區域可控循環通風技術中循環率的確定

王時彬，陳日輝，孟祥允

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

區域可控循環通風技術中循環率的確定

王時彬，陳日輝，孟祥允

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

本文對區域可控循環通風技術進行研究，根據巷道風速、瓦斯濃度、粉塵濃度、風機消耗功率和循環區域新鮮供風量來確定循環風機的最優循環率，用以對實際生產循環風機進行合理選擇和運用。

風速；濃度；功率；循環率；新鮮風量

隨著科學技術日新月異的發展，礦山生產的機械化程度不斷提高，礦井開采規模不斷擴大，通風線路隨之加長，通風阻力與之增加，工作面通風較為困難，用傳統的通風技術會大大地增加通風的難度和費用。為解決這種通風困難問題，礦山工作者提出一種新的通風技術——區域可控循環通風。可控循環通風技術首先在英國煤礦生產中興起，由英國學者Lach和Slack研究提出，20世紀70年初在英國開始應用，它是指對需風地點人為的進行有規律的風量循環控制來達到需要的通風效果。

1 區域可控循環通風分類

區域可控循環通風方式根據循環風機在循環區域巷道的位置及相對主要風機的作用分為兩類：增阻循環通風和增壓循環通風[1]。

增阻循環通風是循環風機安置在離工作面一定距離的聯絡巷(循環風道)中，也稱聯絡巷循環通風。這種循環通風方式提高了一部分循環巷道風流的能量，讓其回到循環進風巷中。循環風機對風流的作用方向與主要通風機的作用方向相反，有增阻作用。增壓循環通風是循環風機安設在循環區域的循環進風巷道或回風巷道中，聯絡巷依然作為循環風道使用。進風道中運輸任務一般較為繁重，安裝輔助通風機會影響正常生產，故循環風機多設在循環回風巷中。這種循環通風方式中，循環區域的循環回風巷中風流在循環風機的作用下總能量高于循環進風巷中風流而產生循環風流，故稱為增壓循環風。

在金屬礦和低瓦斯煤礦中都能運用可控循環通風來解決工作面通風困難問題，并已積累了許多經驗。如白元付等[2]在王家寨礦中成功運用可控循環通風技術，吳富剛等[3]在紅透山礦井中運用可控循環通風。

由于諸多原因，現場多采用增阻循環通風[4]，本文主要針對該循環通風進行討論。在循環通風系統確定時，隨著循環率F增大(即循環風量增加)，循環風機的增阻作用隨之增大，從而使循環區域的風阻與之增加，循環區域的新鮮風流因風阻的變大而減小；同時循環風量的增大會增加循環區域以外擋風墻兩端的壓差，使漏風增加。當循環率達到某一值時，隨F值增大工作面風量Qc的增量減少，以馬村礦13506采面試驗為例[5]，循環率在0.346～0.54區段，循環風量由113.12m3/min增加到178.26m3/min，而循環區域新鮮風流由214.28m3/min減少到152.36m3/min，結果工作面實際進風量相差無幾(327.4～330.62m3/min)。所以在增阻循環通風中循環率的增大有一定的限制。相反對于其循環率最小值的限定討論則較為簡單，當F取零時，循環風機不工作，通風系統基本不變，故循環率有一定的下限要求。

循環率取值在一定的范圍之內，本文根據風速要求、瓦斯變化濃度、粉塵變化濃度、風機消耗功率及循環區新鮮風量供給幾個限定條件來討論增阻循環通風中循環率的最優取值。增阻循環通風系統示意，見圖1。

圖1 增阻循環通風系統示意

如圖1所示，Q1、Q4分別表示循環區域進風和回風風量，Q2、Q3分別表示循環進風和回風風量，Qr為循環風量，Qc為工作面用風風量，F1表示循環風機，F表示主要風機，循環區域進風道、回風道和工作面風阻用Rc表示，循環風道風阻用Rr表示，循環區域外的風路風阻用R0表示。依圖有公式Q1=Q4，Q2=Q3=Qc，Q1+Qr=Qc，定義循環率F =Qr/Qc。

2 相關影響因素的確定

2.1 巷道風速

在《煤礦安全規程》[6]和《金屬非金屬礦山安全規程》[7]中(下文將兩者簡稱為《安全規程》)，均規定了各礦井巷道的最低風速Vmin和最高風速Vmax。在循環區域中最低風速一般是能保證，現需考慮循環區域循環風道、循環進風巷、循環回風巷及工作面巷道的最大風速。

式中：Vr、V2、V3、Vc分別表示循環風道、循環進風巷、循環回風巷及工作面巷道的風速；

Sr、S2、S3、Sc分別表示循環風道、循環進風巷、循環回風巷及工作面巷道的斷面積。

從上述4式中可看出，隨著循環率F 的增大，循環區域所有巷道的風速也隨之增大。令風速Vr、V2、V3、Vc都取《安全規程》[6-7]中相應的最大值，可得出4個F 值，為使這4個巷道都滿足要求，F 值不應超過最小值Fmin，令F1=Fmin。

2.2 瓦斯濃度

循環通風能增加循環區域工作面的風量，增大了沖淡瓦斯的能力，使工作面瓦斯濃度波動的峰值低于相同條件常規通風，使風流紊流擴散能力增強而加快了瓦斯與風流的混合，更有利于防止瓦斯在頂板積聚[8]。在增阻循環通風系統示意圖中各巷道的瓦斯濃度分別以C1、C2、C3、C4、Cr表示，qc表示工作面瓦斯的絕對涌出量，C1為進風流中瓦斯濃度，可由儀器測量得到。

在常規通風系統中，Qr=0，此時有C2＝C1，C3＝C1+qc/Q3，Q1+Q2+Q3=Q4。

在循環通風系統中，循環區域循環回風巷中一部分風流經循環風機進入到循環區域循環進風巷，混合新鮮風流進入工作面。

循環率F =Qr/Qc，Q2=Q3=Qr=Q1+FQr

第一次循環時，有：

第二次循環時，有：

第n次循環時，有：

由以上公式分析可知，在增阻循環通風系統中，當循環風流達到穩定狀態時，循環區域工作面及循環回風巷道中瓦斯濃度大小與循環率F 無關，只取決于循環區域內新鮮風量和其工作面瓦斯涌出量，并與同量進風量常規通風時瓦斯濃度相同。由此知要使工作面和回風巷道的瓦斯濃度不超限，則需保證有足夠的新鮮風量進入循環區域。

由循環區域循環進風巷中瓦斯濃度公式中知，其瓦斯濃度大小C2與循環率有關，隨循環率F 變大而增大，所以必須控制循環率使其濃度符合安全規程[6-7]，當瓦斯濃度取極限值時，計算其循環率F2。

2.3 粉塵濃度

在常規通風系統中，一些產塵量大的工作面其粉塵濃度往往超標，影響正常的生產工作。在增阻循環通風系統中在循環風道內安置除塵設備，將循環回風巷的一部分污風過濾后排入工作面稀釋其粉塵濃度。設除塵器的除塵效率為E，在增阻循環通風系統示意圖中各巷道礦井粉塵濃度依次為d1(循環區域進風巷)、d2(循環進風巷)、d3(循環回風巷)、d4(循環區域回風巷)、dr(循環風道)，D為工作面的產塵量。礦井粉塵在風流中的運動規律一般來說比瓦斯運動規律更復雜，但其濃度受風流影響較小，按瓦斯運動規律計算[9]。按上文對瓦斯濃度的推導過程可推出循環進風巷道礦塵濃度d2和循環回風巷道礦塵濃度d3：

從公式知，循環進風巷、回風巷中礦塵濃度與循環區域新鮮風流自帶的礦塵濃度、新鮮風量大小、工作面的產塵量多少、除塵器的效率和循環率有關，循環率越大礦塵濃度越低。現場應用時，需將循環區域循環進風巷道礦塵濃度d2和循環回風巷道礦塵濃度d3控制在《安全規程》[6-7]規定的濃度之內。在其它參數已定時計算出此時符合要求循環率的極限值F3。

2.4 風機功率消耗

風機功率消耗包括循環風機功率消耗和主要功率消耗，根據能量平衡定律[10]有：

主要風機輸出功率：

循環系統的總功率：

式中hN為自然風壓，從上述公式可看出隨循環率增大，其循環風機和主要風機風壓均增大，循環系統的總功率增大。在循環系統中，R0的值可看作不變，而Rr、Rc影響風機功率消耗，Rr、Rc值越小，其循環系統的總功率消耗越小，同時可知循環區域的風阻越小，越有利于應用增阻循環通風系統。由于一般自然風壓較小，對整個通風系統影響不大，這里忽略不計。將循環通風系統的功率消耗同常規通風系統功率消耗比較可得出節能量。當常規通風系統工作面的實際用風量為Qc時，其消耗的總功率N 為：

上式可看成是關于循環率F 的函數，故可運用函數知識來分析Nt/N 的值。

令g(F)=F3Rr+(1-F )3R0，求導得g′(F)= 3F2Rr-3(1-F )2R0，令g′(F)=0時，為增函數，當F＜F0時，g(F)為減函數，當F＞F0時，g(F)為增函數，所以當F=F0時， 取最小值。對于自然風壓較大的礦井通風系統，同樣可運用以上函數知識來對其循環率進行分析。

對于循環風道風阻Rr遠小于循環區域外的整個系統的風阻R0，故F0約等于1，即表示當工作面的用風量全由循環風機提供時消耗功率最小，此時循環系統為全封閉循環系統。上述對瓦斯濃度變化和礦塵降塵分析已說明循環系統必須要有一定的新鮮風流，故循環率不能為1。但由Nt/N 知當循環率F越大，循環系統功率消耗越小。

2.5 新鮮風量

2.5.1 與循環率關系

在蒲白課題組對馬村礦采面、采區可控循環風試驗研究中[5]，可知當循環區域與另一工作面構成并聯通風時，運用增阻循環通風時會增加該循環區域的等效風阻，此時會減少該循環區域的有效新鮮風量。由上述分析知當循環率不斷增大到某一值時，有效新鮮風隨之減小到某值，不利于瓦斯、礦塵等有毒有害物質的稀釋和排除。

對于循環區域和另一工作面構成并聯通風系統如圖2所示。

圖2 區域可控循環通風系統示意

圖中BC區域為循環通風區域，根據其研究得循環通風的新鮮風量與常規通風新鮮風量關系式為：式中：Q1—常規通風新鮮風量；

Q1′—循環通風新鮮風量；

F —循環率；

RAB、RBC、RCD—分別為各段風阻。

由馬村礦13506工作面試驗數據得出的不同循環率的風量變化圖中知，隨循環率的增大，其循環區域新鮮進風隨之減少。根據循環區域新鮮風最小需求量、各段風阻可計算出循環率F4，為該循環系統的極限值。

2.5.2 新鮮風量的確定

受當前技術經濟條件的限制，不能從循環風流中凈化所有的有毒有害物質，如瓦斯和CO，故要使循環區各項通風技術指標都符合安全規程[6-7]規定要求，必須保證供給循環區域所必須的最小新鮮風流。可按照祝啟坤等人的研究，按工作面排煙及對氧氣、二氧化碳含量要求計算外來新鮮風量Q1[11]，同時需考慮有毒有害物質的稀釋作用，如按上述瓦斯濃度變化中循環回風流瓦斯濃度C3=C1+qc/Q1原理計算新鮮風量Q1，最后新鮮風量取滿足所有要求的最大值。

3 結語

循環通風能增加工作面風量，但不會導致瓦斯等有毒有害物質濃度的增加。對于產塵較多的工作面，配以除塵器能較好的降低粉塵濃度。在循環通風系統中，循環率越大，消耗功率越小。當循環率達到某一值繼續增大時，循環區域新鮮風量會減少，此時循環區新鮮風量與循環率密切相關。循環率既不能太大又不能太小，但可從確定條件中選取符合要求的最節能的循環率。

在一個循環通風系統中，首先需確定循環區域新鮮風量，然后根據循環區域新鮮風量與循環率的消長關系和循環區各巷道風速要求的循環率上限值，再次根據瓦斯、粉塵等有毒有害物質濃度要求確定循環率的下限值，最后根據功率消耗與循環率的關系選取F滿足所有要求的最大值。

因此運用循環通風時需謹慎，既要滿足有毒有害物質的稀釋和排除，又要滿足不使循環區域新鮮風量小于最小鮮風要求，同時還要使功率消耗最少。

[1]王啟晉.礦井可控循環通風[M].徐州：中國礦業大學出版社，1996：11-15.

[2]白元付，王安群，楊中星.礦井可控循環通風技術在王家寨礦的研究利用[J].山東煤炭科技，2005(1)：60-61.

[3]吳富剛，宮銳，石長巖.可控循環通風技術在紅透山礦井中的應用[J].有色金屬(礦山部分)，2011，63(3)：51-53.

[4]杜太亮.礦井可控循環風系統中循環率分析與優化[J].煤炭工程師，1997(2)：35-38.

[5]蒲白課題組.可控循環通風的實用性與適應性[J].陜西煤炭技術，l993(1)：50-55.

[6]國家安全生產監督管理總局.煤礦安全規程[M].北京：煤炭工業出版社，2011.

[7]國家安全生產監督管理總局.GB 16423-2006 金屬非金屬礦山安全規程[S].北京：中國標準出版社，2006.

[8]胡衛民.循環通風的可行性研究[J].世界煤炭技術，1988(9)：11-15.

[9]劉冠姝.礦井可控循環通風技術[J].陜西煤炭技術，1992(2)：49-55.

[10]張國樞.通風安全學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007：90.

[11]祝啟坤，葉鎮杰.金屬礦山受控循環通風風量計算[J].金屬礦山，1997(10)：35-38.

Determination of Circulation Rate in the Area Controlled Recirculating Ventilation

WANG Shi-bin, CHEN Ri-hui, MENG Xiang-yun
(Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

In this paper, the area controllable circulation ventilation had been studied, according to the request of the tunnel air speed, gas density and the dust concentration, the air fan consumed power and the fresh air quantity of recirculation area to pick up the optimal recirculation rate, then choose the reasonable recirculation fan to use.

air speed; density; power; recirculation rate; fresh air quantity

TD724

A

1007-9386(2014)01-0059-04

2013-10-12