風窗對井下通風系統(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)系分析了井下風窗安裝前后通風系統(tǒng)中各分支間風流流動關(guān)系，提出了某些分支安裝風窗后，通風系統(tǒng)各分支的風量對此變化作出反應(yīng)的分析模型，給出了度量風量和阻力反應(yīng)敏感性強弱的方法;假定通風系統(tǒng)中某些分支同時安裝風窗，在保留風窗的使用對通風系統(tǒng)所帶來的正面作用，但要抑制其負面作用的條件下，基于盡可能使所有參與調(diào)節(jié)的分支的風阻增、減值最小化的原則，提出了指定分支實施調(diào)節(jié)的調(diào)阻調(diào)節(jié)法和優(yōu)選分支實施調(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：兩種模型可以在風窗安裝之前進行解算，解算結(jié)果可預(yù)知風窗安裝后通風系統(tǒng)各分支的風流的分布情況，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)的風窗安裝位置、數(shù)量及風窗阻力，后者可以用于確定風窗窗口面積.

關(guān)鍵詞：井下風窗;微變自動調(diào)風技術(shù);風量震蕩;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系統(tǒng)支路間的氣流關(guān)系。提出了一種分析模型，用以測量通風系統(tǒng)在部分分支安裝窗后，不同分支風量變化的敏感性和阻力響應(yīng)。假設(shè)通風系統(tǒng)的某些分支同時裝有風窗，在保留風窗的使用對通風系統(tǒng)所帶來的正面作用，但要抑制其負面作用的條件下，基于盡可能使所有參與調(diào)節(jié)的分支的風阻增、減值最小化的原則，提出了指定分支實施調(diào)節(jié)的調(diào)阻調(diào)節(jié)法和優(yōu)選分支實施調(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、井下通風系統(tǒng)概述

通風系統(tǒng)是礦井通風方式、通風方法和通風網(wǎng)絡(luò)的總稱。通常情況下，井下通風系統(tǒng)是專業(yè)的通風機和通風網(wǎng)絡(luò)組成的，通過對風流加以引導(dǎo)，使風從井口進入到礦井，然后由各個通風機將風在通風網(wǎng)絡(luò)中按照一定的方向進行引導(dǎo)，使風進入到用風場所，最后到達回風井中。穩(wěn)定的通風系統(tǒng)保證了風場的用風，而很多事故的發(fā)生都是由于通風系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的。因此，分析和找出影響通風系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，優(yōu)化通風系統(tǒng)，將會降低安全生產(chǎn)事故的發(fā)生率，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

二、風窗對風流穩(wěn)定性影響的分析

1.節(jié)點風量平衡與回路阻力平衡方程。井下通風網(wǎng)絡(luò)是一個閉合的簡單圖，需要運用圖論的知識對其進行分析。若其節(jié)點數(shù)為J個，分支數(shù)為N個，則該風網(wǎng)的獨立回路數(shù)為M=N-J+1。若已知通風網(wǎng)絡(luò)中各分支的風阻、風機風壓和自然風壓，則根據(jù)風壓平衡定律，風網(wǎng)中任意回路的風壓的代數(shù)和為零，可列出M個回路阻力平衡方程：

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

2.風窗的使用對通風系統(tǒng)的影響。假設(shè)通風系統(tǒng)中某些分支同時安裝風窗，安裝風窗的分支的集合為C，此時在集合C中的分支通風阻力增大，即對于集合C中的分支m來說，其增大阻力為ΔH m，該阻力的大小與風窗的開口面積成反比，具體計算方法可參閱文獻。為了維持通風系統(tǒng)的阻力平衡，各分支風量必隨之發(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為通風系統(tǒng)未安裝任何風窗時分支j的風量;ΔQ j為通風系統(tǒng)安裝風窗后分支j的風量變化量。利用式（2），方程式（3）完全可以確定N個分支的風量變化量ΔQ 1，ΔQ 2，…，ΔQ N。當通風系統(tǒng)某些分支安裝風窗確定后，通風系統(tǒng)中分支j風量發(fā)生變化，這種變化對通風系統(tǒng)的影響程度可用如下公式描述：

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

式（5）中，H j為通風系統(tǒng)未安裝任何風窗時分支j的壓力;ΔH j為通風系統(tǒng)安裝風窗后分支j的壓差變化。由于分支j的風量與風壓具有H j=Rj Q jQ j，因此風量敏感指數(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)雜礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化方法

針對開采多年并開始步入深井開采的復(fù)雜大型礦山，要解決通風系統(tǒng)運行過程中存在的諸多問題，實現(xiàn)礦井風流的有序流動和井下生產(chǎn)的正常進行，需要及時開展礦井通風系統(tǒng)調(diào)查、測試和分析，應(yīng)用先進的通風三維仿真系統(tǒng)軟件對礦井通風系統(tǒng)進行優(yōu)化和完善。一般從通風網(wǎng)絡(luò)、風流調(diào)節(jié)設(shè)施和通風構(gòu)筑物等方面進行優(yōu)化，其難點在于通風網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜分支巷道多、輔扇多、風流調(diào)節(jié)的點多等。

1.礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化軟件礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化軟件是運用FORTRAN 90編寫的，運算迭代速度快，通風網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)據(jù)可靠，實用性和通用性強，不僅適用于復(fù)雜的統(tǒng)一通風系統(tǒng)，也適用于多輔扇或多級機站通風系統(tǒng)的優(yōu)化，能有效解決大型復(fù)雜礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化的難題。該軟件主要包括自然風壓適時計算、通風網(wǎng)絡(luò)解算、通風系統(tǒng)三維模型建造、數(shù)據(jù)輸入輸出與查詢等模塊。自然風壓適時計算模塊能將實測得到的不同季節(jié)不同時間的地表和井下的氣溫參數(shù)，以及進、回風井筒深度值輸入計算機，自動計算礦井自然風壓值，并自動刷新至通風系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算的原始數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)適時分析自然風壓對礦井通風系統(tǒng)的影響，有助于了解自然風壓的變化規(guī)律。通風網(wǎng)絡(luò)解算模塊能通過對通風系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)前處理，將所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計算機軟件要求的格式輸入計算機，可實現(xiàn)多種通風系統(tǒng)方案的設(shè)計、方案實施后通風效果的計算機模擬、工作面風量的自動診斷等。

2.通風網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。礦井通風網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化的核心內(nèi)容之一，因此，在進行通風網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時，一般以礦井通風系統(tǒng)設(shè)計和礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，應(yīng)用礦井通風三維仿真系統(tǒng)優(yōu)化通風網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如新增或減少通風巷道等）。礦井通風網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化力求簡單明了，主要從通風巷道斷面積、生產(chǎn)布局、通風線路等方面進行優(yōu)化，力求通風線路最短通風阻力最小、有害角聯(lián)巷道少、風量分配合理、通風壓力均衡、通風調(diào)節(jié)簡單、通風網(wǎng)絡(luò)管理容易等，確保通風網(wǎng)絡(luò)的通暢。

3.通風構(gòu)筑物優(yōu)化。通風構(gòu)筑物是用于引導(dǎo)風流、阻隔風流和調(diào)節(jié)風流的設(shè)施，對井下風流調(diào)控有著非常重要的作用。在不增加礦井通風系統(tǒng)阻力的前提下，根據(jù)風流調(diào)控的需要，應(yīng)用礦井通風三維仿真系統(tǒng)優(yōu)化通風構(gòu)筑物的類型及位置等。力爭在不增加礦井通風阻力的情況下，做到通風構(gòu)筑物位置設(shè)置合理，確保構(gòu)筑物質(zhì)量，能有效控制風流循環(huán)和漏風，實現(xiàn)風流合理調(diào)控，保障礦井生產(chǎn)安全有序。

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

四、低震蕩高精度微變實時自動調(diào)風技術(shù)

1.PID 控制數(shù)學模型。裝置采用 PID（比例 - 積分 - 微分）控制器實現(xiàn)風量實時自動檢測和調(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 為積分時間常數(shù);T d為微分時間常數(shù);e（t）為巷道實時風量偏差;u（t）為電液推桿位移變化量。對輸入的巷道實時風量經(jīng)求平均處理后得到風量實時均值，控制器參照設(shè)定的風量安全值對其做偏離判斷，只要出現(xiàn)風量偏差 e（t），控制器對應(yīng)的輸出電液推桿位移變化量 u（t），裝置立即開始實時風量安全調(diào)節(jié)動作，且整個過程是一個不斷輸入、比較并輸出調(diào)節(jié)的自動過程，直到實時風量偏差 e（t）消失，即風量調(diào)節(jié)至巷道所需風量值，調(diào)節(jié)過程才結(jié)束 。電液推桿的傳遞函數(shù)簡化為：

風窗環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)簡化為：

式中，L 為卷簾風窗的卷簾寬度;λ 為單位微變面積對應(yīng)的風量系數(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.低震蕩微變風量調(diào)節(jié)的高精度特性分析。假定調(diào)節(jié)風窗前后兩端壓差恒定，可用線性特性來描述流過風窗的井下巷道風量實時值 Q 與風窗開口面積 S 的關(guān)系，其滿足，呈理想線性關(guān)系，當 K =1 時，它們之間的關(guān)系曲線如圖 2 中曲線 a 所示。

式中，S ω 為卷簾風窗全開時的面積，m 2;Q max 為風窗全開面積下巷道最大風量值，m 3 /min。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)研實際憑經(jīng)驗手動調(diào)風情況，通過對采集的各項數(shù)據(jù)整合處理分析，得到風窗開口面積與對應(yīng)的巷道風量實時值 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)場風窗前后兩端壓差實際上是變化的，兩者成近似線性關(guān)系，但是風量震蕩幅度較大，風量調(diào)節(jié)性能差。為很好地限制現(xiàn)場實際中出現(xiàn)此情形，提出采用井下風窗風量自動調(diào)節(jié)控制裝置來對巷道風量進行調(diào)節(jié)。根據(jù)裝置在煤礦現(xiàn)場的調(diào)風情況，分析卷簾風窗前后兩端壓差變化下風窗開口面積 S 與對應(yīng)的巷道風量的實時大小 Q 之間的關(guān)系，通過整合處理后發(fā)現(xiàn)它們之間的關(guān)系。

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

總之，對于通風系統(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)模型的風阻調(diào)節(jié)值，則通風系統(tǒng)安裝風窗對整個通風系統(tǒng)的影響能夠消除。

參考文獻

[1]張鵬.通風安區(qū)學.2017.

[2]李華.淺談風窗對井下通風系統(tǒng)的影響及其調(diào)節(jié)與定位優(yōu)化.2017.