，判斷角聯(lián)5中的風(fēng)流方向。

當(dāng)分支5中無風(fēng)時(shí)，qV1= qV3，qV2= qV4。根據(jù)風(fēng)流流動基本定律可得:

式中: qV——通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分支的風(fēng)量，m3/min; R——通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分支的風(fēng)阻，kg/m7; p——主要通風(fēng)機(jī)f的壓力，Pa。

當(dāng)分支5中風(fēng)流方向?yàn)?—3時(shí)，qV1= qV3+ qV5，qV4= qV2+ qV5，即

同理，可以推出當(dāng)分支5中風(fēng)流方向?yàn)?—2時(shí)，

令

則k為角聯(lián)5風(fēng)流方向的判別式。當(dāng)k =1時(shí)，角聯(lián)分支5無風(fēng)，當(dāng)k<1時(shí)，風(fēng)流方向?yàn)?—3，當(dāng)k>1時(shí)，風(fēng)流方向?yàn)?—2。

從判別式k中可以看出，角聯(lián)分支5的風(fēng)流方向不但與其旁側(cè)分支的風(fēng)阻R1～R4有關(guān)，還與風(fēng)機(jī)f1和f2的能力有關(guān)。區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)中角聯(lián)分支5為礦井的運(yùn)輸大巷，風(fēng)流必須保持穩(wěn)定，風(fēng)流方向由2到3或者由3到2皆可滿足要求。如選擇風(fēng)流方向由2到3，從判別式k中可以看出，只要保證k<<1，就可以使角聯(lián)分支5的風(fēng)流趨于穩(wěn)定，因此，可以考慮增加R2，或者提高風(fēng)機(jī)f2能力。分支2為一進(jìn)風(fēng)井筒，R2增大，減少進(jìn)風(fēng)量，對高寒礦井來說有利于冬季集中供暖。

角聯(lián)分支風(fēng)流方向判別式k越小于1，或者越大于1，其風(fēng)流越穩(wěn)定，一般來說，0

2多風(fēng)機(jī)的相互影響

區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)中，每個(gè)區(qū)域都設(shè)置進(jìn)回風(fēng)井，是多風(fēng)機(jī)風(fēng)井，當(dāng)?shù)V井通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，主要通風(fēng)機(jī)之間會發(fā)生相互影響，可能引起通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定。下面以單水平雙區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)為例，分析風(fēng)機(jī)之間的相互影響。簡化通風(fēng)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)簡化示意Fig．2 Simplified schematic diagram of regional ventilation system

2. 1主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工況點(diǎn)的確定

根據(jù)主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的繪圖原理[3]，繪制風(fēng)機(jī)f1和風(fēng)機(jī)f2聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的等效特性曲線，如圖3所示。圖3中，曲線f1和f2為風(fēng)機(jī)的個(gè)體特性曲線，曲線fR1和fR2為風(fēng)機(jī)f1和風(fēng)機(jī)f2減去各自單獨(dú)工作管網(wǎng)R1和R2后的等效特性曲線，fR12為等效風(fēng)機(jī)fR1和fR2在為公共風(fēng)路R0服務(wù)時(shí)的等效特性曲線。R0曲線為公共段阻力特性曲線。M1( qV，M1，pM1)和M2( qV，M2，pM2)是風(fēng)機(jī)f1和f2在該區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)中聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的工況點(diǎn)。

圖3 通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)確定Fig．3 Determination of operating point about main ventilator

2. 2管網(wǎng)風(fēng)阻變化對主要通風(fēng)機(jī)的影響

礦井管網(wǎng)風(fēng)阻的變化將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)發(fā)生變化，區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)是多風(fēng)機(jī)通風(fēng)，因此管網(wǎng)風(fēng)阻的變化分為公共段風(fēng)阻和各自獨(dú)立工作管網(wǎng)風(fēng)阻兩種變化，這兩種風(fēng)阻變化都能引起主要通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)變化，且影響范圍不同。

2. 2. 1 公共段風(fēng)阻R0對風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的影響

如圖4所示，當(dāng)公共段風(fēng)阻由R0增大為R01時(shí)，風(fēng)機(jī)f1和f2的工況點(diǎn)由M1( qV，M1，pM1)和M2( qV，M2，pM2)上移至N1( qV，N1，pN1)和N2( qV，N2，pN2)，因此，公共段阻力增大時(shí)，風(fēng)機(jī)f1和f2的風(fēng)量減小，壓力增大。當(dāng)公共段風(fēng)阻由R0減小時(shí)，可以得出相反結(jié)果。

根據(jù)分析可以看出，公共段風(fēng)阻變化對主要通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)的影響主要存在兩個(gè)方面:一是如果公共段風(fēng)阻增加的比較大，就會造成主要風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)大幅上移，甚至進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)，導(dǎo)致能力較小的風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)，甚至發(fā)生風(fēng)機(jī)喘振，造成損壞。因此，為了保證礦井風(fēng)機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，應(yīng)保證公共段阻力不能超過總阻力的30%，做到礦井風(fēng)流早分開、晚匯合[4]。二是兩臺風(fēng)機(jī)的能力相差越大，公共段阻力發(fā)生變化時(shí)對能力小的風(fēng)機(jī)造成的影響越大[5]。因此，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，各風(fēng)機(jī)能力相差越小越好，盡可能采用相同能力的風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域式通風(fēng)礦井各區(qū)域的均勻供風(fēng)。區(qū)域式通風(fēng)礦井在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)各區(qū)域生產(chǎn)能力相同。

圖4 公共段風(fēng)阻變化對通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)影響Fig．4 Effect of operating point about main ventilator while public wind resistance change

2. 2．2獨(dú)立工作管網(wǎng)風(fēng)阻變化對風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)影響

如圖5所示，當(dāng)f1風(fēng)機(jī)獨(dú)立工作管網(wǎng)風(fēng)阻由R1增大為R11時(shí)，得到等效風(fēng)機(jī)fR11和fR2在為公共風(fēng)路R0服務(wù)的等效特性曲線fR112，此時(shí)f1風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)由M1上移至P1，f2風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)由M2下移至P2。這說明當(dāng)f1風(fēng)機(jī)獨(dú)立工作管網(wǎng)風(fēng)阻增大時(shí)，風(fēng)機(jī)f1的風(fēng)量減小，壓力增大，風(fēng)機(jī)f2的風(fēng)量增大，壓力減小，但對f1風(fēng)機(jī)的影響大于對f2的影響。當(dāng)風(fēng)機(jī)獨(dú)立工作管網(wǎng)風(fēng)阻減小時(shí)，可以得出相反結(jié)果。

圖5 獨(dú)立工作管網(wǎng)風(fēng)阻變化對風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的影響Fig．5 Effect of operating point about main ventilator while wind resistance of independent network change

為了保證通風(fēng)機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，防止礦井某一區(qū)域管網(wǎng)風(fēng)阻發(fā)生變化對主要通風(fēng)機(jī)的影響，在礦井的日常風(fēng)量調(diào)節(jié)分配過程中，應(yīng)密切關(guān)注風(fēng)阻增加區(qū)域的風(fēng)機(jī)，防止其進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)域，造成通風(fēng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，同時(shí)觀測該區(qū)域的風(fēng)量是否正常，以免影響該區(qū)域的正常生產(chǎn)。

2. 2. 3主要通風(fēng)機(jī)能力變化對其他通風(fēng)機(jī)的影響

如圖6所示，當(dāng)f2風(fēng)機(jī)性能曲線增大至f22時(shí)，得到等效風(fēng)機(jī)fR1和fR22在為公共風(fēng)路R0服務(wù)的等效特性曲線fR122，此時(shí)f1風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)由M1上移至S1，f2風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)由M2變?yōu)镾2。這說明當(dāng)風(fēng)機(jī)的能力提高時(shí)，該風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和壓力都增大，而其他區(qū)域風(fēng)機(jī)的風(fēng)量減小，壓力升高。

圖6 風(fēng)機(jī)能力增大時(shí)對風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的影響Fig．6 Effect of operating point about main ventilator while one of main ventilator ability changer

當(dāng)區(qū)域式通風(fēng)礦井進(jìn)行能力改造時(shí)，若需要改變某一區(qū)域風(fēng)機(jī)的能力或者更換大能力風(fēng)機(jī)，應(yīng)分析其對其他區(qū)域風(fēng)機(jī)的影響。在試運(yùn)行時(shí)，一定要對其他區(qū)域的風(fēng)量和風(fēng)機(jī)進(jìn)行觀測，以免其他區(qū)域風(fēng)機(jī)因壓力升高而進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)，影響礦井的正常通風(fēng)。

3 應(yīng)用實(shí)例

七臺河某礦于2010年改進(jìn)生產(chǎn)工藝，鋪設(shè)綜采工作面，兩水平同時(shí)生產(chǎn)，改擴(kuò)建后，礦井生產(chǎn)能力由6 萬t/a直接增加到60萬t/a。改造前該礦通風(fēng)系統(tǒng)由三個(gè)入風(fēng)井(主井、副提升井、人車井)和一個(gè)回風(fēng)井組成，屬于中央并列式通風(fēng)。風(fēng)機(jī)型號為BD-Ⅱ-6No20，電機(jī)功率為2×160 kW，通風(fēng)能力較小。改造后，采用區(qū)域式通風(fēng)，增加北翼風(fēng)井，風(fēng)機(jī)型號為BDNo30，電機(jī)功率為2×250 kW，通風(fēng)能力較大。由于北翼風(fēng)井從一水平回風(fēng)大巷接入通風(fēng)系統(tǒng)，所以造成了公共段阻力非常大，達(dá)到2 600 Pa。因此，風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于風(fēng)機(jī)相互影響，出現(xiàn)礦井總風(fēng)量減少，BD-Ⅱ-6No20風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象。經(jīng)分析和網(wǎng)絡(luò)解算后，確定當(dāng)前系統(tǒng)不采用中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)與北翼風(fēng)井風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)工作。采用中央風(fēng)井與北翼風(fēng)井交換風(fēng)機(jī)，由中央風(fēng)井單獨(dú)運(yùn)行，經(jīng)技術(shù)改造，降低系統(tǒng)公共段阻力后，再實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)。該礦在2011年改造完成，兩風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)，順利實(shí)現(xiàn)礦井的區(qū)域式通風(fēng)。

4 結(jié)束語

區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)存在一定的不穩(wěn)定性，從其特點(diǎn)入手，分析區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)中由于集中運(yùn)輸和提升而形成的對礦井通風(fēng)系統(tǒng)影響較大的角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，提出區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)角聯(lián)分支的風(fēng)流方向的判別方法以及角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行的措施。分析主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的相互影響，對區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)的日常管理提出建議。通過對區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究，實(shí)踐中指導(dǎo)七臺河某礦的系統(tǒng)改造，取得了良好的效果。文中提出的區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究方法正確，對區(qū)域式通風(fēng)系統(tǒng)的日常通風(fēng)管理和通風(fēng)系統(tǒng)改造具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯 徐 巖)

Research on stability about regional ventilation system

WANG Hongliang，ZHANG Yingxin
( School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China)

Aimed at addressing the unstable factors in regional ventilation system，this paper，starting from the characteristic of this system，analyzes the diagonal network which occurs as a result of centralized transportation，in regional ventilation system and exerts a greater influence on ventilation system，and proposes the method tailored for distinguishing the airflow direction in regional ventilation system and the measures for ensuring the stable operation of diagonal network．These are accompanied by the analysis of the interaction of joint operations in main ventilator when there occurs changes in the public wind resistance，wind resistance of independent network，and ventilator ability，and the introduction of the countermeasures．The practices have shown that，the method，applied to ventilation system transformation，with better results，as in one mine in Qitaihe，may aid both the routine management of regional ventilation system and the transformation of ventilation system．

regional ventilation system; diagonal branch; stability;joint operation

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 008

TD724

2095-7262( 2014) 01-0034-04

A