淺析礦井通風(fēng)技術(shù)及通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

李斐 周福

摘 要： 礦井通風(fēng)情況對礦井作業(yè)安全有直接影響，需要根據(jù)各類作業(yè)面的特點，合理布設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)。本文首先對礦井通風(fēng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行分析，包括通風(fēng)系統(tǒng)布設(shè)及分析計算方法、礦井通風(fēng)節(jié)能技術(shù)等，在此基礎(chǔ)上，探討其通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計策略，包括優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)、監(jiān)測點優(yōu)化布局、通風(fēng)能力核定以及自動設(shè)計支持系統(tǒng)的研發(fā)等。

關(guān)鍵詞： 礦井通風(fēng)技術(shù)；通風(fēng)系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計

前言：礦井作業(yè)的危險系數(shù)較高，在作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量的粉塵和有害氣體，包括CO、CO2、NO2、NH3、硫化物和沼氣等。根據(jù)我國礦山作業(yè)安全規(guī)范的要求，一氧化碳濃度不能超過0.024%，氮氧化物含量不能超過0.00025%，硫化氫含量不能超過0.00066%，二氧化硫濃度不能超過0.0005%。要達到上述標(biāo)準(zhǔn)，必須確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計和安裝的合理性，同時保證其能夠穩(wěn)定運行，從而為井下作業(yè)安全及施工人員的身體健康提供保障。

一、礦井通風(fēng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

礦井通風(fēng)技術(shù)的研究與應(yīng)用直接關(guān)系著礦井作業(yè)安全，近二十年來，我國在礦井通風(fēng)技術(shù)的研究上取得了重大進展。首先從礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計及分析計算方法的研究來看，相關(guān)研究者提出了多種通風(fēng)阻力測定方法。通過建立作業(yè)面紊流傳質(zhì)方程、污染物濃度計算方程等，可以為風(fēng)量計算分析提供依據(jù)。在計算機技術(shù)的應(yīng)用下，還可以通過建立復(fù)雜的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，為通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的理論研究也不斷豐富，射流通風(fēng)理論、風(fēng)流動壓調(diào)節(jié)技術(shù)、火災(zāi)情況下的非穩(wěn)定風(fēng)流規(guī)律研究等，都為礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計提供了重要基礎(chǔ)。

另一方面，礦井通風(fēng)節(jié)能技術(shù)的研究也取得了重要突破。比如，通過設(shè)計多風(fēng)機多級機站，可顯著提高井下有效風(fēng)量率，根據(jù)需風(fēng)量對風(fēng)機進行調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)可控性，從而減少不必要的能源消耗。再比如，通過采取風(fēng)阻降低技術(shù)，對最大阻力線路進行擴大巷道斷面處理，可以獲得較好的降阻效果。還可以通過采用流線型擴散塔，在機站出口處安裝擴散器等，降低局部風(fēng)阻，改善井下作業(yè)面的空氣動力性能?？傮w而言，通過上述幾種礦井通風(fēng)技術(shù)的綜合運用，能夠有效改善礦井通風(fēng)條件，滿足相關(guān)規(guī)范要求，保證井下作業(yè)安全。

二、礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

（一）礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計是各類通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用的集中體現(xiàn)，其系統(tǒng)布設(shè)的合理性直接決定著井下通風(fēng)量及通風(fēng)節(jié)能效率。某礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計示意圖如圖1所示，如何判斷其是否滿足設(shè)計要求，主要通過與設(shè)計目標(biāo)進行比較，進而決定是否需要對設(shè)計方案進行優(yōu)化。根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，礦井通風(fēng)設(shè)計要滿足以下幾點基本要求：（1）通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)避免過于復(fù)雜，由于井下設(shè)備安裝空間有限，應(yīng)盡可能通過簡單的布設(shè)，在滿足相關(guān)規(guī)范要求的前提下，減少空間占用；（2）礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計要滿足系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性和可靠性要求，具備較強的井下環(huán)境適應(yīng)能力和抗災(zāi)能力，能夠保證特殊狀況下的通風(fēng)效率，從而降低井下作業(yè)風(fēng)險；（3）在系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化過程中，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)運行的節(jié)能性，根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)風(fēng)量，減少資源能源浪費；（4）充分考慮系統(tǒng)設(shè)計的成本投入問題，同時合理劃分經(jīng)費，保證通風(fēng)設(shè)備質(zhì)量和性能符合要求。綜合上述幾方面的考慮，在相關(guān)理論和技術(shù)的支持下，得出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計方案。

㈡ 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法

⑴巷道選型設(shè)計

在具體的優(yōu)化設(shè)計過程中，首先應(yīng)將礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計與巷道選型設(shè)計結(jié)合起來，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿足作業(yè)面的實際需求。在分析過程中，如果原有巷道形式容易對通風(fēng)系統(tǒng)布設(shè)產(chǎn)生制約，可以考慮采用新鑿專用進風(fēng)斜井的方式，并采用計算機仿真分析方法，確保優(yōu)化方案的可行性。比如某礦井通過將新鑿進風(fēng)斜井與各中段的運輸巷聯(lián)絡(luò)石門相連，并增設(shè)一級機站，使其進風(fēng)能力得到顯著提升。

⑵減少通風(fēng)流程

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計過程中，應(yīng)對各個巷道分段的通風(fēng)流程進行精簡，過多的通風(fēng)流程不僅會導(dǎo)致風(fēng)量出現(xiàn)損失，還會因新風(fēng)受到污染，導(dǎo)致礦井內(nèi)的空氣指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，進而對施工人員的身體健康及生產(chǎn)安全造成威脅。在此方面，應(yīng)充分考慮風(fēng)機選型問題，并對風(fēng)流壓力進行測量，確保通風(fēng)流程設(shè)計符合要求。

⑶局部降阻

針對巷道局部分段通風(fēng)阻力較大的問題，在設(shè)計過程中，應(yīng)對各分段風(fēng)速進行測量，根據(jù)參數(shù)測量結(jié)果，確定具體的降阻措施。由于通風(fēng)系統(tǒng)改造成本較高，需要在前期確保測算的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)對局部分段的有效優(yōu)化。

⑷監(jiān)測點優(yōu)化布局

監(jiān)測點的優(yōu)化布局是礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的一項重要內(nèi)容，特別是在礦井生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大的情況下，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模也越來越大，其監(jiān)測和運行調(diào)控的復(fù)雜性明顯提升。比如在多級機站系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用過程中，系統(tǒng)管理任務(wù)量大，采用人工經(jīng)驗判斷方法難以滿足實際要求。因此，以計算機和通訊技術(shù)為核心的自動化監(jiān)控系統(tǒng)在礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。為獲取較好的自動監(jiān)控效果，需要對監(jiān)測點進行優(yōu)化布置。首先應(yīng)保障監(jiān)測點數(shù)量的合理性，如果監(jiān)測點數(shù)量不足，難以實現(xiàn)自動監(jiān)控管理的全面覆蓋，若監(jiān)測點數(shù)量過多，則會增加系統(tǒng)成本投入。因此，應(yīng)通過對礦井作業(yè)面設(shè)計圖紙進行計算分析，合理確定監(jiān)測點數(shù)量。在此基礎(chǔ)上，確保局部監(jiān)測點設(shè)計的合理性，能夠反映出系統(tǒng)運行狀態(tài)，并及時捕獲系統(tǒng)運行的異常信息。通過對監(jiān)測點進行優(yōu)化設(shè)計，確保在線監(jiān)測系統(tǒng)的正常使用，實現(xiàn)對礦井通風(fēng)情況的實時掌控。

⑸通風(fēng)能力核定

通風(fēng)能力核定是礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的一項重點工作，從近幾年來礦井生產(chǎn)作業(yè)的實踐情況來看，因通風(fēng)系統(tǒng)導(dǎo)致的井下作業(yè)事故仍時有發(fā)生，這與前期設(shè)計階段的通風(fēng)能力核定不到位有很大關(guān)系。在采煤技術(shù)快速發(fā)展下，實際工程采用的技術(shù)方法越來越多樣化，部分礦井在設(shè)計能力不足的狀態(tài)下進行開采施工，嚴(yán)重增加了施工安全隱患。其中，要實現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的正常運行，就需要對其通風(fēng)能力進行準(zhǔn)確核定。在此基礎(chǔ)上，通過對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)機選型等進行優(yōu)化，確保通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿足實際生產(chǎn)技術(shù)的要求。在井下作業(yè)過程中，也需要定期對通風(fēng)系統(tǒng)進行核定，特別是在作業(yè)面推移的情況下，需要對通風(fēng)系統(tǒng)作出同步調(diào)整，并再次核定其通風(fēng)能力。

⑹研發(fā)自動設(shè)計支持系統(tǒng)

從礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化的實際需求來看，研發(fā)一套自動設(shè)計支持系統(tǒng)十分必要。目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)模不斷擴大，采取傳統(tǒng)設(shè)計軟件進行設(shè)計，周期較長，而且難以保證系統(tǒng)功能性能能夠滿足實際要求。采取自動設(shè)計支持系統(tǒng)，可以利用計算機對通風(fēng)系統(tǒng)進行規(guī)劃調(diào)節(jié)，將傳統(tǒng)的線性優(yōu)化方法轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性優(yōu)化方法，從而使最終的優(yōu)化設(shè)計方案更加符合實際情況。以往的計算機軟硬件水平難以實現(xiàn)這一目標(biāo)，但近年來計算機相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，為自動設(shè)計支持系統(tǒng)的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)?？赏ㄟ^采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以人的知識經(jīng)驗為指導(dǎo)，通過計算機自學(xué)習(xí)，完成大量的重復(fù)性計算工作，快速完成通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化任務(wù)。這不僅可以提高前期通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量，還能夠在作業(yè)面推移中，為通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整提供支持，減少設(shè)計時間，從而提高施工效率。

結(jié)束語：綜上所述，礦井通風(fēng)技術(shù)及通風(fēng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用對礦井生產(chǎn)活動有重要影響，通過總結(jié)其技術(shù)研發(fā)成果，可以推動理論成果向應(yīng)用成果的轉(zhuǎn)化。在此基礎(chǔ)上，通過采用先進的理念和技術(shù)方法對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，可以提升設(shè)計方案的合理性，同時降低通風(fēng)系統(tǒng)的投入成本，獲得較高的綜合效益。

參考文獻

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