YY 礦井基于電算的風流調控方案研究

張 帥 胡章地 胡雅文 趙 洋 胡文軍 胡大順

（1、武漢工程大學資源與安全工程學院，湖北 武漢430073 2、黃岡市安全生產執法支隊，湖北 黃岡438000 3、湖北大楚注冊安全工程師事務所有限公司，湖北 武漢430070）

1 礦山概況

根據相關資料及現場踏勘的情況，YY 礦井通風系統采用副井進風- 主井回風的對角式通風系統，但現場部分區域存在通風混亂，通風不暢等問題，主要表現在以下幾個方面:

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，未明確其是進風井還是回風井，在-280m 中段主運輸巷設置常關風門后，形成一個獨頭巷道，既不能進風也不能回風。

1.2 新鮮風流通過-280m～-380m 盲豎井進入-380m 中段后，通過回風天井及斜坡道進入上一分段，導致-380m 水泵房和配電硐室通風不暢，同時配電硐室為獨頭巷道，僅靠一局扇通風，硐室內溫度較高。

1.3 副井-180m 中段水平新風和污風隔斷門距-180 米馬頭門太近，導致-180 米中段回風巷道有一處回風巷道為獨頭巷道，該巷道內通風較差。

1.4 井下部分中段通風不暢，部分通往采空的巷道未及時封閉，漏風嚴重。

2 YY 礦井通風結構改造

針對礦山通風系統存在的上述問題，對現有通風系統進行變更:

2.1 副井作為進風井，主井作為回風井。保持原有的副井進風線路不變，將從盲豎井進入-380m 中段的新鮮風流一部分引入水泵房和配電房，通過箕斗斜井回風至-345m～-304m 的溜井口，利用-345m～-304m 的溜井兼作回風井，在-304m 水平安裝一臺局扇，將污風抽至-304m 分段回風巷，最后匯入-292m 回風斜坡道。副井通風線路為: 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 回風巷道→-304m～-292m 斜坡道→各分段斜坡道→-180m 回風巷→主井石門（主風機）→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 回風巷道→-304m～-292m 斜坡道→各分段斜坡道→-180m 回風巷→主井石門（主風機）→地表。

2.2 本次變更將混合井作為輔助進風井，主要為-280m 中段行人和水泵房提供新鮮風流。混合井通風線路為：地表→混合井→-280m 中段運輸平巷→-280m～-271m 通風天井→-271m 分段平巷→各分段回風斜坡道→-180m 回風巷→主井石門（主風機）→地表。

3 風網解算方法及分析軟件

對于風網解算方法常用的有 Scott-Hinsley 法和Newton-Raphson 法[1]。本文風網解算方法采用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，內存要求不大，每次迭代運算速度較快，收斂性較好。其實質是將回路風壓平衡方程式按Taylor 級數展開，略去二階以上的高階微分項。利用方程式中一個已知的根(即初擬風量)的近似值(前提是滿足節點風量平衡條件)逐次迭代計算，并校正其風量值，當迭代校正誤差達到規定精度時，就求出了近似的真實值。其算法步驟如下[3]：

3.1 列出節點風量平衡方程和回路風壓平衡方程；

3.3 根據風壓方程的Taylor 展開式求風量校正值；

3.4 對風網回路中各分支的初擬風量進行校正；

3.5 對所有的獨立回路，判斷是否滿足收斂條件；

3.6 當第3.5 步不滿足時轉3.3 ，重復計算直到滿足收斂條件為止，即得風網解算結果。

自主設計風網的分析軟件Mvnet Version1.6 簡介：

軟件開發語言: C#

使用的基礎類框架技術: DXperience-10.2.3

IDE: Microsoft Visual Studio 2012

操作系統平臺: Windows

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

內存: 推薦1G 以上

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

由于實際風網分支數較多，數據量很龐大，為適應技術人員很多方便地進行數據管理，設計本軟件支持.xml 和.xls 兩種數據輸入輸出格式。

其中，xml 是一種輕量級通用的數據交換格式，非常適合與其他程序進行交換；xls (.xlsx)是用戶比較習慣的數據格式，利用excel 強大的編輯功能可以方便實現數據的批量處理。

風網分支數據可以通過工作表的形式輸入，也可通過Excel文檔直接導入。輸入或導入的原始數據可以進行修改，可以導出保存為Excel 文檔。

風網的分析軟件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方式輸入后進行相應的GUI 操作，通過增加、刪除、編輯對風算實例進行調整，運行核心風網計算程序，生成輸出實例，以GUI方式展現計算結果。

風網解算軟件功能如下：主程序MVNET 完成風網數據輸入和子程序的調用；子程序SORT 完成風網分支風阻排序；子程序MESH 用加邊法圈劃獨立網孔（以主扇、固定風量、高風阻分支為弦）；子程序CVFT 完成主扇性能曲線擬合計算；子程序IRT 完成風網解算迭代計算和計算數據的輸出；函數FANH 為風機性能特性曲線函數。

4 通風方案網絡解算

根據礦山井巷布置，畫出通風解算網絡拓撲圖，在圖上標明風機的安裝位置并進行節點編號。

按作業場所校核計算礦井需風量：回采采場（3 個）、備用采場（1 個）、掘進工作面（2 個）、維修硐室（1 個）、水泵房（1 個）、卷揚機房（1 個）、卸礦點（2 個）設計選取風量分別為2.6、1.3、2.6、2.0、2.0、2.0、2.0m3/s。

根據通風方案和通風解算網絡圖以及相關基礎資料，編制巷道風阻、網孔、風機及機站原始參數文件，網分支數NB=21，風網節點數NJ=13，主扇數NFC=1，固定風量分支數LXQ=8，迭代最大次數MIT=10000，迭代限E=0.0001，利用礦井通風系統解算軟件MVNET1.6 進行網絡解算，得出YY 礦風網解算分支數據。

根據解算數據設置不同的調節方式，調節阻力HR 大于0時布置調節風窗；HR 小于0 時采取降阻措施或設置輔扇增壓。風窗的面積與需要增加的阻力和巷道的斷面面積有關[4]。

5 YY 礦井風流調控方案

經通風結構調整及風網解算，YY 礦井風流調控方案如下：封堵墻的位置：（-180m 水平）-180m～-174m 斜坡道口、至Ⅲ號礦體聯絡道、回風巷至Ⅲ號礦體聯絡道、疏水巷道口、西大巷；（-190m 水平）至Ⅱ號礦體聯絡道；（-210m 水平）至Ⅱ號礦體聯絡道；（-221m 水平）至Ⅱ號礦體聯絡道；（-238m 水平）至Ⅱ號礦體聯絡道；（-249m 水平）至Ⅱ號礦體聯絡道；（-260m 水平）至Ⅱ號礦體聯絡道；-380m 水平）泄水井口、盲斜井口對面溜井。

風門的位置：（-180m 水平）主運輸巷與回風巷連接處、-180m～-100m 斜坡道口；（-188m 水平）至Ⅲ號礦體聯絡道；（-210m 水平）至Ⅲ號礦體斜坡道口；（-230m 水平）至進風斜井口；（-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。調節風窗（風門）具體位置如表1 所示。

表1 調節風窗（風門）匯總表

增阻調節一般安裝調節風窗，但調節風窗的安裝會影響巷道的通行運輸能力，礦山生產實踐中常常采用調節風門。

下面以在-342m 水平安裝雙扇平開調節風門為例，說明調節風門開啟角度 θ的計算。

根據YY 礦山的實際生產情況，采用Unigraphics NX 建立巷道風門的幾何模型，利用ANSYS 中的ICEM進行網格劃分。在導入巷道風門幾何模型后，創建入口、出口、巷道壁面，并進行拓撲幾何操作。井下空氣認為是不可壓縮紊流流體。選擇k-ε兩方程湍流模型的計算模型，其它參數按照缺省值默認計算。

首先模擬研究調節風門角度固定時的局部風阻與風量的關系圖，再模擬研究當風量不變時，調節風門局部風阻R 與風門開啟角度 θ的關系。參數取值為：入口風量2.04 m3/s，平均風速0.2m3/s，調節風門開啟角度分別取20°、30°、45°、60°、70°。根據基本數據模擬計算得到局部風阻與風門角度的關系圖（30°之前為下降曲線，30°之后下降曲線趨平）。對結果進行曲線擬合，得到偏差R2為0.99996 的擬合公式，利用matlab 求得調節風門的角度 θ為19.4°。因此，在-342m 水平安裝調節風門，風門開啟角度目前為19.4°。

6 結論

本文研究YY 礦井風流調控方案，在充分調研的基礎上，對通風系統網絡結構進行改造；采用Scott-Hinsley 風網解算方法，運用Mvnet Version1.6 風網分析軟件對通風系統網絡進行風網解算；根據解算結果采取增阻、減阻、增壓等方式調節風流。

考慮礦山生產實踐中常常采用調節風門代替調節風窗，本文還對調節風門開啟角度的計算進行了研究。

本文通過電算得到風流調節方案，使YY 礦井井下各需風點的新鮮空氣風量達到規范要求。