華陽煤礦通風系統優化與改造

袁建國

（晉能控股煤業集團華陽煤礦， 山西 晉城 048000）

引言

華陽煤礦屬于低瓦斯礦井，礦井通風系統較為復雜，前期通風系統按照低瓦斯礦井設計，隨著開采深入，礦井瓦斯含量逐步提高，需要重新對礦井送風量，井下通風系統進行優化調整，提高礦井風量利用率，降低礦井能耗，保障煤礦安全生產。

1 華陽煤礦通風系統現狀

華陽煤礦經過多年的挖掘，礦井通風系統已經不能適應目前的生產狀況，部分巷道和通風設施受環境影響變形，噴漿巷道出現開裂、巷道內的通風設施墻皮出現了裂縫，致礦井巷道通風阻力增大，使得回采工作面的供風不足，影響正常的安全生產。煤礦通風系統主要包括井上通風基站和井下通風網絡[1]，目前井下通風網絡組成部分主要包括有風道、風門、局部通風機和輔助調節設備等[2]。井上通風機站主要分為主通風機和輔助控制系統[3]，主通風機裝備兩臺同風力大小風機，確保風機可以連續平穩工作，為保證通風系統各個風點達到換氣標準，主通風機耗能較多，通過優化控制主通風機調節頻率，可以提高煤礦通風系統運行效率，保證煤礦安全生產[4]。

2 優化改造方案

2.1 煤礦風機模型建立

煤礦主通風機運行模型如圖1 所示，其中R1S、R1C分別為1 號風機水平風門和垂直風門等效風阻，R2S、R2C分別為2 號風機水平風門和垂直風門等效風阻，R0為井下風阻。

由圖1 可以看出，1 號風機和2 號風機呈對角通風結構。風機風壓H 可以由式（1）確定：

圖1 煤礦主道風機運行模型

式中：Hmax為風機穩定區極點值，風機臨界工作點K風壓為RK，工況點F 的風機風壓為0.9Hmax，對應的等效風阻為RF。為確保兩臺風機的工況均在穩定工況范圍內，風機1 號和2 號的風阻R1、R2均小于RF，風量Q1、Q2均小于QF。

2.2 煤礦主風機機械特性

華陽煤礦采用的軸流式通風機，其特性曲線為圖2 所示，其工況由連接的風網確定，其中K 點為曲線頂點，也是風機工況的極值點，K 點左側為不穩定工作區，當風機工況點落在K 點左側，例如E 點，風機容易產生振動，甚至導致事故；而K 點右側為穩定工作區，風機工況點應該在穩定工作區，且管網等效風阻R≤RK。針對華陽煤礦主風機穩定工況數據進行擬合，其擬合曲線如下頁圖3 所示，數學表達式為式（2）：

圖2 軸流式通風機工況曲線

圖3 風機穩定區工況擬合曲線

式中：H 為風機風壓，Pa；Q 為風機風量，m3/s。

2.3 優化控制模型建立

風機2 為風機1 的備用風機，風機切換時采用逐步切換的方式。1 號風機獨立運行時，R1C=R2S=0，R1S=R2C=∞。

由式（3）及風量平衡定理可推出式（4）、式（5），其中R1、R2為兩側風機等效風阻。

式中：R 為風阻，kg/m3。

由式（2）、式（3）可得，1 號風機工作點（Q0，H0），Q0為井下最小通風量，令H=0.9Hmax，可以求解得臨界風阻RF，且R≤RF。帶入R1、R2可以求得任意時刻兩臺風機的工況點（Q1，H1）、（Q2，H2）。

將（Q1，H1）、（Q2，H2）帶入式（3），可以得出風機1和風機2 水平風門漏風量：

可以導出井下通風量為：

煤礦風機的最優控制目標為井下通風量ΔQ 最小，且工況均在穩定工作區，等效風阻阻R1、R2均小于RF。

設α1、α2、α3、α4分別為四個風門開度的步進量，調整井下通風量的函數為：

煤礦風機優化模型為：

minf（α1，α2，α3，α4）

s.t.R1，R2≤RF

α2，α4∈[Smin，Smax]

α1，α3∈[-Smax，-Smin]

Smin，Smax分別為風門角度步進最小、最大調整量。

3 煤礦通風系統優化

煤礦通風系統要求總風量和各用風點風量必須滿足《煤礦安全規程》的不同類型巷道的風速允許范圍規定[5]，如表1 所示。

表1 井下巷道風速區間

結合本文建立的數學模型，結合華陽煤礦實際工作情況，利用遺傳算法，在MATLAB 中進行仿真，其中遺傳算法設置如下：

種群規模N=1000；權重值w=0.9-0.6t/T；

隨機數組r∈[0,1]；加速因子c=2.5-2t/T；

最大迭代次數1 000。

通過仿真可以得到圖4。

圖4 風機運行過程中井下風量變化

其中R0現場檢測為0.16 Ns2/m3，通過計算可以得出井下通風量Q0=77.3 m3/s，逐步調整風門角度量[Smin，Smax]= [0.1，0.5]、[0.1，1]、[0.1，2]、[0.2，0.5]、[0.2，1]、[0.2，2]、[0.5，1]、[0.5，2]，對于不同風門角度設置，如圖5 所示。可以得出井下風量最大值，風門調整步數存在較大差異，可以看出當α1S=α1C=41.5°，α2S=α2C=42°時風機效率最優。

圖5 風門角度調整值

4 結論

本文針對華陽煤礦生產過程中煤礦主風機效率進行了優化，結合煤礦安全生產要求，深入分析運行經濟效益，以煤礦主風機為主要研究對象，建立煤礦通風系統數學模型，結合煤礦相關數據，利用遺傳算法對模型進行優化，尋求最優控制量，為煤礦通風系統運行提供參考。