風(fēng)窗對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)的影響及其調(diào)節(jié)與定位優(yōu)化

馮振超

摘 要：利用回路阻力平衡關(guān)系分析了井下風(fēng)窗安裝前后通風(fēng)系統(tǒng)中各分支間風(fēng)流流動(dòng)關(guān)系，提出了某些分支安裝風(fēng)窗后，通風(fēng)系統(tǒng)各分支的風(fēng)量對(duì)此變化作出反應(yīng)的分析模型，給出了度量風(fēng)量和阻力反應(yīng)敏感性強(qiáng)弱的方法;假定通風(fēng)系統(tǒng)中某些分支同時(shí)安裝風(fēng)窗，在保留風(fēng)窗的使用對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)所帶來(lái)的正面作用，但要抑制其負(fù)面作用的條件下，基于盡可能使所有參與調(diào)節(jié)的分支的風(fēng)阻增、減值最小化的原則，提出了指定分支實(shí)施調(diào)節(jié)的調(diào)阻調(diào)節(jié)法和優(yōu)選分支實(shí)施調(diào)節(jié)的調(diào)阻調(diào)節(jié)法，并建立了相關(guān)最優(yōu)調(diào)節(jié)模型及其求解方法.結(jié)果表明：兩種模型可以在風(fēng)窗安裝之前進(jìn)行解算，解算結(jié)果可預(yù)知風(fēng)窗安裝后通風(fēng)系統(tǒng)各分支的風(fēng)流的分布情況，并確定出相應(yīng)的調(diào)控策略;優(yōu)選分支調(diào)阻調(diào)節(jié)模型可以用于選擇最優(yōu)的風(fēng)窗安裝位置、數(shù)量及風(fēng)窗阻力，后者可以用于確定風(fēng)窗窗口面積.

關(guān)鍵詞：井下風(fēng)窗;微變自動(dòng)調(diào)風(fēng)技術(shù);風(fēng)量震蕩;調(diào)節(jié)精度

利用回路電阻平衡關(guān)系，分析了井下窗安裝前后通風(fēng)系統(tǒng)支路間的氣流關(guān)系。提出了一種分析模型，用以測(cè)量通風(fēng)系統(tǒng)在部分分支安裝窗后，不同分支風(fēng)量變化的敏感性和阻力響應(yīng)。假設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)的某些分支同時(shí)裝有風(fēng)窗，在保留風(fēng)窗的使用對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)所帶來(lái)的正面作用，但要抑制其負(fù)面作用的條件下，基于盡可能使所有參與調(diào)節(jié)的分支的風(fēng)阻增、減值最小化的原則，提出了指定分支實(shí)施調(diào)節(jié)的調(diào)阻調(diào)節(jié)法和優(yōu)選分支實(shí)施調(diào)節(jié)的調(diào)阻調(diào)節(jié)法，并建立了相關(guān)最優(yōu)調(diào)節(jié)模型及其求解方法。

一、井下通風(fēng)系統(tǒng)概述

通風(fēng)系統(tǒng)是礦井通風(fēng)方式、通風(fēng)方法和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的總稱。通常情況下，井下通風(fēng)系統(tǒng)是專業(yè)的通風(fēng)機(jī)和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)組成的，通過(guò)對(duì)風(fēng)流加以引導(dǎo)，使風(fēng)從井口進(jìn)入到礦井，然后由各個(gè)通風(fēng)機(jī)將風(fēng)在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中按照一定的方向進(jìn)行引導(dǎo)，使風(fēng)進(jìn)入到用風(fēng)場(chǎng)所，最后到達(dá)回風(fēng)井中。穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)保證了風(fēng)場(chǎng)的用風(fēng)，而很多事故的發(fā)生都是由于通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的。因此，分析和找出影響通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，將會(huì)降低安全生產(chǎn)事故的發(fā)生率，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

二、風(fēng)窗對(duì)風(fēng)流穩(wěn)定性影響的分析

1.節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡與回路阻力平衡方程。井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)閉合的簡(jiǎn)單圖，需要運(yùn)用圖論的知識(shí)對(duì)其進(jìn)行分析。若其節(jié)點(diǎn)數(shù)為J個(gè)，分支數(shù)為N個(gè)，則該風(fēng)網(wǎng)的獨(dú)立回路數(shù)為M=N-J+1。若已知通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各分支的風(fēng)阻、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和自然風(fēng)壓，則根據(jù)風(fēng)壓平衡定律，風(fēng)網(wǎng)中任意回路的風(fēng)壓的代數(shù)和為零，可列出M個(gè)回路阻力平衡方程：

利用式（2）可使對(duì)風(fēng)網(wǎng)的解算轉(zhuǎn)化為求解由式（1）描述的M個(gè)回路阻力平衡方程，方程維數(shù)大幅壓縮。

2.風(fēng)窗的使用對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響。假設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)中某些分支同時(shí)安裝風(fēng)窗，安裝風(fēng)窗的分支的集合為C，此時(shí)在集合C中的分支通風(fēng)阻力增大，即對(duì)于集合C中的分支m來(lái)說(shuō)，其增大阻力為ΔH m，該阻力的大小與風(fēng)窗的開(kāi)口面積成反比，具體計(jì)算方法可參閱文獻(xiàn)。為了維持通風(fēng)系統(tǒng)的阻力平衡，各分支風(fēng)量必隨之發(fā)生變化，設(shè)其變化量分別為ΔQ 1，ΔQ 2，…，ΔQ N。顯然，無(wú)論發(fā)生何種變化，回路阻力平衡式（1）必須滿足，即

式（3）中，Q bj為通風(fēng)系統(tǒng)未安裝任何風(fēng)窗時(shí)分支j的風(fēng)量;ΔQ j為通風(fēng)系統(tǒng)安裝風(fēng)窗后分支j的風(fēng)量變化量。利用式（2），方程式（3）完全可以確定N個(gè)分支的風(fēng)量變化量ΔQ 1，ΔQ 2，…，ΔQ N。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)某些分支安裝風(fēng)窗確定后，通風(fēng)系統(tǒng)中分支j風(fēng)量發(fā)生變化，這種變化對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響程度可用如下公式描述：

式（4）中，ξj稱為分支j的風(fēng)量變化對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)安裝風(fēng)窗的風(fēng)量敏感指數(shù)，這種敏感指數(shù)有4種可能性：（1）ξj≥1，表明當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)安裝風(fēng)窗后，受影響分支j的風(fēng)量變化也隨之同向增大，此時(shí)風(fēng)窗不會(huì)導(dǎo)致風(fēng)流反向;（2）-1<ξj<1，表明當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)安裝風(fēng)窗后，受影響分支j的風(fēng)量變化也隨之減小，但不會(huì)導(dǎo)致風(fēng)流反向;（3）ξj≤-1，表明當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)安裝風(fēng)窗后，受影響分支j的風(fēng)量變化也隨之逆向增大，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)流反向;（4）ξj=0，表明當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)安裝風(fēng)窗后，分支j不受影響。對(duì)于一個(gè)具體的通風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合適的風(fēng)量敏感指數(shù)承受值區(qū)間[-ζ0，ζ0]，ζ0<1。安裝風(fēng)窗后，應(yīng)對(duì)風(fēng)量敏感指數(shù)ξj≥ζ0或ξj≤-ζ0的所有分支進(jìn)行重點(diǎn)分析，以確定其是否有害。若發(fā)現(xiàn)有害，則需要進(jìn)行調(diào)控。同理，可定義壓力敏感指數(shù)：

式（5）中，H j為通風(fēng)系統(tǒng)未安裝任何風(fēng)窗時(shí)分支j的壓力;ΔH j為通風(fēng)系統(tǒng)安裝風(fēng)窗后分支j的壓差變化。由于分支j的風(fēng)量與風(fēng)壓具有H j=Rj Q jQ j，因此風(fēng)量敏感指數(shù)與壓力敏感指數(shù)性質(zhì)類似，且可以相互轉(zhuǎn)換。因此，應(yīng)用中可任選一種即可。

三、復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方法

針對(duì)開(kāi)采多年并開(kāi)始步入深井開(kāi)采的復(fù)雜大型礦山，要解決通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)礦井風(fēng)流的有序流動(dòng)和井下生產(chǎn)的正常進(jìn)行，需要及時(shí)開(kāi)展礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查、測(cè)試和分析，應(yīng)用先進(jìn)的通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)軟件對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和完善。一般從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)流調(diào)節(jié)設(shè)施和通風(fēng)構(gòu)筑物等方面進(jìn)行優(yōu)化，其難點(diǎn)在于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜分支巷道多、輔扇多、風(fēng)流調(diào)節(jié)的點(diǎn)多等。

1.礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化軟件礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化軟件是運(yùn)用FORTRAN 90編寫(xiě)的，運(yùn)算迭代速度快，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)據(jù)可靠，實(shí)用性和通用性強(qiáng)，不僅適用于復(fù)雜的統(tǒng)一通風(fēng)系統(tǒng)，也適用于多輔扇或多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，能有效解決大型復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的難題。該軟件主要包括自然風(fēng)壓適時(shí)計(jì)算、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、通風(fēng)系統(tǒng)三維模型建造、數(shù)據(jù)輸入輸出與查詢等模塊。自然風(fēng)壓適時(shí)計(jì)算模塊能將實(shí)測(cè)得到的不同季節(jié)不同時(shí)間的地表和井下的氣溫參數(shù)，以及進(jìn)、回風(fēng)井筒深度值輸入計(jì)算機(jī)，自動(dòng)計(jì)算礦井自然風(fēng)壓值，并自動(dòng)刷新至通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算的原始數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)適時(shí)分析自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響，有助于了解自然風(fēng)壓的變化規(guī)律。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模塊能通過(guò)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)前處理，將所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)軟件要求的格式輸入計(jì)算機(jī)，可實(shí)現(xiàn)多種通風(fēng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)、方案實(shí)施后通風(fēng)效果的計(jì)算機(jī)模擬、工作面風(fēng)量的自動(dòng)診斷等。

2.通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的核心內(nèi)容之一，因此，在進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)，一般以礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，應(yīng)用礦井通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如新增或減少通風(fēng)巷道等）。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化力求簡(jiǎn)單明了，主要從通風(fēng)巷道斷面積、生產(chǎn)布局、通風(fēng)線路等方面進(jìn)行優(yōu)化，力求通風(fēng)線路最短通風(fēng)阻力最小、有害角聯(lián)巷道少、風(fēng)量分配合理、通風(fēng)壓力均衡、通風(fēng)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)管理容易等，確保通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通暢。

3.通風(fēng)構(gòu)筑物優(yōu)化。通風(fēng)構(gòu)筑物是用于引導(dǎo)風(fēng)流、阻隔風(fēng)流和調(diào)節(jié)風(fēng)流的設(shè)施，對(duì)井下風(fēng)流調(diào)控有著非常重要的作用。在不增加礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力的前提下，根據(jù)風(fēng)流調(diào)控的需要，應(yīng)用礦井通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)優(yōu)化通風(fēng)構(gòu)筑物的類型及位置等。力爭(zhēng)在不增加礦井通風(fēng)阻力的情況下，做到通風(fēng)構(gòu)筑物位置設(shè)置合理，確保構(gòu)筑物質(zhì)量，能有效控制風(fēng)流循環(huán)和漏風(fēng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)流合理調(diào)控，保障礦井生產(chǎn)安全有序。

4.風(fēng)機(jī)優(yōu)選。礦井風(fēng)機(jī)的優(yōu)選可綜合考慮選用高效節(jié)能風(fēng)機(jī)、采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)、風(fēng)機(jī)數(shù)量、風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝位置等因素，優(yōu)化目標(biāo)是風(fēng)機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)和效率高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，礦井通風(fēng)用電平均占全礦用電的30%。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化中，一般依據(jù)礦井總需風(fēng)量和礦井通風(fēng)阻力，盡可能選擇新型高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，使之與礦井通風(fēng)系統(tǒng)相匹配;依據(jù)自然風(fēng)壓適時(shí)計(jì)算模塊所得到的不同季節(jié)自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，可以應(yīng)用調(diào)頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速適時(shí)調(diào)節(jié)和平穩(wěn)啟動(dòng)，合理節(jié)約風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗。另外，對(duì)于優(yōu)化現(xiàn)有風(fēng)機(jī)可以從調(diào)整風(fēng)機(jī)葉片徑向間隙和葉片安裝角、配用專用擴(kuò)散器、改善風(fēng)硐轉(zhuǎn)角減少射流偏流現(xiàn)象及風(fēng)流沖擊損失等方面提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，將部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，降低出口動(dòng)壓損失，提高靜壓效率。

四、低震蕩高精度微變實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)風(fēng)技術(shù)

1.PID 控制數(shù)學(xué)模型。裝置采用 PID（比例 - 積分 - 微分）控制器實(shí)現(xiàn)風(fēng)量實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)節(jié) 。控制器輸入與輸出的關(guān)系為：

式中，K p 為比例系數(shù);T i 為積分時(shí)間常數(shù);T d為微分時(shí)間常數(shù);e（t）為巷道實(shí)時(shí)風(fēng)量偏差;u（t）為電液推桿位移變化量。對(duì)輸入的巷道實(shí)時(shí)風(fēng)量經(jīng)求平均處理后得到風(fēng)量實(shí)時(shí)均值，控制器參照設(shè)定的風(fēng)量安全值對(duì)其做偏離判斷，只要出現(xiàn)風(fēng)量偏差 e（t），控制器對(duì)應(yīng)的輸出電液推桿位移變化量 u（t），裝置立即開(kāi)始實(shí)時(shí)風(fēng)量安全調(diào)節(jié)動(dòng)作，且整個(gè)過(guò)程是一個(gè)不斷輸入、比較并輸出調(diào)節(jié)的自動(dòng)過(guò)程，直到實(shí)時(shí)風(fēng)量偏差 e（t）消失，即風(fēng)量調(diào)節(jié)至巷道所需風(fēng)量值，調(diào)節(jié)過(guò)程才結(jié)束 。電液推桿的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為：

風(fēng)窗環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為：

式中，L 為卷簾風(fēng)窗的卷簾寬度;λ 為單位微變面積對(duì)應(yīng)的風(fēng)量系數(shù)。設(shè) PID 控制器的傳遞函數(shù)為 G c ，則控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖如圖 1 所示。

2.低震蕩微變風(fēng)量調(diào)節(jié)的高精度特性分析。假定調(diào)節(jié)風(fēng)窗前后兩端壓差恒定，可用線性特性來(lái)描述流過(guò)風(fēng)窗的井下巷道風(fēng)量實(shí)時(shí)值 Q 與風(fēng)窗開(kāi)口面積 S 的關(guān)系，其滿足，呈理想線性關(guān)系，當(dāng) K =1 時(shí)，它們之間的關(guān)系曲線如圖 2 中曲線 a 所示。

式中，S ω 為卷簾風(fēng)窗全開(kāi)時(shí)的面積，m 2;Q max 為風(fēng)窗全開(kāi)面積下巷道最大風(fēng)量值，m 3 /min。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研實(shí)際憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)風(fēng)情況，通過(guò)對(duì)采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)整合處理分析，得到風(fēng)窗開(kāi)口面積與對(duì)應(yīng)的巷道風(fēng)量實(shí)時(shí)值 Q 之間的關(guān)系曲線如圖 2中曲線 b 所示，分析曲線 b 知：由于現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)窗前后兩端壓差實(shí)際上是變化的，兩者成近似線性關(guān)系，但是風(fēng)量震蕩幅度較大，風(fēng)量調(diào)節(jié)性能差。為很好地限制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中出現(xiàn)此情形，提出采用井下風(fēng)窗風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)控制裝置來(lái)對(duì)巷道風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)裝置在煤礦現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)風(fēng)情況，分析卷簾風(fēng)窗前后兩端壓差變化下風(fēng)窗開(kāi)口面積 S 與對(duì)應(yīng)的巷道風(fēng)量的實(shí)時(shí)大小 Q 之間的關(guān)系，通過(guò)整合處理后發(fā)現(xiàn)它們之間的關(guān)系。

式中，ω 1 為裝置對(duì)巷道風(fēng)量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)液壓缸活塞桿的平均伸縮速度，m/s。通過(guò)對(duì)裝置現(xiàn)場(chǎng)調(diào)風(fēng)試驗(yàn)所采集到的風(fēng)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、篩選并帶入計(jì)算總結(jié)后發(fā)現(xiàn)：液壓缸活塞桿的平均伸縮速度 ω 1 與卷簾風(fēng)窗全開(kāi)時(shí)的面積 S ω 是影響巷道調(diào)風(fēng)過(guò)程風(fēng)量震蕩幅值和風(fēng)量調(diào)節(jié)精度的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，且當(dāng)它們之間的比值 N = S ω/ω1 滿足一定關(guān)系時(shí)，可以顯著減小巷道風(fēng)量調(diào)節(jié)過(guò)程風(fēng)量的震蕩幅值，降低巷道風(fēng)量調(diào)節(jié)誤差率。該裝置液壓缸活塞桿平均伸縮速度 ω 1 與卷簾風(fēng)窗全開(kāi)時(shí)面積 S ω 的比值 N = S ω/ω1 越大，則其風(fēng)量調(diào)節(jié)過(guò)程越趨向于微變調(diào)節(jié)，風(fēng)量調(diào)節(jié)精度越高;但一味地考慮降低調(diào)節(jié)速度以提高風(fēng)量調(diào)節(jié)精度又不能滿足需風(fēng)量調(diào)節(jié)的及時(shí)性，當(dāng)裝置微變調(diào)節(jié)液壓缸活塞桿平均伸縮速度 ω 1 滿足：N = S ω/ω1 ≥45，該條件下風(fēng)量震蕩幅值減小到巷道最大風(fēng)量值的 3%以下，風(fēng)量調(diào)節(jié)誤差率降低到 5%以下，可以降低風(fēng)量調(diào)節(jié)過(guò)程中的風(fēng)量震蕩幅值和風(fēng)量調(diào)節(jié)誤差率;取 N = 45 時(shí)，風(fēng)量調(diào)節(jié)過(guò)程具有低震蕩高精度的特性且當(dāng)風(fēng)量偏離安全值時(shí)對(duì)風(fēng)量調(diào)節(jié)的及時(shí)性好.

總之，對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)，若能找到滿足優(yōu)選分支調(diào)阻調(diào)節(jié)模型或指定分支調(diào)阻調(diào)節(jié)模型的風(fēng)阻調(diào)節(jié)值，則通風(fēng)系統(tǒng)安裝風(fēng)窗對(duì)整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的影響能夠消除。

參考文獻(xiàn)

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