兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)特性與優(yōu)化

彭 云，李開(kāi)文

（1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200；2.昆明理工大學(xué)，昆明 650093）

礦業(yè)為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了不可替代的作用，礦業(yè)的健康發(fā)展關(guān)系著我國(guó)的能源與資源安全，其中礦井通風(fēng)的合理設(shè)置與優(yōu)化，保障了生產(chǎn)過(guò)程中的高效與安全。

針對(duì)走向長(zhǎng)、面積大、產(chǎn)量高的礦井，通常采用兩翼對(duì)角式通風(fēng)。兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)一般在礦體走向中央設(shè)置進(jìn)風(fēng)井，在兩翼邊界各設(shè)置一條回風(fēng)井，主要通風(fēng)路線為新鮮風(fēng)流經(jīng)進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入礦井，經(jīng)中段平巷進(jìn)入采掘工作面，污風(fēng)經(jīng)中段回風(fēng)平巷流向兩翼回風(fēng)井，最終經(jīng)兩翼回風(fēng)井排出地表［1］。相關(guān)學(xué)者對(duì)兩翼通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，盛建紅等分析了區(qū)域＋兩翼對(duì)角混合式通風(fēng)系統(tǒng)，得出具有有效風(fēng)量率高、分風(fēng)可控及風(fēng)量調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)［2］；何廷山分析了兩翼對(duì)角式主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的解析調(diào)節(jié)，推導(dǎo)了相關(guān)公式［3］；陳曉光采用兩翼對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化，取得了良好效果［4］；彭云利用兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)中主要角聯(lián)分支進(jìn)行降阻研究［5］。

按常規(guī)分析方法將通風(fēng)系統(tǒng)劃分為進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段，其中回風(fēng)段主要為回風(fēng)井，回風(fēng)段風(fēng)量較為集中，回風(fēng)段阻力占通風(fēng)總阻力的40%左右，進(jìn)行回風(fēng)井優(yōu)化分析，降低回風(fēng)段阻力對(duì)降低通風(fēng)系統(tǒng)能耗和運(yùn)營(yíng)成本具有重要意義［6-10］。本文旨在介紹兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)特性，并對(duì)該通風(fēng)方法提出優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證礦井通風(fēng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高礦井通風(fēng)的效率。

1 兩翼對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)段風(fēng)流特性

兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1（a）所示，圖中分支1、2分別為兩翼用風(fēng)段（巷道），分支3、4分別為兩翼回風(fēng)井，H1、H2分別為兩翼通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，分支5為連接兩翼回風(fēng)井的中段回風(fēng)平巷（角聯(lián)分支）。

圖1（a）中兩翼回風(fēng)井通風(fēng)機(jī)將風(fēng)流排入大氣內(nèi)，根據(jù)礦山規(guī)模，兩翼回風(fēng)井距離一般較近，兩回風(fēng)井處地表大氣壓差異較小，兩回風(fēng)井間形成虛擬的通風(fēng)線路，忽略兩回風(fēng)井處大氣壓差異，為分析方便將兩回風(fēng)井間虛擬線路連通并形成虛擬的節(jié)點(diǎn)4，形成如圖1（b）所示等效網(wǎng)絡(luò)圖。

圖1（a）中兩翼回風(fēng)井通風(fēng)機(jī)將風(fēng)流排入大氣內(nèi)，根據(jù)礦山規(guī)模，兩翼回風(fēng)井距離一般較近，兩回風(fēng)井處地表大氣壓差異較小，兩回風(fēng)井間形成虛擬的通風(fēng)線路，忽略兩回風(fēng)井處大氣壓差異，為分析方便將兩回風(fēng)井間虛擬線路連通并形成虛擬的節(jié)點(diǎn)4，形成如圖1（b）所示等效網(wǎng)絡(luò)圖。

圖1（b）中，分支5為兩翼通風(fēng)線路中的角聯(lián)分支，角聯(lián)分支5中風(fēng)流存在三種狀態(tài)：風(fēng)流停滯（無(wú)風(fēng)流）、風(fēng)流由節(jié)點(diǎn)2流向節(jié)點(diǎn)3和風(fēng)流由節(jié)點(diǎn)3流向節(jié)點(diǎn)2。

圖1 兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Network diagram of diagonal ventilation system

1）角聯(lián)分支5中風(fēng)流停滯（風(fēng)量為0），即Q1＝Q3，Q2＝Q4，節(jié)點(diǎn)2處風(fēng)壓等于節(jié)點(diǎn)3處風(fēng)壓，以節(jié)點(diǎn)4為基準(zhǔn)點(diǎn)有：

2）風(fēng)流由節(jié)點(diǎn)2流向節(jié)點(diǎn)3，即Q1＞Q3，Q2＜Q4，此時(shí)節(jié)點(diǎn)2處風(fēng)壓大于節(jié)點(diǎn)3處風(fēng)壓，同理以節(jié)點(diǎn)4為基準(zhǔn)點(diǎn)有：

3）風(fēng)流由節(jié)點(diǎn)3流向節(jié)點(diǎn)2，即Q1＜Q3，Q2＞Q4，此時(shí)節(jié)點(diǎn)2處風(fēng)壓小于節(jié)點(diǎn)3處風(fēng)壓，同理以節(jié)點(diǎn)4為基準(zhǔn)點(diǎn)有：

聯(lián)合公式（1）、（2）、（3）得出兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)角聯(lián)分支風(fēng)流判別公式：

圖1（b）中當(dāng)k＝1時(shí)，兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)中，交聯(lián)分支風(fēng)流停滯，每翼回風(fēng)井單獨(dú)承擔(dān)各自一翼用風(fēng)段回風(fēng)；當(dāng)k＞1時(shí)，角聯(lián)分支風(fēng)流由節(jié)點(diǎn)2流向3，回風(fēng)井分支4除了承擔(dān)本翼回風(fēng)外還承擔(dān)了另一翼部分風(fēng)量，回風(fēng)井分支3承擔(dān)了本翼部分風(fēng)量；當(dāng)k＜1時(shí)，角聯(lián)分支風(fēng)流由節(jié)點(diǎn)3流向2，回風(fēng)井分支4承擔(dān)了本翼部分風(fēng)量，回風(fēng)井分支3除了承擔(dān)本翼回風(fēng)外還承擔(dān)了另一翼部分風(fēng)量?？芍?，通過(guò)調(diào)節(jié)角聯(lián)分支內(nèi)風(fēng)流方向和風(fēng)量，可調(diào)節(jié)兩翼回風(fēng)井間風(fēng)量，使兩翼回風(fēng)井共同承擔(dān)礦井總風(fēng)量，角聯(lián)分支內(nèi)不同的風(fēng)流方向和風(fēng)量對(duì)應(yīng)的兩翼回風(fēng)井風(fēng)量分配方案不同，角聯(lián)分支5風(fēng)壓大小為節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3間風(fēng)壓差，即：

可知，角聯(lián)分支風(fēng)壓與風(fēng)量的平方成正比，因巷道建成后R5為一定值，因此通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3間風(fēng)壓差可調(diào)節(jié)風(fēng)量，公式（5）為角聯(lián)分支風(fēng)量調(diào)節(jié)公式。

根據(jù)公式（4）和（5），得出：決定角聯(lián)分支風(fēng)流方向和風(fēng)量大小的主要參數(shù)為兩翼回風(fēng)井風(fēng)機(jī)風(fēng)壓H1、H2、風(fēng)量Q3、Q4和風(fēng)阻R3、R4。兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)中因回風(fēng)段角聯(lián)分支風(fēng)量和風(fēng)向均可改變，通過(guò)調(diào)節(jié)角聯(lián)分支內(nèi)風(fēng)量及風(fēng)向可調(diào)節(jié)兩翼回風(fēng)井風(fēng)量，兩翼回風(fēng)井有不同的風(fēng)量分配方案，兩翼回風(fēng)井共同承擔(dān)礦井總風(fēng)量，通過(guò)調(diào)節(jié)回風(fēng)井風(fēng)機(jī)參數(shù)和風(fēng)井風(fēng)阻參數(shù)調(diào)節(jié)兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)中角聯(lián)分支風(fēng)量及風(fēng)向，并調(diào)節(jié)回風(fēng)井風(fēng)量。

2 兩翼對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)段降阻優(yōu)化

某礦地表被高山覆蓋，井筒坑口選址受到很大限制，其開(kāi)拓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。采用主斜井＋副斜坡道開(kāi)拓，在礦體走向兩翼分別開(kāi)掘西回風(fēng)豎井、東回風(fēng)斜井，形成中央進(jìn)風(fēng)兩翼回風(fēng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2 原通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖（兩翼單獨(dú)回風(fēng)）Fig.2 Network diagram of the original ventilation system（separate return air for two wings）

根據(jù)礦山建設(shè)及地質(zhì)勘探需要，礦區(qū)采用主斜井、副斜坡道和東回風(fēng)斜井進(jìn)行坑探，目前以上三條井筒均已施工完畢，其中主斜井?dāng)嗝?4.2 m2、長(zhǎng)1 400 m，副斜坡道和脈內(nèi)斜坡道斷面14.2 m2、總長(zhǎng)1 800 m，東回風(fēng)斜井?dāng)嗝?4.2 m2、長(zhǎng)1 800 m。西回風(fēng)豎井設(shè)計(jì)斷面19.6 m2、長(zhǎng)250 m。

2.1 原通風(fēng)方案-兩翼分區(qū)通風(fēng)（兩翼單獨(dú)回風(fēng)）

根據(jù)開(kāi)拓系統(tǒng)布局，以脈內(nèi)斜坡道為界，礦區(qū)在走向上劃分為東、西兩翼，其中西翼走向長(zhǎng)度約為1 200 m、東翼1 600 m，根據(jù)礦體賦存及走向長(zhǎng)度確定了東西兩翼產(chǎn)能和需風(fēng)量，其中西翼需風(fēng)90 m3／s、東翼120 m3／s，如圖2所示在斜坡道與回風(fēng)平巷兩側(cè)構(gòu)建風(fēng)門，進(jìn)行東西兩翼分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)-兩翼回風(fēng)井單獨(dú)承擔(dān)本翼回風(fēng)。

采用Ventsim Visual通風(fēng)軟件建立三維仿真模型并計(jì)算，得出兩翼回風(fēng)井主要通風(fēng)參數(shù)如表1所示。

表1 兩翼分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)參數(shù)Table 1 Ventilation parameters of the partitioned ventilation system of the two wings

根據(jù)表1結(jié)果可知東、西兩翼回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)阻力值差異較大，西回風(fēng)豎井系統(tǒng)阻力較低1 950 Pa，東回風(fēng)斜井通風(fēng)系統(tǒng)阻力高達(dá)4 200 Pa，其中東回風(fēng)斜井井筒段阻力達(dá)1 700 Pa，占東回風(fēng)斜井系統(tǒng)阻力的40%，東回風(fēng)斜井筒段風(fēng)速8.45 m／s，其風(fēng)速并不高（專用回風(fēng)井最高風(fēng)速為15 m／s），主要原因?yàn)槠溟L(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)。

2.2 優(yōu)化方案——兩翼對(duì)角式通風(fēng)（兩翼共同承擔(dān)總風(fēng)量）

分析可知西回風(fēng)豎井?dāng)嗝娲蟆㈤L(zhǎng)度短，且西翼需風(fēng)小；東翼回風(fēng)斜井?dāng)嗝嫘?、長(zhǎng)度長(zhǎng)，且東翼需風(fēng)量大。西回風(fēng)豎井承擔(dān)西翼回風(fēng)外還留有較大余地，因此可開(kāi)掘一條聯(lián)絡(luò)繞道（角聯(lián)分支）跨過(guò)斜坡道連接?xùn)|西兩翼回風(fēng)平巷，構(gòu)成兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)－兩翼回風(fēng)井共同承擔(dān)礦井總風(fēng)量，利用西回風(fēng)豎井承擔(dān)部分東翼部分回風(fēng)，繞道斷面與回風(fēng)平巷斷面一致14.2 m2，通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后系統(tǒng)（兩翼共同承擔(dān)總風(fēng)量）Fig.3 Optimized system（Two wings share the total air volume）

采用Ventsim Visual通風(fēng)軟件建立三維仿真模型并計(jì)算，得出主要通風(fēng)參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化系統(tǒng)通風(fēng)參數(shù)Table 2 Optimization of system ventilation parameters

根據(jù)三維仿真模型結(jié)果及表2結(jié)果可知繞道（角聯(lián)分支）內(nèi)風(fēng)量為25 m3／s、風(fēng)流方向?yàn)閺臇|向西，西回風(fēng)豎井承擔(dān)了東翼部分回風(fēng)，東、西兩翼回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)阻力值較為接近，西回風(fēng)豎井系統(tǒng)阻力2 780 Pa，東回風(fēng)斜井通風(fēng)系統(tǒng)阻力2 560 Pa，通風(fēng)系統(tǒng)理論功耗為562.9 k W。

2.3 方案對(duì)比分析

原通風(fēng)方案－兩翼分區(qū)通風(fēng)（兩翼回風(fēng)井單獨(dú)承擔(dān)本翼回風(fēng)）與優(yōu)化方案－兩翼對(duì)角通風(fēng)（兩翼回風(fēng)井共同承擔(dān)總風(fēng)量）主要通風(fēng)參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 方案主要通風(fēng)參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of main ventilation parameters of the scheme

結(jié)合表3及分析可知，在原通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上新建繞道（角聯(lián)分支），將東西兩翼回風(fēng)段連接，通過(guò)角聯(lián)分支（繞道）可調(diào)節(jié)兩翼回風(fēng)井風(fēng)量，使東西兩翼回風(fēng)井共同承擔(dān)礦井總風(fēng)量。原方案與優(yōu)化后方案礦井總風(fēng)量不變，東西兩翼回風(fēng)井所承擔(dān)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整后，礦井通風(fēng)系統(tǒng)理論功耗由679.5 k W下降至562.9 k W，功耗降低116.6 k W、降幅17.16%，本礦山中50 m繞道投資約為25萬(wàn)元，電費(fèi)1元每度，年生產(chǎn)天數(shù)按300 d計(jì)，通過(guò)優(yōu)化后每年降低電費(fèi)約為84萬(wàn)元，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，可見(jiàn)通過(guò)兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)中回風(fēng)段角聯(lián)分支調(diào)節(jié)兩翼回風(fēng)井風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)合理分配兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)中回風(fēng)井風(fēng)量可降低通風(fēng)系統(tǒng)能耗。

3 結(jié)論

論文在分析兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)回風(fēng)段風(fēng)流特性的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了角聯(lián)分支風(fēng)流方向判別公式及風(fēng)量調(diào)節(jié)公式，并以具體工程進(jìn)行了兩翼回風(fēng)井單獨(dú)回風(fēng)與兩翼回風(fēng)井共同承擔(dān)礦井總風(fēng)量?jī)煞N系統(tǒng)的通風(fēng)效應(yīng)，得出如下主要結(jié)論：

1）兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)中回風(fēng)段角聯(lián)分支風(fēng)量和風(fēng)向均可改變，通過(guò)調(diào)節(jié)回風(fēng)井風(fēng)機(jī)參數(shù)和風(fēng)井風(fēng)阻參數(shù)可改變角聯(lián)分支風(fēng)量及風(fēng)向。

2）兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)中通過(guò)回風(fēng)段角聯(lián)分支實(shí)現(xiàn)兩翼回風(fēng)井風(fēng)量調(diào)節(jié)，可使兩翼回風(fēng)井共同承擔(dān)礦井總風(fēng)量。

3）兩翼回風(fēng)井有多種風(fēng)量分配方案，通過(guò)回風(fēng)段角聯(lián)分支調(diào)節(jié)兩翼回風(fēng)井風(fēng)量，合理分配兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)中回風(fēng)井風(fēng)量可降低通風(fēng)系統(tǒng)能耗。