區(qū)域可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)中循環(huán)率的確定

王時彬，陳日輝，孟祥允

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

區(qū)域可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)中循環(huán)率的確定

王時彬，陳日輝，孟祥允

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

本文對區(qū)域可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)進行研究，根據(jù)巷道風(fēng)速、瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度、風(fēng)機消耗功率和循環(huán)區(qū)域新鮮供風(fēng)量來確定循環(huán)風(fēng)機的最優(yōu)循環(huán)率，用以對實際生產(chǎn)循環(huán)風(fēng)機進行合理選擇和運用。

風(fēng)速；濃度；功率；循環(huán)率；新鮮風(fēng)量

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，礦山生產(chǎn)的機械化程度不斷提高，礦井開采規(guī)模不斷擴大，通風(fēng)線路隨之加長，通風(fēng)阻力與之增加，工作面通風(fēng)較為困難，用傳統(tǒng)的通風(fēng)技術(shù)會大大地增加通風(fēng)的難度和費用。為解決這種通風(fēng)困難問題，礦山工作者提出一種新的通風(fēng)技術(shù)——區(qū)域可控循環(huán)通風(fēng)。可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)首先在英國煤礦生產(chǎn)中興起，由英國學(xué)者Lach和Slack研究提出，20世紀(jì)70年初在英國開始應(yīng)用，它是指對需風(fēng)地點人為的進行有規(guī)律的風(fēng)量循環(huán)控制來達到需要的通風(fēng)效果。

1 區(qū)域可控循環(huán)通風(fēng)分類

區(qū)域可控循環(huán)通風(fēng)方式根據(jù)循環(huán)風(fēng)機在循環(huán)區(qū)域巷道的位置及相對主要風(fēng)機的作用分為兩類：增阻循環(huán)通風(fēng)和增壓循環(huán)通風(fēng)[1]。

增阻循環(huán)通風(fēng)是循環(huán)風(fēng)機安置在離工作面一定距離的聯(lián)絡(luò)巷(循環(huán)風(fēng)道)中，也稱聯(lián)絡(luò)巷循環(huán)通風(fēng)。這種循環(huán)通風(fēng)方式提高了一部分循環(huán)巷道風(fēng)流的能量，讓其回到循環(huán)進風(fēng)巷中。循環(huán)風(fēng)機對風(fēng)流的作用方向與主要通風(fēng)機的作用方向相反，有增阻作用。增壓循環(huán)通風(fēng)是循環(huán)風(fēng)機安設(shè)在循環(huán)區(qū)域的循環(huán)進風(fēng)巷道或回風(fēng)巷道中，聯(lián)絡(luò)巷依然作為循環(huán)風(fēng)道使用。進風(fēng)道中運輸任務(wù)一般較為繁重，安裝輔助通風(fēng)機會影響正常生產(chǎn)，故循環(huán)風(fēng)機多設(shè)在循環(huán)回風(fēng)巷中。這種循環(huán)通風(fēng)方式中，循環(huán)區(qū)域的循環(huán)回風(fēng)巷中風(fēng)流在循環(huán)風(fēng)機的作用下總能量高于循環(huán)進風(fēng)巷中風(fēng)流而產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)流，故稱為增壓循環(huán)風(fēng)。

在金屬礦和低瓦斯煤礦中都能運用可控循環(huán)通風(fēng)來解決工作面通風(fēng)困難問題，并已積累了許多經(jīng)驗。如白元付等[2]在王家寨礦中成功運用可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)，吳富剛等[3]在紅透山礦井中運用可控循環(huán)通風(fēng)。

由于諸多原因，現(xiàn)場多采用增阻循環(huán)通風(fēng)[4]，本文主要針對該循環(huán)通風(fēng)進行討論。在循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)確定時，隨著循環(huán)率F增大(即循環(huán)風(fēng)量增加)，循環(huán)風(fēng)機的增阻作用隨之增大，從而使循環(huán)區(qū)域的風(fēng)阻與之增加，循環(huán)區(qū)域的新鮮風(fēng)流因風(fēng)阻的變大而減??；同時循環(huán)風(fēng)量的增大會增加循環(huán)區(qū)域以外擋風(fēng)墻兩端的壓差，使漏風(fēng)增加。當(dāng)循環(huán)率達到某一值時，隨F值增大工作面風(fēng)量Qc的增量減少，以馬村礦13506采面試驗為例[5]，循環(huán)率在0.346～0.54區(qū)段，循環(huán)風(fēng)量由113.12m3/min增加到178.26m3/min，而循環(huán)區(qū)域新鮮風(fēng)流由214.28m3/min減少到152.36m3/min，結(jié)果工作面實際進風(fēng)量相差無幾(327.4～330.62m3/min)。所以在增阻循環(huán)通風(fēng)中循環(huán)率的增大有一定的限制。相反對于其循環(huán)率最小值的限定討論則較為簡單，當(dāng)F取零時，循環(huán)風(fēng)機不工作，通風(fēng)系統(tǒng)基本不變，故循環(huán)率有一定的下限要求。

循環(huán)率取值在一定的范圍之內(nèi)，本文根據(jù)風(fēng)速要求、瓦斯變化濃度、粉塵變化濃度、風(fēng)機消耗功率及循環(huán)區(qū)新鮮風(fēng)量供給幾個限定條件來討論增阻循環(huán)通風(fēng)中循環(huán)率的最優(yōu)取值。增阻循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)示意，見圖1。

圖1 增阻循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)示意

如圖1所示，Q1、Q4分別表示循環(huán)區(qū)域進風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)量，Q2、Q3分別表示循環(huán)進風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)量，Qr為循環(huán)風(fēng)量，Qc為工作面用風(fēng)風(fēng)量，F(xiàn)1表示循環(huán)風(fēng)機，F(xiàn)表示主要風(fēng)機，循環(huán)區(qū)域進風(fēng)道、回風(fēng)道和工作面風(fēng)阻用Rc表示，循環(huán)風(fēng)道風(fēng)阻用Rr表示，循環(huán)區(qū)域外的風(fēng)路風(fēng)阻用R0表示。依圖有公式Q1=Q4，Q2=Q3=Qc，Q1+Qr=Qc，定義循環(huán)率F =Qr/Qc。

2 相關(guān)影響因素的確定

2.1 巷道風(fēng)速

在《煤礦安全規(guī)程》[6]和《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》[7]中(下文將兩者簡稱為《安全規(guī)程》)，均規(guī)定了各礦井巷道的最低風(fēng)速Vmin和最高風(fēng)速Vmax。在循環(huán)區(qū)域中最低風(fēng)速一般是能保證，現(xiàn)需考慮循環(huán)區(qū)域循環(huán)風(fēng)道、循環(huán)進風(fēng)巷、循環(huán)回風(fēng)巷及工作面巷道的最大風(fēng)速。

式中：Vr、V2、V3、Vc分別表示循環(huán)風(fēng)道、循環(huán)進風(fēng)巷、循環(huán)回風(fēng)巷及工作面巷道的風(fēng)速；

Sr、S2、S3、Sc分別表示循環(huán)風(fēng)道、循環(huán)進風(fēng)巷、循環(huán)回風(fēng)巷及工作面巷道的斷面積。

從上述4式中可看出，隨著循環(huán)率F 的增大，循環(huán)區(qū)域所有巷道的風(fēng)速也隨之增大。令風(fēng)速Vr、V2、V3、Vc都取《安全規(guī)程》[6-7]中相應(yīng)的最大值，可得出4個F 值，為使這4個巷道都滿足要求，F(xiàn) 值不應(yīng)超過最小值Fmin，令F1=Fmin。

2.2 瓦斯?jié)舛?/p>

循環(huán)通風(fēng)能增加循環(huán)區(qū)域工作面的風(fēng)量，增大了沖淡瓦斯的能力，使工作面瓦斯?jié)舛炔▌拥姆逯档陀谙嗤瑮l件常規(guī)通風(fēng)，使風(fēng)流紊流擴散能力增強而加快了瓦斯與風(fēng)流的混合，更有利于防止瓦斯在頂板積聚[8]。在增阻循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)示意圖中各巷道的瓦斯?jié)舛确謩e以C1、C2、C3、C4、Cr表示，qc表示工作面瓦斯的絕對涌出量，C1為進風(fēng)流中瓦斯?jié)舛?，可由儀器測量得到。

在常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)中，Qr=0，此時有C2＝C1，C3＝C1+qc/Q3，Q1+Q2+Q3=Q4。

在循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)中，循環(huán)區(qū)域循環(huán)回風(fēng)巷中一部分風(fēng)流經(jīng)循環(huán)風(fēng)機進入到循環(huán)區(qū)域循環(huán)進風(fēng)巷，混合新鮮風(fēng)流進入工作面。

循環(huán)率F =Qr/Qc，Q2=Q3=Qr=Q1+FQr

第一次循環(huán)時，有：

第二次循環(huán)時，有：

第n次循環(huán)時，有：

由以上公式分析可知，在增阻循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)中，當(dāng)循環(huán)風(fēng)流達到穩(wěn)定狀態(tài)時，循環(huán)區(qū)域工作面及循環(huán)回風(fēng)巷道中瓦斯?jié)舛却笮∨c循環(huán)率F 無關(guān)，只取決于循環(huán)區(qū)域內(nèi)新鮮風(fēng)量和其工作面瓦斯涌出量，并與同量進風(fēng)量常規(guī)通風(fēng)時瓦斯?jié)舛认嗤?。由此知要使工作面和回風(fēng)巷道的瓦斯?jié)舛炔怀?，則需保證有足夠的新鮮風(fēng)量進入循環(huán)區(qū)域。

由循環(huán)區(qū)域循環(huán)進風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛裙街兄?，其瓦斯?jié)舛却笮2與循環(huán)率有關(guān)，隨循環(huán)率F 變大而增大，所以必須控制循環(huán)率使其濃度符合安全規(guī)程[6-7]，當(dāng)瓦斯?jié)舛热O限值時，計算其循環(huán)率F2。

2.3 粉塵濃度

在常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)中，一些產(chǎn)塵量大的工作面其粉塵濃度往往超標(biāo)，影響正常的生產(chǎn)工作。在增阻循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)中在循環(huán)風(fēng)道內(nèi)安置除塵設(shè)備，將循環(huán)回風(fēng)巷的一部分污風(fēng)過濾后排入工作面稀釋其粉塵濃度。設(shè)除塵器的除塵效率為E，在增阻循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)示意圖中各巷道礦井粉塵濃度依次為d1(循環(huán)區(qū)域進風(fēng)巷)、d2(循環(huán)進風(fēng)巷)、d3(循環(huán)回風(fēng)巷)、d4(循環(huán)區(qū)域回風(fēng)巷)、dr(循環(huán)風(fēng)道)，D為工作面的產(chǎn)塵量。礦井粉塵在風(fēng)流中的運動規(guī)律一般來說比瓦斯運動規(guī)律更復(fù)雜，但其濃度受風(fēng)流影響較小，按瓦斯運動規(guī)律計算[9]。按上文對瓦斯?jié)舛鹊耐茖?dǎo)過程可推出循環(huán)進風(fēng)巷道礦塵濃度d2和循環(huán)回風(fēng)巷道礦塵濃度d3：

從公式知，循環(huán)進風(fēng)巷、回風(fēng)巷中礦塵濃度與循環(huán)區(qū)域新鮮風(fēng)流自帶的礦塵濃度、新鮮風(fēng)量大小、工作面的產(chǎn)塵量多少、除塵器的效率和循環(huán)率有關(guān)，循環(huán)率越大礦塵濃度越低。現(xiàn)場應(yīng)用時，需將循環(huán)區(qū)域循環(huán)進風(fēng)巷道礦塵濃度d2和循環(huán)回風(fēng)巷道礦塵濃度d3控制在《安全規(guī)程》[6-7]規(guī)定的濃度之內(nèi)。在其它參數(shù)已定時計算出此時符合要求循環(huán)率的極限值F3。

2.4 風(fēng)機功率消耗

風(fēng)機功率消耗包括循環(huán)風(fēng)機功率消耗和主要功率消耗，根據(jù)能量平衡定律[10]有：

主要風(fēng)機輸出功率：

循環(huán)系統(tǒng)的總功率：

式中hN為自然風(fēng)壓，從上述公式可看出隨循環(huán)率增大，其循環(huán)風(fēng)機和主要風(fēng)機風(fēng)壓均增大，循環(huán)系統(tǒng)的總功率增大。在循環(huán)系統(tǒng)中，R0的值可看作不變，而Rr、Rc影響風(fēng)機功率消耗，Rr、Rc值越小，其循環(huán)系統(tǒng)的總功率消耗越小，同時可知循環(huán)區(qū)域的風(fēng)阻越小，越有利于應(yīng)用增阻循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)。由于一般自然風(fēng)壓較小，對整個通風(fēng)系統(tǒng)影響不大，這里忽略不計。將循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)的功率消耗同常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)功率消耗比較可得出節(jié)能量。當(dāng)常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)工作面的實際用風(fēng)量為Qc時，其消耗的總功率N 為：

上式可看成是關(guān)于循環(huán)率F 的函數(shù)，故可運用函數(shù)知識來分析Nt/N 的值。

令g(F)=F3Rr+(1-F )3R0，求導(dǎo)得g′(F)= 3F2Rr-3(1-F )2R0，令g′(F)=0時，為增函數(shù)，當(dāng)F＜F0時，g(F)為減函數(shù)，當(dāng)F＞F0時，g(F)為增函數(shù)，所以當(dāng)F=F0時， 取最小值。對于自然風(fēng)壓較大的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，同樣可運用以上函數(shù)知識來對其循環(huán)率進行分析。

對于循環(huán)風(fēng)道風(fēng)阻Rr遠小于循環(huán)區(qū)域外的整個系統(tǒng)的風(fēng)阻R0，故F0約等于1，即表示當(dāng)工作面的用風(fēng)量全由循環(huán)風(fēng)機提供時消耗功率最小，此時循環(huán)系統(tǒng)為全封閉循環(huán)系統(tǒng)。上述對瓦斯?jié)舛茸兓偷V塵降塵分析已說明循環(huán)系統(tǒng)必須要有一定的新鮮風(fēng)流，故循環(huán)率不能為1。但由Nt/N 知當(dāng)循環(huán)率F越大，循環(huán)系統(tǒng)功率消耗越小。

2.5 新鮮風(fēng)量

2.5.1 與循環(huán)率關(guān)系

在蒲白課題組對馬村礦采面、采區(qū)可控循環(huán)風(fēng)試驗研究中[5]，可知當(dāng)循環(huán)區(qū)域與另一工作面構(gòu)成并聯(lián)通風(fēng)時，運用增阻循環(huán)通風(fēng)時會增加該循環(huán)區(qū)域的等效風(fēng)阻，此時會減少該循環(huán)區(qū)域的有效新鮮風(fēng)量。由上述分析知當(dāng)循環(huán)率不斷增大到某一值時，有效新鮮風(fēng)隨之減小到某值，不利于瓦斯、礦塵等有毒有害物質(zhì)的稀釋和排除。

對于循環(huán)區(qū)域和另一工作面構(gòu)成并聯(lián)通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 區(qū)域可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)示意

圖中BC區(qū)域為循環(huán)通風(fēng)區(qū)域，根據(jù)其研究得循環(huán)通風(fēng)的新鮮風(fēng)量與常規(guī)通風(fēng)新鮮風(fēng)量關(guān)系式為：式中：Q1—常規(guī)通風(fēng)新鮮風(fēng)量；

Q1′—循環(huán)通風(fēng)新鮮風(fēng)量；

F —循環(huán)率；

RAB、RBC、RCD—分別為各段風(fēng)阻。

由馬村礦13506工作面試驗數(shù)據(jù)得出的不同循環(huán)率的風(fēng)量變化圖中知，隨循環(huán)率的增大，其循環(huán)區(qū)域新鮮進風(fēng)隨之減少。根據(jù)循環(huán)區(qū)域新鮮風(fēng)最小需求量、各段風(fēng)阻可計算出循環(huán)率F4，為該循環(huán)系統(tǒng)的極限值。

2.5.2 新鮮風(fēng)量的確定

受當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟條件的限制，不能從循環(huán)風(fēng)流中凈化所有的有毒有害物質(zhì)，如瓦斯和CO，故要使循環(huán)區(qū)各項通風(fēng)技術(shù)指標(biāo)都符合安全規(guī)程[6-7]規(guī)定要求，必須保證供給循環(huán)區(qū)域所必須的最小新鮮風(fēng)流。可按照祝啟坤等人的研究，按工作面排煙及對氧氣、二氧化碳含量要求計算外來新鮮風(fēng)量Q1[11]，同時需考慮有毒有害物質(zhì)的稀釋作用，如按上述瓦斯?jié)舛茸兓醒h(huán)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛菴3=C1+qc/Q1原理計算新鮮風(fēng)量Q1，最后新鮮風(fēng)量取滿足所有要求的最大值。

3 結(jié)語

循環(huán)通風(fēng)能增加工作面風(fēng)量，但不會導(dǎo)致瓦斯等有毒有害物質(zhì)濃度的增加。對于產(chǎn)塵較多的工作面，配以除塵器能較好的降低粉塵濃度。在循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)中，循環(huán)率越大，消耗功率越小。當(dāng)循環(huán)率達到某一值繼續(xù)增大時，循環(huán)區(qū)域新鮮風(fēng)量會減少，此時循環(huán)區(qū)新鮮風(fēng)量與循環(huán)率密切相關(guān)。循環(huán)率既不能太大又不能太小，但可從確定條件中選取符合要求的最節(jié)能的循環(huán)率。

在一個循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)中，首先需確定循環(huán)區(qū)域新鮮風(fēng)量，然后根據(jù)循環(huán)區(qū)域新鮮風(fēng)量與循環(huán)率的消長關(guān)系和循環(huán)區(qū)各巷道風(fēng)速要求的循環(huán)率上限值，再次根據(jù)瓦斯、粉塵等有毒有害物質(zhì)濃度要求確定循環(huán)率的下限值，最后根據(jù)功率消耗與循環(huán)率的關(guān)系選取F滿足所有要求的最大值。

因此運用循環(huán)通風(fēng)時需謹(jǐn)慎，既要滿足有毒有害物質(zhì)的稀釋和排除，又要滿足不使循環(huán)區(qū)域新鮮風(fēng)量小于最小鮮風(fēng)要求，同時還要使功率消耗最少。

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Determination of Circulation Rate in the Area Controlled Recirculating Ventilation

WANG Shi-bin, CHEN Ri-hui, MENG Xiang-yun
(Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

In this paper, the area controllable circulation ventilation had been studied, according to the request of the tunnel air speed, gas density and the dust concentration, the air fan consumed power and the fresh air quantity of recirculation area to pick up the optimal recirculation rate, then choose the reasonable recirculation fan to use.

air speed; density; power; recirculation rate; fresh air quantity

TD724

A

1007-9386(2014)01-0059-04

2013-10-12