郭孟嘉，張 金，秦 龍

（鐵法能源公司大隆礦，遼寧 調(diào)兵山 112700）

引言

地下采礦與礦井通風網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的建設和維護有關，礦井通風網(wǎng)絡的分支可能包括連接主風機子網(wǎng)絡的分支。根據(jù)礦井通風理論，可將其劃分為多種分支，這些分支中的氣流是與用風有關的[1]。除其他外，煤礦業(yè)的重組過程還可能導致采礦廠的合并及其通風網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的變化?？紤]到采礦廠工作人員的安全，重要的是要確保足夠的空氣量和氣流速度[2]。

1 礦井通風網(wǎng)絡中的強制送風

強制空氣分配問題包括向礦工工作場所提供規(guī)定數(shù)量空氣的要求，同時需考慮到法律規(guī)定和自然災害[3]。已知的是礦井通風網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)、某些通風支路的已知風量和所有支路的空氣阻力；未知的是與主通風機相關的參數(shù)，如壓力和風量、氣流調(diào)節(jié)器的設置及剩余分支的氣流[4]。

在通風網(wǎng)絡只有一個主風機的情況下，引入氣流調(diào)節(jié)器設定值為零的關鍵路徑。這樣的操作可以確定有效功率最低的主風機的最佳參數(shù)。在通風網(wǎng)絡中，由平衡定律導出方程的個數(shù)等于未知值的個數(shù)。有必要提出一種新的方法使配風機的有效功率最小化，從而找到最佳的配風方式[5]。

其允許將氣流“引導”到每個風扇，從支線經(jīng)直采區(qū)和功能室流出的全部空氣可按不同比例分布在支線的風機之間。每個分布不僅在分支中的氣流方面不同，而且在風機壓差和調(diào)節(jié)器的設置（如調(diào)節(jié)塞的空氣動力阻力）方面也不同。因此，找到這樣的空氣分布方法能使主風機的總有效功率盡可能減小。

2 黃金比率分割法

在具有兩個主風機且子網(wǎng)相互連接的通風網(wǎng)絡中，假設在整個截面內(nèi)具有起飛點（如直接開采區(qū)和功能室）的每個分支中存在給定氣流，允許實現(xiàn)滿足平衡定律的無限數(shù)量的空氣分布。綜上，在這種情況下，未知值的數(shù)量超過由平衡定律得出的方程的數(shù)量。如果選擇了反樹狀型的分支，則可以為這些分支強制獨立的氣流條件。但是，由于排氣軸中的氣流方向已知，用風扇強制進入支管的氣流必須滿足公式（1）規(guī)定的條件。

式中：VW為主風機的氣流；Vpc為所有截面分支中的氣流總和。

對于VW風機的不同強制氣流值，實現(xiàn)了不同的氣流分布，其特點是主風機的不同參數(shù)，包括有效功率。為了確定主風機的有效功率，假設為最小值的空氣分配，可以應用數(shù)學上已知的黃金比率法。在所涉及的問題中，目標函數(shù)采用公式（2）中所示的形式。

式中：Nu為主風機的總有效功率；VW1，VW2為風機1和風機2 處的氣流流量；△PW1，△PW2為風機1 和風機2 所需的壓差。

極限條件由第一和第二基爾霍夫定律的方程組成。所研究的目標函數(shù)和極限條件都是凸函數(shù)。因此，可以應用黃金比率法尋找公式（2）中所示函數(shù)的最小值。應注意的是，在風機1 處強制氣流后，可使用強制氣流的風機壓差（△PW1，△PW2）特性值來確定強制氣流分布。因此，公式（2）中給出的目標函數(shù)是一個自變量（風機1 處的氣流）的函數(shù)。此函數(shù)的形狀如下頁圖1 所示。

圖1 黃金比率法在通風網(wǎng)絡中的應用

有效功率最小的一次間隔的長度（d0）等于具有起飛點的分支中氣流流量的總和（Vpc）。該間隔的極值點對應于空氣分布，其中通過風機1 的氣流為0（點A）或整個空氣（Vpc）通過風機流向地面（點B）。由于目標函數(shù)的性質(zhì)，在其中一個點得到了以風機總有效功率最大為特征的氣流組織。黃金分割法包括在隨后的迭代中縮小主要間隔。最初，在每個迭代中，使用公式（3）計算間隔的長度（di），k 為迭代系數(shù)。間隔將在該迭代完成后獲得。

對于以這種方式強制的主風機氣流，計算新風區(qū)和用風區(qū)的空氣分布[6]。接下來，應計算調(diào)節(jié)器的設置和主風機的參數(shù)，包括其總有效功率。該方法的另一個步驟是比較在先前確定的空氣分布（與C 點和D 點相對應的空氣分布）下獲得的風機有效功率的總值。比較中可能出現(xiàn)以下兩種情況：

在這種情況下，間隔在左側(cè)收緊。風機的最小有效功率將出現(xiàn)在C 點和B 點投影之間新形成的間隔。第二種可能的情況由公式7 給出：

在這種情況下，間隔在右側(cè)收緊。在這種情況下，新的間隔將位于點A 和D 的投影之間。收緊間隔后，從使用公式（3）計算間隔長度開始進行另一次迭代。進一步的過程類似于第一次迭代。當不確定度間隔的長度小于允許值時，計算完成[7]。

3 計算示例

圖2 給出了A 煤礦通風網(wǎng)絡的典型圖，其中使用黃金分割法對強制空氣分配進行了優(yōu)化計算。通風網(wǎng)絡由5 個送風點組成，包括4 個直接開采區(qū)和一個功能室。在分配點之前的支管中，氣流調(diào)節(jié)器以調(diào)節(jié)塞的形式安裝。主通風機位于分支12—14 和13—14 中。該網(wǎng)絡包含連接W1和W2子網(wǎng)的氣流分支9—10 和9—11。

圖2 礦井通風網(wǎng)絡的標準圖

A 礦通風網(wǎng)絡包括19 個節(jié)點和26 個支路。因此，這個網(wǎng)絡的圈數(shù)是8。因此，26 個獨立的方程式是可能的，包括18 個由第一平衡定律得出的方程式和8 個由第二平衡定律得出的方程式。未知值為27，包括21 個分支的氣流、4 個調(diào)節(jié)塞的氣動阻力、2 個主風機所需的壓力。因此，得到的方程組是超定的[8]。

表1 給出了部分有空氣切斷器支流的相關信息。

表1 有空氣出口的支流特性

表2 給出了部分W1風機在3 090.17 m3/min 強制氣流條件下的強制氣流分布計算結(jié)果示例。

表2 礦井通風網(wǎng)絡中的強制送風

經(jīng)過迭代，圖3 顯示了W1和W2風機的總有效功率與W1風機的強制氣流之間的依賴關系。

圖3 風機總有效功率與W1 風機強制氣流之間的關系

4 結(jié)論

在具有兩個主通風機的通風網(wǎng)絡中，子網(wǎng)絡由一個分支互連，滿足強制送風要求的解的數(shù)量是無限的。在這些解決方案中每一個的情況下，在通風網(wǎng)絡分支中的特征空氣分布在包括其有效功率在內(nèi)的主風機參數(shù)值方面是不同的。為了確定以主風機總有效功率的最低值為特征的空氣分配變量，可以應用本文提到的基于黃金分割法的算法。