YY 礦井基于電算的風(fēng)流調(diào)控方案研究

張 帥 胡章地 胡雅文 趙 洋 胡文軍 胡大順

（1、武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖北 武漢430073 2、黃岡市安全生產(chǎn)執(zhí)法支隊(duì)，湖北 黃岡438000 3、湖北大楚注冊安全工程師事務(wù)所有限公司，湖北 武漢430070）

1 礦山概況

根據(jù)相關(guān)資料及現(xiàn)場踏勘的情況，YY 礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用副井進(jìn)風(fēng)- 主井回風(fēng)的對角式通風(fēng)系統(tǒng)，但現(xiàn)場部分區(qū)域存在通風(fēng)混亂，通風(fēng)不暢等問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1.1 混合井作為-280m 水平以下回采主要的人員上下及礦石提升豎井，未明確其是進(jìn)風(fēng)井還是回風(fēng)井，在-280m 中段主運(yùn)輸巷設(shè)置常關(guān)風(fēng)門后，形成一個(gè)獨(dú)頭巷道，既不能進(jìn)風(fēng)也不能回風(fēng)。

1.2 新鮮風(fēng)流通過-280m～-380m 盲豎井進(jìn)入-380m 中段后，通過回風(fēng)天井及斜坡道進(jìn)入上一分段，導(dǎo)致-380m 水泵房和配電硐室通風(fēng)不暢，同時(shí)配電硐室為獨(dú)頭巷道，僅靠一局扇通風(fēng)，硐室內(nèi)溫度較高。

1.3 副井-180m 中段水平新風(fēng)和污風(fēng)隔斷門距-180 米馬頭門太近，導(dǎo)致-180 米中段回風(fēng)巷道有一處回風(fēng)巷道為獨(dú)頭巷道，該巷道內(nèi)通風(fēng)較差。

1.4 井下部分中段通風(fēng)不暢，部分通往采空的巷道未及時(shí)封閉，漏風(fēng)嚴(yán)重。

2 YY 礦井通風(fēng)結(jié)構(gòu)改造

針對礦山通風(fēng)系統(tǒng)存在的上述問題，對現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行變更:

2.1 副井作為進(jìn)風(fēng)井，主井作為回風(fēng)井。保持原有的副井進(jìn)風(fēng)線路不變，將從盲豎井進(jìn)入-380m 中段的新鮮風(fēng)流一部分引入水泵房和配電房，通過箕斗斜井回風(fēng)至-345m～-304m 的溜井口，利用-345m～-304m 的溜井兼作回風(fēng)井，在-304m 水平安裝一臺(tái)局扇，將污風(fēng)抽至-304m 分段回風(fēng)巷，最后匯入-292m 回風(fēng)斜坡道。副井通風(fēng)線路為: 地表→副井→-180m～-280m 盲斜井→-280m 中段→-280m～-380m 盲豎井→-380m中段平巷→水泵房→-380m～-280m 箕斗斜井（-345m）→-345m～-304m 溜井→-304 回風(fēng)巷道→-304m～-292m 斜坡道→各分段斜坡道→-180m 回風(fēng)巷→主井石門（主風(fēng)機(jī)）→地表。

地表→副井→-180m～-280m 盲斜井→-280m 中段→-280m～-380m 盲豎井→-380m 中段平巷→-373m～-316m 各分段斜坡道→各分段平巷→采場→天井→上一分段→-304 回風(fēng)巷道→-304m～-292m 斜坡道→各分段斜坡道→-180m 回風(fēng)巷→主井石門（主風(fēng)機(jī)）→地表。

2.2 本次變更將混合井作為輔助進(jìn)風(fēng)井，主要為-280m 中段行人和水泵房提供新鮮風(fēng)流。混合井通風(fēng)線路為：地表→混合井→-280m 中段運(yùn)輸平巷→-280m～-271m 通風(fēng)天井→-271m 分段平巷→各分段回風(fēng)斜坡道→-180m 回風(fēng)巷→主井石門（主風(fēng)機(jī)）→地表。

3 風(fēng)網(wǎng)解算方法及分析軟件

對于風(fēng)網(wǎng)解算方法常用的有 Scott-Hinsley 法和Newton-Raphson 法[1]。本文風(fēng)網(wǎng)解算方法采用Scott-Hinsley 法。該法是一種迭代法[2]，雖然其收斂速度受所圈劃回路的影響，但其算法簡單，內(nèi)存要求不大，每次迭代運(yùn)算速度較快，收斂性較好。其實(shí)質(zhì)是將回路風(fēng)壓平衡方程式按Taylor 級數(shù)展開，略去二階以上的高階微分項(xiàng)。利用方程式中一個(gè)已知的根(即初擬風(fēng)量)的近似值(前提是滿足節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡條件)逐次迭代計(jì)算，并校正其風(fēng)量值，當(dāng)?shù)Ｕ`差達(dá)到規(guī)定精度時(shí)，就求出了近似的真實(shí)值。其算法步驟如下[3]：

3.1 列出節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡方程和回路風(fēng)壓平衡方程；

3.3 根據(jù)風(fēng)壓方程的Taylor 展開式求風(fēng)量校正值；

3.4 對風(fēng)網(wǎng)回路中各分支的初擬風(fēng)量進(jìn)行校正；

3.5 對所有的獨(dú)立回路，判斷是否滿足收斂條件；

3.6 當(dāng)?shù)?.5 步不滿足時(shí)轉(zhuǎn)3.3 ，重復(fù)計(jì)算直到滿足收斂條件為止，即得風(fēng)網(wǎng)解算結(jié)果。

自主設(shè)計(jì)風(fēng)網(wǎng)的分析軟件Mvnet Version1.6 簡介：

軟件開發(fā)語言: C#

使用的基礎(chǔ)類框架技術(shù): DXperience-10.2.3

IDE: Microsoft Visual Studio 2012

操作系統(tǒng)平臺(tái): Windows

操作系統(tǒng): Microsoft Windows 7 /8（推薦Microsoft Windows 8）

內(nèi)存: 推薦1G 以上

Microsoft Office Excel: 2003 及以上版本（推薦2010）

由于實(shí)際風(fēng)網(wǎng)分支數(shù)較多，數(shù)據(jù)量很龐大，為適應(yīng)技術(shù)人員很多方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，設(shè)計(jì)本軟件支持.xml 和.xls 兩種數(shù)據(jù)輸入輸出格式。

其中，xml 是一種輕量級通用的數(shù)據(jù)交換格式，非常適合與其他程序進(jìn)行交換；xls (.xlsx)是用戶比較習(xí)慣的數(shù)據(jù)格式，利用excel 強(qiáng)大的編輯功能可以方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的批量處理。

風(fēng)網(wǎng)分支數(shù)據(jù)可以通過工作表的形式輸入，也可通過Excel文檔直接導(dǎo)入。輸入或?qū)氲脑紨?shù)據(jù)可以進(jìn)行修改，可以導(dǎo)出保存為Excel 文檔。

風(fēng)網(wǎng)的分析軟件Mvnet Version1.6 有兩種不同的輸入方式——GUI 方式輸入和解析XML 配置文件方式輸入。選擇GUI方式輸入后進(jìn)行相應(yīng)的GUI 操作，通過增加、刪除、編輯對風(fēng)算實(shí)例進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)行核心風(fēng)網(wǎng)計(jì)算程序，生成輸出實(shí)例，以GUI方式展現(xiàn)計(jì)算結(jié)果。

風(fēng)網(wǎng)解算軟件功能如下：主程序MVNET 完成風(fēng)網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入和子程序的調(diào)用；子程序SORT 完成風(fēng)網(wǎng)分支風(fēng)阻排序；子程序MESH 用加邊法圈劃獨(dú)立網(wǎng)孔（以主扇、固定風(fēng)量、高風(fēng)阻分支為弦）；子程序CVFT 完成主扇性能曲線擬合計(jì)算；子程序IRT 完成風(fēng)網(wǎng)解算迭代計(jì)算和計(jì)算數(shù)據(jù)的輸出；函數(shù)FANH 為風(fēng)機(jī)性能特性曲線函數(shù)。

4 通風(fēng)方案網(wǎng)絡(luò)解算

根據(jù)礦山井巷布置，畫出通風(fēng)解算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，在圖上標(biāo)明風(fēng)機(jī)的安裝位置并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編號。

按作業(yè)場所校核計(jì)算礦井需風(fēng)量：回采采場（3 個(gè)）、備用采場（1 個(gè)）、掘進(jìn)工作面（2 個(gè)）、維修硐室（1 個(gè)）、水泵房（1 個(gè)）、卷揚(yáng)機(jī)房（1 個(gè)）、卸礦點(diǎn)（2 個(gè)）設(shè)計(jì)選取風(fēng)量分別為2.6、1.3、2.6、2.0、2.0、2.0、2.0m3/s。

根據(jù)通風(fēng)方案和通風(fēng)解算網(wǎng)絡(luò)圖以及相關(guān)基礎(chǔ)資料，編制巷道風(fēng)阻、網(wǎng)孔、風(fēng)機(jī)及機(jī)站原始參數(shù)文件，網(wǎng)分支數(shù)NB=21，風(fēng)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)NJ=13，主扇數(shù)NFC=1，固定風(fēng)量分支數(shù)LXQ=8，迭代最大次數(shù)MIT=10000，迭代限E=0.0001，利用礦井通風(fēng)系統(tǒng)解算軟件MVNET1.6 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算，得出YY 礦風(fēng)網(wǎng)解算分支數(shù)據(jù)。

根據(jù)解算數(shù)據(jù)設(shè)置不同的調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)阻力HR 大于0時(shí)布置調(diào)節(jié)風(fēng)窗；HR 小于0 時(shí)采取降阻措施或設(shè)置輔扇增壓。風(fēng)窗的面積與需要增加的阻力和巷道的斷面面積有關(guān)[4]。

5 YY 礦井風(fēng)流調(diào)控方案

經(jīng)通風(fēng)結(jié)構(gòu)調(diào)整及風(fēng)網(wǎng)解算，YY 礦井風(fēng)流調(diào)控方案如下：封堵墻的位置：（-180m 水平）-180m～-174m 斜坡道口、至Ⅲ號礦體聯(lián)絡(luò)道、回風(fēng)巷至Ⅲ號礦體聯(lián)絡(luò)道、疏水巷道口、西大巷；（-190m 水平）至Ⅱ號礦體聯(lián)絡(luò)道；（-210m 水平）至Ⅱ號礦體聯(lián)絡(luò)道；（-221m 水平）至Ⅱ號礦體聯(lián)絡(luò)道；（-238m 水平）至Ⅱ號礦體聯(lián)絡(luò)道；（-249m 水平）至Ⅱ號礦體聯(lián)絡(luò)道；（-260m 水平）至Ⅱ號礦體聯(lián)絡(luò)道；-380m 水平）泄水井口、盲斜井口對面溜井。

風(fēng)門的位置：（-180m 水平）主運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷連接處、-180m～-100m 斜坡道口；（-188m 水平）至Ⅲ號礦體聯(lián)絡(luò)道；（-210m 水平）至Ⅲ號礦體斜坡道口；（-230m 水平）至進(jìn)風(fēng)斜井口；（-280m 水平）主巷道與斜坡道交匯處；（-330m 水平）盲豎井馬頭門、-345m～-304m 溜井口；（-342m 水平）盲豎井馬頭門。調(diào)節(jié)風(fēng)窗（風(fēng)門）具體位置如表1 所示。

表1 調(diào)節(jié)風(fēng)窗（風(fēng)門）匯總表

增阻調(diào)節(jié)一般安裝調(diào)節(jié)風(fēng)窗，但調(diào)節(jié)風(fēng)窗的安裝會(huì)影響巷道的通行運(yùn)輸能力，礦山生產(chǎn)實(shí)踐中常常采用調(diào)節(jié)風(fēng)門。

下面以在-342m 水平安裝雙扇平開調(diào)節(jié)風(fēng)門為例，說明調(diào)節(jié)風(fēng)門開啟角度 θ的計(jì)算。

根據(jù)YY 礦山的實(shí)際生產(chǎn)情況，采用Unigraphics NX 建立巷道風(fēng)門的幾何模型，利用ANSYS 中的ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在導(dǎo)入巷道風(fēng)門幾何模型后，創(chuàng)建入口、出口、巷道壁面，并進(jìn)行拓?fù)鋷缀尾僮?。井下空氣認(rèn)為是不可壓縮紊流流體。選擇k-ε兩方程湍流模型的計(jì)算模型，其它參數(shù)按照缺省值默認(rèn)計(jì)算。

首先模擬研究調(diào)節(jié)風(fēng)門角度固定時(shí)的局部風(fēng)阻與風(fēng)量的關(guān)系圖，再模擬研究當(dāng)風(fēng)量不變時(shí)，調(diào)節(jié)風(fēng)門局部風(fēng)阻R 與風(fēng)門開啟角度 θ的關(guān)系。參數(shù)取值為：入口風(fēng)量2.04 m3/s，平均風(fēng)速0.2m3/s，調(diào)節(jié)風(fēng)門開啟角度分別取20°、30°、45°、60°、70°。根據(jù)基本數(shù)據(jù)模擬計(jì)算得到局部風(fēng)阻與風(fēng)門角度的關(guān)系圖（30°之前為下降曲線，30°之后下降曲線趨平）。對結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，得到偏差R2為0.99996 的擬合公式，利用matlab 求得調(diào)節(jié)風(fēng)門的角度 θ為19.4°。因此，在-342m 水平安裝調(diào)節(jié)風(fēng)門，風(fēng)門開啟角度目前為19.4°。

6 結(jié)論

本文研究YY 礦井風(fēng)流調(diào)控方案，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，對通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造；采用Scott-Hinsley 風(fēng)網(wǎng)解算方法，運(yùn)用Mvnet Version1.6 風(fēng)網(wǎng)分析軟件對通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算；根據(jù)解算結(jié)果采取增阻、減阻、增壓等方式調(diào)節(jié)風(fēng)流。

考慮礦山生產(chǎn)實(shí)踐中常常采用調(diào)節(jié)風(fēng)門代替調(diào)節(jié)風(fēng)窗，本文還對調(diào)節(jié)風(fēng)門開啟角度的計(jì)算進(jìn)行了研究。

本文通過電算得到風(fēng)流調(diào)節(jié)方案，使YY 礦井井下各需風(fēng)點(diǎn)的新鮮空氣風(fēng)量達(dá)到規(guī)范要求。