綜放工作面智能化反風技術

張建偉，汪 洋，馬瑞峰

（1.中天合創能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.湖南平安礦井安全技術有限公司，湖南 湘潭 411100）

國家發展改革委等8 部委《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》（發改能源〔2020〕283 號）和《煤礦智能化建設指南（2021 版）》對煤礦智能化建設提出要求[1-2]，極大促進了煤礦智能化發展的進度。

通風系統作為煤礦主要系統之一，起到供給井下新鮮空氣、沖淡井下有毒有害氣體和粉塵、調節井下氣候的作用，為礦井工人創造良好的工作環境和保障礦井安全[3]。目前，煤礦通風系統智能化已經實現主要通風機、局部通風機、自動化風門風窗、井下環境參數的遠程控制和參數自動化采集分析[4-12]。但是煤礦通風還需對災變后通風系統進行智能化控制和管理。反風作為災變后通風系統管控的手段，災變后能快速反風，可以有效地避免災害的擴大和降低損失[13-15]。為此，通過研究某煤礦3105 綜放工作面反風技術和設備技術需求，得出綜放工作面智能化反風系統構成和管理邏輯。

1 礦井概況

根據《礦井瓦斯等級鑒定報告》：研究對象絕對瓦斯涌出量為3.83 m3/min，礦井相對瓦斯涌出量為0.26 m3/t，屬于低瓦斯礦井。3105 綜放工作面位于某礦井田3-1 煤11 采區，工作面長度300 m，推進長度3 870 m。煤層傾角1°～3°，平均采高4.88 m。3105綜放工作面采用“一進二回”“U”型全風壓通風方式，配風量2 195 m3/min。目前，3105 綜放工作面區域有4 組風門、2 道調節風墻、2 處精準測風。正常通風系統圖如圖1。

圖1 正常通風系統圖Fig.1 Normal ventilation system of object

通風路線：地面→主井、副井→井底車場→（3-1 煤輔運大巷→3103 工作面輔運巷、3103 工作面主運巷→3103 工作面回撤通道→3105 工作面主運巷→3105 綜采工作面→3105 工作面回風巷、3105工作面泄水巷→3105 工作面回風通道→3103 工作面泄水巷）→集中回風巷→3-1 煤輔助回風大巷→一號回風立井→地面。

2 反風理論技術

通風系統反風理論技術研究的前提是流體數學模型的設計。目前，模型主要分為靜態數學模型和動態數學模型，通風系統復雜多變，因此本次技術理論的模型采用動態數學模型。通風系統網絡解算分析的方法有解析法、圖解法、模擬解法和數值解法（也稱近似解法）[16]。根據工作面反風理論技術研究的要求，本次反風理論技術選擇4 種解算方法結合，同時遵守節點流量平衡和回路風壓平衡定律。

2.1 反風理論模型

3105 綜放工作面通風系統中各通風設備的運行狀態：ADF 風門為常閉，B 風門為常開。為滿足本工作面反風的要求，需要對通風系統進行優化和整改，將構筑物E 改為調節風門，增加進風巷道的控風G 構筑物。通風系統改造、反風范圍劃定、節點、通風系統網絡、控制室等內容，通風系統改造圖如圖2，節點及通風網絡圖如圖3。

圖2 通風系統改造圖Fig.2 Modification drawing of ventilation system

圖3 節點及通風網絡圖Fig.3 Diagram of nodes and ventilation network

3105 綜放工作面通風系統反風的必要條件是反風災害區域劃分點之前發生災害。反風災害區域劃分點之后發生的災害，通風系統無需反風。

研究對象共有節點13 個，風路支路共有16 條，正常通風路線：1→3→4→5→9→10→工作面→11→12→8→7→6→2。其中3→4、4→5、5→9、9→10 4 條巷道為主要研究巷道，不同巷道災變后需快速反風和快速控制災害范圍的擴大，保證系統安全。

根據災害發生的巷道位置不同，將研究對象劃分為2 個模型：模型1 為3105 工作面進風巷入口之前發生災害，避免有毒有害氣體進入工作面，即3→4、4→5、5→9 3 條巷道內發生災害，需要反風控制災害范圍；模型2 為3105 工作面進風巷入口之后至反風災害區域劃分點之前發生災害，避免有毒有害氣體進入新風側，即9→10 巷道內發生災害。

2.2 反風理論技術

3105 綜放工作面通風系統作為反風理論技術研究對象，因采用通風構筑物變化控制工作面區域內的反風，所以主要通風機無需進行反風。

根據節點風量平衡和壓力平衡等定律，考慮到空氣壓縮、溫度變化造成的密度變化、外部有可能存在的匯入等原因，增加修正系數k，實現動態分析，采用迭代法。修正后節點流量平衡公式如式（1）：

式中：k1為動態修正系數；j 為通風網絡圖中節點數；N 為分支數目；Qj為第j 條支路風量，m3/s；aij為風流方向的符號函數（aij=1，i 節點為j 分支的端點且Qj流向該節點；aij=-1，i 節點為j 分支的端點且Qj背離該節點；aij=0，i 節點不是j 分支的端點）。

修正后回路風壓平衡公式如式（2）：

式中：k2為動態修正系數；fi為沿i 回路阻力或風壓代數和，Pa；Qj為j 分支的風量，m3/s；Rj為j 分支的風壓，Pa；pi為i 回路自然風壓代數和，Pa；Fj（Qj）為第i 個風機的風壓，Pa，研究對象區域內無風機，所以Fj（Qj）=0；bij為分支風流方向的符號函數（bij=1，i 節點為j 分支的端點且Qj流向該節點；bij=-1，i 節點為j 分支的端點且Qj背離該節點；bij=0，i 節點不是j 分支的端點）。

自然風壓如式（3）：

動態修正系數與反風后的巷道壓力關系為：

式中：B 為動態修正系數；pj2為第j 條支路反風后的巷道壓力，Pa；pj1為第j 條支路正常通風巷道壓力，Pa；Qj為第j 條支路風量，m3/s；A 為調節通風斷面，m2。

無論模型1 還是模型2，構筑物E 都會開啟，構筑物B 都會關閉，會改變區域內的壓力分布，需要根據風量平衡和壓力平衡計算得到構筑物C 風窗的調節范圍。

模型1 是A/E/F/G 開啟、B 關閉、D 不變、C 配合壓力調節范圍，反風風量和正常風量一樣，模型1 通風網絡圖如圖4。

圖4 模型1 通風網絡圖Fig.4 Ventilation network diagram of model 1

模型1 控制順序：先關閉B→開啟G→開啟E→開啟A 和F，過程中C 控制風量。反風路線：1→7→8→12→9→5→4→13→6→2。根據風量和壓力平衡要求以及風窗尺寸變化要求，計算得出構筑物C 風窗的控制壓力差200 Pa 到（1 200±30）Pa 及風窗開口大小縮小（0.5±0.05）m2。

模型2 是A/E/G 開啟、B 關閉、D/F 不變、C 配合壓力調節范圍，反風風量和正常風量一樣，模型2 通風網絡圖如圖5。

圖5 模型2 通風網絡圖Fig.5 Ventilation network diagram of model 2

模型2 控制順序：先關閉B→開啟G→開啟E→開啟A，過程中C 控制風量。反風路線：1→7→8→12→11→工作面→10→9→5→4→13→6→2。根據風量和壓力平衡要求以及風窗尺寸變化要求，計算得出構筑物C 風窗的控制壓力差200～（1 000±20）Pa 及風窗開口大小縮小（0.4±0.05）m2。

3 工作面反風智能化設備

工作面智能化通風系統反風能真正實現，還需硬件設備支持，才能保證工作面通風系統反風的順利進行。

工作面通風系統反風涉及的設備包括：風門、風窗、數據采集傳感器、語音廣播設備、避災指揮設備等。風門要求具備遠程自動控制、能解除機械閉鎖、狀態監測、漏風量管理；風窗具備遠程自動調節或特性曲線調節、能監測風窗兩側壓力，保證區域內其他構筑物調節后，整個區域的風量不變，保證其他區域的通風系統不受影響；傳感器具備自查自檢功能，并能保證數據的準確和完整性；語音廣播具備通信功能和與反風系統聯動的功能，廣播要完善無死角；救災指揮設備或指路銘牌懸掛明顯且無死角，路線指示正確并與反風系統聯動等。各設備之間控制器需具備通信功能，并能形成通信環網，保證通信的穩定和設備之間聯動及時和穩定。

系統內的所有設備需具備自我實驗和測試功能，做到無人值守及故障診斷，保證各部件設備真用時的可靠。

4 反風系統構成及通用邏輯

通過技術和研究對象分析，結合現場設備技術要求，得出工作面通風系統反風構成和系統通用邏輯。適用范圍：區域內通風系統反風、主要通風機不參與反風、總進風和總回風之間存在調節風門。

4.1 反風系統構成

工作面通風系統反風系統基本構成：地面集控平臺、反風區域控制器（一主一備）、區域通信環網、自動化風門和調節風門、自動化風窗、精準測風、災害環境采集傳感器（如：一氧化碳傳感器、甲烷傳感器、氧氣體積分數傳感器及溫度傳感器等）、語音廣播系統、避救災用裝備及反風配套設備等。

4.2 反風系統通用邏輯

研究對象存在工作面進風巷和回風巷之間聯巷，需要分2 種模型。如果不存在聯巷，適用模型2。

如果需要改變主要進風大巷內的風量方向，因影響范圍擴大，此時就需要主要通風機進行反風配合，反風風量不低于60%，才能保證快速完成有毒有害氣體的排除，不在研究范圍內。

1）模型1 反風系統邏輯。首先設計工作面進風巷和回風巷之間聯巷，并安裝帶調節風門，其次設計區域內的進風巷和主回風巷之間聯巷，并安裝帶調節風門，其次安裝其他自動化風門和精準測風傳感器安裝，最后安裝區域內主要調節風窗，并進行井下實地測試，獲得風窗三維調節特性曲線。控制順序：首先隔斷原有總回風巷和反風后回風巷之間風門，其次改變回風巷風流方向，并將工作面進風巷和回風巷之間聯巷中的風門調節開啟，然后打開區域內的進風巷和主回風巷之間聯巷中的調節風門，控制總回風巷風流方向，最后調節風窗自主完成風量。整個通風系統調節過程中，所有的傳感器和設備需要實時監測和預警，保證整個反風過程的安全。

2）模型2 反風系統邏輯。首先設計區域內的進風巷和主回風巷之間聯巷，并安裝帶調節風門，其次安裝其他自動化風門和精準測風傳感器安裝，最后安裝區域內主要調節風窗，并進行井下實地測試，獲得風窗三維調節特性曲線。控制順序：首先隔斷原有總回風巷和反風后回風巷之間風門，其次改變回風巷風流方向，然后打開區域內的進風巷和主回風巷之間聯巷中的調節風門，控制總回風巷風流方向，最后調節風窗自主完成風量。整個通風系統調節過程中，所有的傳感器和設備需要實時監測和預警，保證整個反風過程的安全。

5 結 語

1）工作面存在聯巷且區域內通風系統反風，模型分為工作面內災害通風系統反風和聯巷外進風側通風系統反風2 種模型。

2）區域內通風系統反風應在總回巷和進風巷之間，需建設調節風門，保證區域通風系統反風分工作面和進風巷2 種，也便于對進風巷火災的范圍控制。

3）工作面通風系統反風需要進行“一面一策”設計，控制反風時間和流程，不能簡單地理解為風流反向即可。

4）風門需具備自動解除機械閉鎖，完成雙門同時開啟，并能監測風門漏風，漏風傳感器安裝在回風測風門間。風窗需現場性能測試，獲得風窗的三維調節特性曲線，將風窗墻體漏風考慮進可控范圍內。

5）根據現場施工和管控流程，需要對通風系統反風開始到風向反轉時間進行控制，不得超過5 min。