煤礦地面主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓準(zhǔn)確預(yù)測(cè)研究

王海波，劉彥青，郝晉輝，趙 燦，周錦文，鄭 義

(1.山西汾西礦業(yè)雙柳煤礦，山西 呂梁 033000；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

礦井地面主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓是由礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)阻分布與地面主通風(fēng)機(jī)特性共同決定的，預(yù)測(cè)地面主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓對(duì)于保障礦井安全高效開(kāi)采具有重要作用意義[1，2]，李曉紳[3]、王洪粱[4]采用圖形解析法預(yù)測(cè)分析了地面主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓，在前人研究的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高地面主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓準(zhǔn)確性，對(duì)由進(jìn)風(fēng)井至地面主通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散塔之間的空氣流動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行了分析，針對(duì)目前地面主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓預(yù)測(cè)方法中未考慮風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力這一問(wèn)題，對(duì)主通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)靜壓風(fēng)量工況點(diǎn)預(yù)測(cè)方程進(jìn)行了修正改善，筆者以神木煤業(yè)石窯店煤礦二號(hào)風(fēng)井為研究對(duì)象，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法對(duì)該風(fēng)井更換地面主通風(fēng)機(jī)之后工況點(diǎn)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

1 工程概況

神木煤業(yè)石窯店煤礦一號(hào)風(fēng)井與二號(hào)風(fēng)井共同承擔(dān)全礦井通風(fēng)任務(wù)，由于一號(hào)風(fēng)井承擔(dān)的一采區(qū)即將回采完畢，該礦計(jì)劃將一號(hào)風(fēng)井關(guān)閉，全礦井通風(fēng)任務(wù)均由二號(hào)風(fēng)井承擔(dān)。隨著礦井生產(chǎn)能力提升，二號(hào)風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)供風(fēng)能力難以保障礦井日益增長(zhǎng)的需風(fēng)量要求，因此需要對(duì)二號(hào)風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換，為了保障礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全，需要對(duì)更換風(fēng)機(jī)之后的二號(hào)風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，二號(hào)回風(fēng)井風(fēng)硐主通風(fēng)機(jī)布置如圖1所示。

圖1 石窯店煤礦二號(hào)回風(fēng)井-風(fēng)硐-主通風(fēng)機(jī)布置示意圖

2 風(fēng)機(jī)靜壓風(fēng)量工況點(diǎn)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型修正

現(xiàn)階段礦井地面主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓工況點(diǎn)預(yù)測(cè)過(guò)程具體步驟如下：①實(shí)測(cè)礦井地面主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量-靜壓特性曲線[5-7]；②實(shí)測(cè)礦井通風(fēng)阻力，求得礦井通風(fēng)阻力特性曲線[8-10]；③以風(fēng)量為橫坐標(biāo)，以風(fēng)機(jī)靜壓為縱坐標(biāo)，將上述實(shí)測(cè)的礦井通風(fēng)阻力特性曲線與地面主風(fēng)機(jī)風(fēng)量-靜壓特性曲線置于同一坐標(biāo)系下，兩條曲線交點(diǎn)處風(fēng)量、風(fēng)機(jī)靜壓即為工況點(diǎn)參數(shù)。其中步驟②中實(shí)測(cè)礦井通風(fēng)阻力存在問(wèn)題，現(xiàn)階段礦井通風(fēng)阻力測(cè)試方法(MT/T 440—2008)中規(guī)定礦井通風(fēng)阻力是從進(jìn)風(fēng)井入口至回風(fēng)井風(fēng)硐測(cè)壓斷面之間通風(fēng)阻力，而工況點(diǎn)預(yù)測(cè)過(guò)程中需要測(cè)試礦井通風(fēng)阻力是從進(jìn)風(fēng)井入口至主通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒測(cè)壓斷面之間通風(fēng)阻力，如果直接采用根據(jù)現(xiàn)階段礦井通風(fēng)阻力測(cè)試方法測(cè)得礦井通風(fēng)阻力與主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量-靜壓特性曲線進(jìn)行工況點(diǎn)預(yù)測(cè)必然會(huì)產(chǎn)生誤差。

主通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)靜壓風(fēng)量工況點(diǎn)預(yù)測(cè)方法測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，進(jìn)風(fēng)井入口至主通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒測(cè)壓斷面之間通風(fēng)阻力為進(jìn)風(fēng)井入口至回風(fēng)井風(fēng)硐測(cè)壓斷面之間通風(fēng)阻力和風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力之和，進(jìn)風(fēng)井入口至主通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒測(cè)壓斷面之間通風(fēng)阻力等于風(fēng)機(jī)靜壓與礦井自然風(fēng)機(jī)靜壓之和，見(jiàn)式(1)。

h3-2(Q)=h3-1(Q)+h1-2(Q)=

R3-1Q2+R1-2Q2=PF(Q)+PZ

(1)

式中，Q為回風(fēng)井風(fēng)量，m3/s；h3-2(Q)為風(fēng)量Q條件下進(jìn)風(fēng)井入口至主通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒測(cè)壓斷面之間通風(fēng)阻力，Pa；h3-1(Q)為風(fēng)量Q條件下進(jìn)風(fēng)井入口至回風(fēng)井風(fēng)硐測(cè)壓斷面之間通風(fēng)阻力，Pa；h1-2(Q)為風(fēng)量Q條件下風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力，Pa；PZ為礦井自然風(fēng)壓，Pa，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到；PF(Q)為風(fēng)機(jī)靜壓-風(fēng)量特性曲線，Pa；R3-1為進(jìn)風(fēng)井入口至回風(fēng)井風(fēng)硐測(cè)壓斷面之間風(fēng)阻，即礦井總風(fēng)阻，Ns2/m8；R1-2風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒連接處風(fēng)阻，Ns2/m8。

式(1)中，PF(Q)為以Q為自變量的函數(shù)，將PZ、R3-1、R1-2帶入式(1)，求解式(1)得到工況點(diǎn)風(fēng)量，將工況點(diǎn)風(fēng)量帶入PF(Q)計(jì)算得到工況點(diǎn)風(fēng)機(jī)靜壓。

圖2 主通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)靜壓風(fēng)量工況點(diǎn)預(yù)測(cè)方法測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 風(fēng)機(jī)靜壓風(fēng)量工況點(diǎn)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型關(guān)鍵參數(shù)確定

3.1 主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量-靜壓特性曲線測(cè)定

地面主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓短路測(cè)試法布置如圖3所示，主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量-靜壓特性曲線測(cè)試過(guò)程中，風(fēng)機(jī)靜壓測(cè)試位置布置于風(fēng)機(jī)葉片之前的風(fēng)機(jī)風(fēng)筒上，即圖3中斷面2位置，風(fēng)機(jī)靜壓的本質(zhì)物理意義是從風(fēng)硐天窗至主通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒測(cè)壓位置之間通風(fēng)阻力，風(fēng)機(jī)靜壓等于斷面2位置處相對(duì)靜壓絕對(duì)值減去動(dòng)壓，按式(2)計(jì)算。通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)硐天窗通風(fēng)面積實(shí)測(cè)不同風(fēng)量條件下風(fēng)機(jī)靜壓值，采用動(dòng)壓法測(cè)試風(fēng)機(jī)風(fēng)量[11]，擬合得到以風(fēng)量為自變量、以風(fēng)機(jī)靜壓為因變量的三次多項(xiàng)式函數(shù)，見(jiàn)式(3)，不同風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)條件下風(fēng)機(jī)風(fēng)量-靜壓特性曲線擬合系數(shù)及擬合度匯總數(shù)據(jù)表見(jiàn)表1。

PF(Q)=h4-1(Q)+h1-2(Q)=PS-2(Q)-PV-2(Q)

(2)

PF(Q)=aQ3+bQ2+cQ+d

(3)

式中，PS-2(Q)為風(fēng)量Q條件下主通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒斷面2位置靜壓實(shí)測(cè)值，Pa；PV-2(Q)為主通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒斷面2位置動(dòng)壓實(shí)測(cè)值，Pa；h4-2(Q)為風(fēng)量Q條件下風(fēng)硐天窗入口至主通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒測(cè)壓斷面之間通風(fēng)阻力，Pa；h4-1(Q)為風(fēng)量Q條件下風(fēng)硐天窗入口至回風(fēng)井風(fēng)硐測(cè)壓斷面之間通風(fēng)阻力，Pa；a、b、c、d分別為風(fēng)機(jī)靜壓-風(fēng)量特性曲線擬合系數(shù)。

圖3 地面主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓短路測(cè)試法布置示意圖

表1 不同風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)條件下風(fēng)機(jī)風(fēng)量-靜壓特性曲線擬合系數(shù)值及擬合度

3.2 礦井總風(fēng)阻測(cè)算

式(4)中礦井自然風(fēng)機(jī)靜壓值可通過(guò)實(shí)測(cè)得到，進(jìn)風(fēng)井入口至回風(fēng)井風(fēng)硐測(cè)壓斷面之間通風(fēng)阻力h3-1以摩擦阻力為主，風(fēng)阻R3-1可近似為恒定值。根據(jù)礦井通風(fēng)阻力定律，利用式(4)可直接實(shí)測(cè)計(jì)算得到礦井總風(fēng)阻，礦井通風(fēng)總風(fēng)阻相關(guān)參數(shù)實(shí)測(cè)值匯總表見(jiàn)表2。

式中，PS-1(Q)為風(fēng)量Q條件下回風(fēng)井風(fēng)硐斷面1位置靜壓實(shí)測(cè)值，Pa；PV-1(Q)為風(fēng)量Q條件下回風(fēng)井風(fēng)硐斷面1位置動(dòng)壓實(shí)測(cè)值，Pa。

表2 礦井通風(fēng)總風(fēng)阻相關(guān)參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果匯總

3.3 風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒連接處風(fēng)阻最佳測(cè)算方法研究

風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處風(fēng)阻R1-2的確定方法主要有三種：①實(shí)測(cè)圖3中斷面1與斷面2之間全壓差、風(fēng)量，計(jì)算風(fēng)阻；②運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法求解風(fēng)阻；③利用風(fēng)阻理論計(jì)算公式直接求解。

3.3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法

如圖3所示，在風(fēng)硐與礦井通風(fēng)系統(tǒng)斷開(kāi)條件下，通過(guò)改變風(fēng)硐天窗開(kāi)啟面積調(diào)節(jié)風(fēng)量，利用傾斜壓差計(jì)實(shí)測(cè)不同風(fēng)量條件下斷面1與斷面2之間的全壓差，全壓差為風(fēng)硐斷面1與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒斷面2之間通風(fēng)阻力，按式(5)計(jì)算風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力，不同風(fēng)量條件下風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，采用數(shù)值分析方法對(duì)風(fēng)量與通風(fēng)阻力之間的非線性關(guān)系進(jìn)行定量擬合，擬合函數(shù)為二次拋物線形函數(shù)，如圖4所示，擬合函數(shù)見(jiàn)式(6)，擬合度達(dá)到0.99以上，在此基礎(chǔ)上得到風(fēng)阻擬合函數(shù)見(jiàn)式(7)，由式(7)可知風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處風(fēng)阻為非定常值且與風(fēng)量大小相關(guān)，這與巷道摩擦風(fēng)阻為定常值的特征明顯不符，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力為典型的局部通風(fēng)阻力，局部風(fēng)阻與風(fēng)量大小、流通空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

h1-2-C(Q)=P1-T(Q)-P2-T(Q)

(5)

式中，Q為風(fēng)量，m3/s；h1-2-C(Q)為風(fēng)量Q條件下風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力實(shí)測(cè)值，Pa；P1-T(Q)為風(fēng)量Q條件下圖3中風(fēng)硐斷面1位置全壓，Pa；P2-T(Q)為風(fēng)量Q條件下圖3中風(fēng)機(jī)風(fēng)筒斷面2位置全壓，Pa。

表3 風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處局部通風(fēng)阻力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

圖4 回風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處局部通風(fēng)阻力實(shí)測(cè)結(jié)果擬合曲線

3.3.2 數(shù)值模擬求解

采用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法求解風(fēng)阻是建立在回風(fēng)井風(fēng)硐測(cè)壓斷面與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒測(cè)壓斷面之間風(fēng)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行的，風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性直接影響風(fēng)阻計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始利用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)礦井通風(fēng)問(wèn)題進(jìn)行研究[12-15]。

1)幾何模型。以風(fēng)硐實(shí)際尺寸形狀、風(fēng)機(jī)風(fēng)筒實(shí)際尺寸形狀為基礎(chǔ)，利用FLUENT流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬軟件構(gòu)建風(fēng)硐測(cè)壓斷面與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒測(cè)壓斷面之間風(fēng)流場(chǎng)計(jì)算模型，幾何模型如圖5所示。

圖5 回風(fēng)井風(fēng)硐測(cè)壓斷面與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒測(cè)壓斷面之間幾何空間模型

2)數(shù)學(xué)模型。受限空間內(nèi)空氣流動(dòng)用N-S方程組求解，滿足質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒定律，式(8)為風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)之間空氣流動(dòng)過(guò)程控制方程組。

式中，ρf為風(fēng)流密度，kg/m3；u為某一位置x方向風(fēng)速，m/s；v為采空區(qū)某一位置y方向風(fēng)速，m/s；w為某一位置z方向風(fēng)速，m/s；U為某一位置風(fēng)速矢量，m/s；μ為空氣動(dòng)力粘度，取值為17.9×10-6Pa·s；P為氣體壓力，Pa；Su為x方向的動(dòng)量源項(xiàng)，kg·m/(m3·s)；Sv為y方向的動(dòng)量源項(xiàng)，kg·m/(m3·s)；Sw為z方向的動(dòng)量源項(xiàng)，kg·m/(m3·s)；T為氣體溫度，K；k為空氣傳熱系數(shù)，取值為0.023W/(m·K)；Cp為空氣比熱容，取值為717J/(kg·K)；ST為粘性耗散項(xiàng)，J/(m3·s)。

風(fēng)硐與風(fēng)筒連接處區(qū)域風(fēng)流為紊流狀態(tài)，描述風(fēng)硐內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)需要在N-S方程組上補(bǔ)充湍流模型方程組，由于風(fēng)硐與風(fēng)筒尺寸差異較大，風(fēng)流會(huì)發(fā)生劇變，REGk-ε模型可以很好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度大的流動(dòng)，因此湍流模型選擇REGk-ε模型，式(9)與式(10)為REGk-ε模型的控制方程。

式(8)、式(9)、式(10)聯(lián)立即為風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)之間風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型的方程組，加上邊界條件，就構(gòu)成了風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)之間風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型。

3)邊界條件。風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)之間風(fēng)流場(chǎng)CFD計(jì)算模型的邊界條件設(shè)定如下：風(fēng)硐壁面、風(fēng)硐頂板、風(fēng)硐底板、風(fēng)筒壁均為Wall(墻壁)，風(fēng)硐風(fēng)流入口為Velocity-in(速度入口)，風(fēng)筒風(fēng)流出口為Out-flow(自由出口)。

4)模擬結(jié)果。以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)量值為模擬條件，模擬解算風(fēng)硐測(cè)壓斷面與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒測(cè)壓斷面之間風(fēng)機(jī)靜壓場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 回風(fēng)井風(fēng)硐測(cè)壓斷面與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒測(cè)壓斷面之間風(fēng)速場(chǎng)、壓力場(chǎng)數(shù)值模擬云圖

基于風(fēng)流靜壓場(chǎng)、風(fēng)速場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果，按式(11)計(jì)算回風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒連接處通風(fēng)阻力，采用數(shù)值分析方法對(duì)通風(fēng)阻力模擬結(jié)果與風(fēng)量之間關(guān)系進(jìn)行定量擬合，擬合函數(shù)為二次拋物線形函數(shù)，如圖7所示，擬合函數(shù)見(jiàn)式(12)，擬合度達(dá)到0.99以上，在此基礎(chǔ)上得到風(fēng)阻函數(shù)見(jiàn)式(13)。

圖7 回風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力數(shù)值模擬結(jié)果擬合曲線

Pout-s(Q)-Pout-d(Q)

(11)

式中，Pin-s(Q)為風(fēng)量Q條件下入口大斷面平均靜壓，模擬結(jié)果值，Pa；Pin-d(Q)為風(fēng)量Q條件下入口大斷面平均動(dòng)壓，模擬結(jié)果值，Pa；Pout-s(Q)為風(fēng)量Q條件下出口大斷面平均靜壓，模擬結(jié)果值，Pa；Pout-d(Q)為風(fēng)量Q條件下出口大斷面平均動(dòng)壓，模擬結(jié)果值，Pa。

3.3.3 理論公式求解

式(14)為風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力理論計(jì)算公式，式(15)為相應(yīng)的風(fēng)阻計(jì)算公式，風(fēng)阻與風(fēng)硐風(fēng)機(jī)風(fēng)筒尺寸相關(guān)，與風(fēng)量無(wú)關(guān)。

式中，h1-2-L(Q)為風(fēng)量Q條件下風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力理論公式計(jì)算值，Pa；R1-2-L(Q)為為風(fēng)量Q條件下風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處風(fēng)阻理論公式計(jì)算值，Ns2/m8；ρ為風(fēng)流密度，kg/m3；v2為風(fēng)機(jī)風(fēng)筒斷面2位置風(fēng)速，m/s；S2為風(fēng)機(jī)風(fēng)筒斷面2斷面積，m2；S1為風(fēng)硐斷面2斷面積，m2。

3.3.4 對(duì)比分析

采用上述三種方法分別對(duì)神木煤業(yè)石窯店煤礦二號(hào)風(fēng)井回風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力及風(fēng)阻進(jìn)行了測(cè)算，其中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性最高?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法存在測(cè)試過(guò)程中需要頻繁調(diào)節(jié)風(fēng)量可能影響礦井正常生產(chǎn)的缺點(diǎn)。數(shù)值模擬方法和理論公式計(jì)算方法具有成本低、不存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試安全隱患等優(yōu)點(diǎn)，但其通風(fēng)阻力測(cè)算結(jié)果準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證。為了獲得安全、高效的回風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力測(cè)算方法，需要對(duì)數(shù)值模擬方法和理論公式計(jì)算方法測(cè)算結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，式(16)、式(17)分別為通風(fēng)阻力理論公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差計(jì)算公式、通風(fēng)阻力數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差計(jì)算公式，回風(fēng)井風(fēng)硐至風(fēng)機(jī)風(fēng)筒之間通風(fēng)阻力數(shù)值模擬與理論計(jì)算結(jié)果誤差對(duì)比情況、回風(fēng)井風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力數(shù)值模擬與理論公式計(jì)算結(jié)果誤差對(duì)比情況如圖8所示。

圖8 風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力數(shù)值模擬與理論公式計(jì)算結(jié)果誤差對(duì)比

由圖8可得，理論公式計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果之間相對(duì)誤差最高達(dá)到80%，而數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果之間相對(duì)誤差基本在30%以?xún)?nèi)，且風(fēng)量越大，相對(duì)誤差越小，在滿足工程精度的前提下，采用數(shù)值模擬方法是最佳的風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力測(cè)算方法。

式中，dL為通風(fēng)阻力理論公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差，%；dS為通風(fēng)阻力數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差，%。

4 礦井地面主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果分析

式(18)為未考慮風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力的風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量求解方程，將礦井自然風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)風(fēng)量-風(fēng)機(jī)靜壓特性曲線、礦井總風(fēng)阻帶入式(18)求解工況點(diǎn)風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。式(19)為采用數(shù)值模擬求解風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力情況下的風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量求解方程，將礦井自然風(fēng)壓、地面主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量-風(fēng)機(jī)靜壓特性曲線、礦井總風(fēng)阻、風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處風(fēng)阻帶入式(19)求解工況點(diǎn)風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。式(20)為采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)求解風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力情況下的風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量求解方程，將礦井自然風(fēng)壓、地面主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量-風(fēng)機(jī)靜壓特性曲線、礦井總風(fēng)阻、風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處風(fēng)阻帶入式(20)求解工況點(diǎn)風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)地面主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，利用式(3)計(jì)算工況點(diǎn)風(fēng)機(jī)靜壓，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。地面主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試方面，動(dòng)壓法比靜壓差法測(cè)試準(zhǔn)確性更高[5]，采用動(dòng)壓法實(shí)測(cè)風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行之后風(fēng)量，實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 地面主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)機(jī)靜壓、風(fēng)量預(yù)測(cè)結(jié)果及誤差對(duì)比情況

未考慮風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力的預(yù)測(cè)方程計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況點(diǎn)之間風(fēng)量和風(fēng)機(jī)靜壓之間最大相對(duì)誤差達(dá)到8.66%、12.18%，考慮風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處局部通風(fēng)阻力的預(yù)測(cè)方程計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況點(diǎn)之間風(fēng)量和風(fēng)機(jī)靜壓最大相對(duì)誤差分別為6.06%、8.39%。未考慮風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力的預(yù)測(cè)方程計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況點(diǎn)之間風(fēng)量和風(fēng)機(jī)靜壓之間相對(duì)誤差明顯大于考慮風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力的預(yù)測(cè)方程計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況點(diǎn)之間風(fēng)量和風(fēng)機(jī)靜壓相對(duì)誤差，研究表明風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)之間局部通風(fēng)阻力對(duì)于地面主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)具有不可忽略的影響作用，考慮風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力的主通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)靜壓風(fēng)量工況點(diǎn)預(yù)測(cè)方法能夠顯著提高風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量、風(fēng)機(jī)靜壓預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

aQ3+bQ2+cQ=R3-1Q2-PZ

(18)

5 結(jié) 論

1)揭示分析得到目前工況點(diǎn)預(yù)測(cè)方法中存在未考慮風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)之間局部阻力的問(wèn)題，以神木煤業(yè)石窯店煤礦二號(hào)風(fēng)井更換地面主通風(fēng)機(jī)之后工況點(diǎn)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓預(yù)測(cè)為研究，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和理論公式三種方法分別計(jì)算風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力，研究表明采用數(shù)值模擬方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)之間通風(fēng)阻力，在此基礎(chǔ)上建立了非線性形式的風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處風(fēng)阻計(jì)算公式。

2)結(jié)合實(shí)測(cè)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)機(jī)靜壓特性曲線、礦井通風(fēng)阻力特性曲線，建立了考慮風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)之間局部阻力影響的主通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)靜壓風(fēng)量工況點(diǎn)預(yù)測(cè)方程，研究表明風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力對(duì)于地面主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)具有不可忽略的影響作用，考慮風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)連接處通風(fēng)阻力影響的主通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)靜壓風(fēng)量工況點(diǎn)預(yù)測(cè)方法能夠顯著提高風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量、風(fēng)機(jī)靜壓預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。