袁建國

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)華陽煤礦， 山西 晉城 048000）

引言

華陽煤礦屬于低瓦斯礦井，礦井通風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，前期通風(fēng)系統(tǒng)按照低瓦斯礦井設(shè)計，隨著開采深入，礦井瓦斯含量逐步提高，需要重新對礦井送風(fēng)量，井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提高礦井風(fēng)量利用率，降低礦井能耗，保障煤礦安全生產(chǎn)。

1 華陽煤礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

華陽煤礦經(jīng)過多年的挖掘，礦井通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)目前的生產(chǎn)狀況，部分巷道和通風(fēng)設(shè)施受環(huán)境影響變形，噴漿巷道出現(xiàn)開裂、巷道內(nèi)的通風(fēng)設(shè)施墻皮出現(xiàn)了裂縫，致礦井巷道通風(fēng)阻力增大，使得回采工作面的供風(fēng)不足，影響正常的安全生產(chǎn)。煤礦通風(fēng)系統(tǒng)主要包括井上通風(fēng)基站和井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)[1]，目前井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)組成部分主要包括有風(fēng)道、風(fēng)門、局部通風(fēng)機(jī)和輔助調(diào)節(jié)設(shè)備等[2]。井上通風(fēng)機(jī)站主要分為主通風(fēng)機(jī)和輔助控制系統(tǒng)[3]，主通風(fēng)機(jī)裝備兩臺同風(fēng)力大小風(fēng)機(jī)，確保風(fēng)機(jī)可以連續(xù)平穩(wěn)工作，為保證通風(fēng)系統(tǒng)各個風(fēng)點達(dá)到換氣標(biāo)準(zhǔn)，主通風(fēng)機(jī)耗能較多，通過優(yōu)化控制主通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)頻率，可以提高煤礦通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效率，保證煤礦安全生產(chǎn)[4]。

2 優(yōu)化改造方案

2.1 煤礦風(fēng)機(jī)模型建立

煤礦主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行模型如圖1 所示，其中R1S、R1C分別為1 號風(fēng)機(jī)水平風(fēng)門和垂直風(fēng)門等效風(fēng)阻，R2S、R2C分別為2 號風(fēng)機(jī)水平風(fēng)門和垂直風(fēng)門等效風(fēng)阻，R0為井下風(fēng)阻。

由圖1 可以看出，1 號風(fēng)機(jī)和2 號風(fēng)機(jī)呈對角通風(fēng)結(jié)構(gòu)。風(fēng)機(jī)風(fēng)壓H 可以由式（1）確定：

圖1 煤礦主道風(fēng)機(jī)運(yùn)行模型

式中：Hmax為風(fēng)機(jī)穩(wěn)定區(qū)極點值，風(fēng)機(jī)臨界工作點K風(fēng)壓為RK，工況點F 的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為0.9Hmax，對應(yīng)的等效風(fēng)阻為RF。為確保兩臺風(fēng)機(jī)的工況均在穩(wěn)定工況范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)1 號和2 號的風(fēng)阻R1、R2均小于RF，風(fēng)量Q1、Q2均小于QF。

2.2 煤礦主風(fēng)機(jī)機(jī)械特性

華陽煤礦采用的軸流式通風(fēng)機(jī)，其特性曲線為圖2 所示，其工況由連接的風(fēng)網(wǎng)確定，其中K 點為曲線頂點，也是風(fēng)機(jī)工況的極值點，K 點左側(cè)為不穩(wěn)定工作區(qū)，當(dāng)風(fēng)機(jī)工況點落在K 點左側(cè)，例如E 點，風(fēng)機(jī)容易產(chǎn)生振動，甚至導(dǎo)致事故；而K 點右側(cè)為穩(wěn)定工作區(qū)，風(fēng)機(jī)工況點應(yīng)該在穩(wěn)定工作區(qū)，且管網(wǎng)等效風(fēng)阻R≤RK。針對華陽煤礦主風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工況數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其擬合曲線如下頁圖3 所示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為式（2）：

圖2 軸流式通風(fēng)機(jī)工況曲線

圖3 風(fēng)機(jī)穩(wěn)定區(qū)工況擬合曲線

式中：H 為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；Q 為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s。

2.3 優(yōu)化控制模型建立

風(fēng)機(jī)2 為風(fēng)機(jī)1 的備用風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)切換時采用逐步切換的方式。1 號風(fēng)機(jī)獨立運(yùn)行時，R1C=R2S=0，R1S=R2C=∞。

由式（3）及風(fēng)量平衡定理可推出式（4）、式（5），其中R1、R2為兩側(cè)風(fēng)機(jī)等效風(fēng)阻。

式中：R 為風(fēng)阻，kg/m3。

由式（2）、式（3）可得，1 號風(fēng)機(jī)工作點（Q0，H0），Q0為井下最小通風(fēng)量，令H=0.9Hmax，可以求解得臨界風(fēng)阻RF，且R≤RF。帶入R1、R2可以求得任意時刻兩臺風(fēng)機(jī)的工況點（Q1，H1）、（Q2，H2）。

將（Q1，H1）、（Q2，H2）帶入式（3），可以得出風(fēng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2 水平風(fēng)門漏風(fēng)量：

可以導(dǎo)出井下通風(fēng)量為：

煤礦風(fēng)機(jī)的最優(yōu)控制目標(biāo)為井下通風(fēng)量ΔQ 最小，且工況均在穩(wěn)定工作區(qū)，等效風(fēng)阻阻R1、R2均小于RF。

設(shè)α1、α2、α3、α4分別為四個風(fēng)門開度的步進(jìn)量，調(diào)整井下通風(fēng)量的函數(shù)為：

煤礦風(fēng)機(jī)優(yōu)化模型為：

minf（α1，α2，α3，α4）

s.t.R1，R2≤RF

α2，α4∈[Smin，Smax]

α1，α3∈[-Smax，-Smin]

Smin，Smax分別為風(fēng)門角度步進(jìn)最小、最大調(diào)整量。

3 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)要求總風(fēng)量和各用風(fēng)點風(fēng)量必須滿足《煤礦安全規(guī)程》的不同類型巷道的風(fēng)速允許范圍規(guī)定[5]，如表1 所示。

表1 井下巷道風(fēng)速區(qū)間

結(jié)合本文建立的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合華陽煤礦實際工作情況，利用遺傳算法，在MATLAB 中進(jìn)行仿真，其中遺傳算法設(shè)置如下：

種群規(guī)模N=1000；權(quán)重值w=0.9-0.6t/T；

隨機(jī)數(shù)組r∈[0,1]；加速因子c=2.5-2t/T；

最大迭代次數(shù)1 000。

通過仿真可以得到圖4。

圖4 風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中井下風(fēng)量變化

其中R0現(xiàn)場檢測為0.16 Ns2/m3，通過計算可以得出井下通風(fēng)量Q0=77.3 m3/s，逐步調(diào)整風(fēng)門角度量[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]，對于不同風(fēng)門角度設(shè)置，如圖5 所示?？梢缘贸鼍嘛L(fēng)量最大值，風(fēng)門調(diào)整步數(shù)存在較大差異，可以看出當(dāng)α1S=α1C=41.5°，α2S=α2C=42°時風(fēng)機(jī)效率最優(yōu)。

圖5 風(fēng)門角度調(diào)整值

4 結(jié)論

本文針對華陽煤礦生產(chǎn)過程中煤礦主風(fēng)機(jī)效率進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)要求，深入分析運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，以煤礦主風(fēng)機(jī)為主要研究對象，建立煤礦通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合煤礦相關(guān)數(shù)據(jù)，利用遺傳算法對模型進(jìn)行優(yōu)化，尋求最優(yōu)控制量，為煤礦通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行提供參考。