小紀(jì)汗煤礦分區(qū)式通風(fēng)主通風(fēng)機(jī)功率特征分析

寧 鵬，康思凡

(1.陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

在煤礦生產(chǎn)建設(shè)期間，通風(fēng)系統(tǒng)的阻力往往隨著采掘工作的延續(xù)而發(fā)生變化[1]。此外，礦井多采掘工作面同時生產(chǎn)，為了預(yù)防生產(chǎn)安全事故，需要采用分區(qū)式通風(fēng)，達(dá)到“一回采面一風(fēng)機(jī)”的基本要求，這樣還能確保阻力增大時，采場風(fēng)量不足或通風(fēng)能力不均衡。但由于各通風(fēng)機(jī)性能不同、通風(fēng)巷道風(fēng)阻的變化，可能出現(xiàn)多臺風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時相互影響，導(dǎo)致礦井風(fēng)流不穩(wěn)定，主通風(fēng)機(jī)發(fā)生不穩(wěn)定運(yùn)行，甚至出現(xiàn)喘振等后果，降低礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠性[2]。為了分析問題的內(nèi)在特征規(guī)律，選取小紀(jì)汗煤礦通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象，采用網(wǎng)絡(luò)解算方法，在雙回風(fēng)井并聯(lián)的情況下，研究其網(wǎng)絡(luò)風(fēng)阻比例及其主通風(fēng)機(jī)功率的變化規(guī)律，從而找出風(fēng)機(jī)最佳功率中的最小值和效率最佳的工況點(diǎn)，以確保風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和性能的最優(yōu)化。

1 通風(fēng)分析技術(shù)簡介

在礦井通風(fēng)安全管理工作中，風(fēng)網(wǎng)解算是各通風(fēng)計(jì)算的基礎(chǔ)，因其可以再現(xiàn)實(shí)際的通風(fēng)狀況，占有非常重要的地位。風(fēng)網(wǎng)解算法大致可分為2類。回路法和節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓法，斯考德-恒斯雷法為目前在我國應(yīng)用最普及的一種回路法。它以圖論為基礎(chǔ)，以風(fēng)流在空氣中流動的阻力定律、能量守恒定律、節(jié)點(diǎn)風(fēng)量守恒定律和回路能量平衡定律為理論依據(jù)，利用高斯賽德爾迭代法逐次求解網(wǎng)孔的修正風(fēng)量，直到接近預(yù)先所給的精度值，使其修正后的風(fēng)量接近真實(shí)風(fēng)量值[3]，其目的是在已知風(fēng)道風(fēng)阻、風(fēng)機(jī)特性和自然風(fēng)壓的基礎(chǔ)上求解礦井風(fēng)量。

本文所用的解算軟件系統(tǒng)基于AutoCAD二次開發(fā)而成，通過給與準(zhǔn)確的風(fēng)阻值和風(fēng)機(jī)特性曲線，軟件模擬計(jì)算出整個礦井通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際風(fēng)量風(fēng)壓分配情況，并將整個系統(tǒng)中的風(fēng)量與阻力的計(jì)算、風(fēng)量與風(fēng)壓分配等功能以網(wǎng)絡(luò)圖形的方式來實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到計(jì)算可視化的效果[4]，便于在生產(chǎn)管理中對各種通風(fēng)措施進(jìn)行預(yù)測、對通風(fēng)異常情況進(jìn)行及時處理、對各種方案進(jìn)行量化比較。具體特點(diǎn)包括4方面：①通風(fēng)系統(tǒng)圖、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的繪制和自動生成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖；②巷道旁有所屬數(shù)據(jù)顯現(xiàn)，使數(shù)據(jù)的直觀性更加容易表達(dá)；③風(fēng)網(wǎng)解算計(jì)算完成時，從系統(tǒng)圖上保留提取通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，進(jìn)行從單線系統(tǒng)圖轉(zhuǎn)換到雙線系統(tǒng)圖；④分析多風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，定量給出單個風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)量、風(fēng)阻變化時對其它風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的影響。

2 雙回風(fēng)井風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)特性

2.1 雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的相互影響

在分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)中，礦井通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，在主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其中某一臺風(fēng)機(jī)發(fā)生變化，另一臺風(fēng)機(jī)會受到不同程度影響，這就造成了雙風(fēng)機(jī)相互干擾的問題。雙風(fēng)機(jī)分區(qū)并聯(lián)通風(fēng)的各臺風(fēng)機(jī)通過其公用風(fēng)路相互聯(lián)系，又相互影響。如圖1所示，簡化后所有進(jìn)風(fēng)巷道合并為公共風(fēng)路OC，工作在2個回風(fēng)巷道的通風(fēng)機(jī)F1、F2，通過最近的公共節(jié)點(diǎn)O互相影響對方的工作性能。因?yàn)楣诧L(fēng)路上的風(fēng)量是各臺風(fēng)機(jī)共同作用的結(jié)果，各臺風(fēng)機(jī)又獨(dú)自承受了所消耗的負(fù)壓及克服公共風(fēng)路和專用風(fēng)路上的風(fēng)阻。對每臺風(fēng)機(jī)來說，相當(dāng)于在公共風(fēng)路上增加了風(fēng)阻，風(fēng)阻越大，通過的風(fēng)量就越大，消耗的風(fēng)壓也更大，所以每臺風(fēng)機(jī)承擔(dān)的風(fēng)壓也隨之增多[5]。另外，并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)使每臺風(fēng)機(jī)增加了風(fēng)壓也就消耗了功率，因此，供風(fēng)效率也隨之降低。

此外，其并聯(lián)通風(fēng)的總風(fēng)量小于各臺風(fēng)機(jī)單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)量之和[6]，公共風(fēng)路的風(fēng)阻R0和風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q機(jī)與公共風(fēng)路上風(fēng)量Q公比值的大小決定了并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時對每臺風(fēng)機(jī)的效率大小影響。因此，使多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時達(dá)到合理性，可以從井巷風(fēng)阻、自然風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)特性等方面考慮，保證公共風(fēng)路的風(fēng)阻盡可能小[7]，公共風(fēng)道風(fēng)阻不能超過總風(fēng)阻值的35%。

圖1 雙風(fēng)機(jī)對角并聯(lián)拓?fù)涫疽釬ig.1 Schematic diagram of dual-fan diagonal parallel topology

2.2 分區(qū)通風(fēng)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)合理工況點(diǎn)確定

在分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)中，在公共風(fēng)路上共同作用的2臺風(fēng)機(jī)F1和F2的特性曲線不同于F1、F2中的任何一個。根據(jù)2臺風(fēng)機(jī)的性能曲線和2臺風(fēng)機(jī)單獨(dú)工作時的網(wǎng)路風(fēng)阻，以每臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和網(wǎng)絡(luò)的阻力相減的原理為理論依據(jù)，在等風(fēng)量條件下，得到每臺風(fēng)機(jī)的剩余特性曲線。對于雙回風(fēng)井并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，可以通過固定一臺風(fēng)機(jī)的性能曲線，改變另一臺風(fēng)機(jī)的不同性能曲線，并對安裝在2條回風(fēng)風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行不同性能的交互分析及網(wǎng)絡(luò)解算。在滿足公共風(fēng)巷風(fēng)量要求的條件下，分析2臺通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)參數(shù)。

大量的實(shí)踐表明，每臺風(fēng)機(jī)的實(shí)際工況點(diǎn)取決于各自風(fēng)路的風(fēng)阻和公共風(fēng)路的風(fēng)阻。當(dāng)各分支風(fēng)路的風(fēng)阻保持不變時，公共風(fēng)路段的風(fēng)阻增大，2臺風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)上移；當(dāng)公共風(fēng)路段的風(fēng)阻保持不變時，某一分支的風(fēng)阻增大，則該工況點(diǎn)上移，另一風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)下移。因此，采用軸流式通風(fēng)機(jī)做并聯(lián)通風(fēng)，要注意防止因某一分支所在系統(tǒng)的風(fēng)阻減小引起另一所在系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)壓增加，從而進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)工作[8]。

3 小紀(jì)汗煤礦的概況及模擬解算

3.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)概況

為了分析問題方便，可以將礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖簡化為圖2。形成井下主風(fēng)路5種不同的聯(lián)通模式，井底聯(lián)通模式表示為主副斜井聯(lián)巷與中央進(jìn)風(fēng)立井聯(lián)巷之間聯(lián)通；采區(qū)進(jìn)風(fēng)段聯(lián)通模式表示為11盤區(qū)變電所與19#風(fēng)橋、20#風(fēng)橋之間的聯(lián)通；工作面聯(lián)通模式表示為11盤區(qū)水泵房與13盤區(qū)主副運(yùn)聯(lián)絡(luò)巷之間聯(lián)通；采區(qū)回風(fēng)聯(lián)通模式表示為11214回風(fēng)順槽出口通過12#風(fēng)橋與ZH2聯(lián)、HZ7聯(lián)之間聯(lián)通；回風(fēng)立井底聯(lián)通模式表示為2號煤層西翼二號回風(fēng)大巷與小蘇計(jì)回風(fēng)立井井底之間聯(lián)通。根據(jù)現(xiàn)場測定的性能報告，中央風(fēng)井的主要通風(fēng)機(jī)安裝的是FBCDZ-No33型風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)額定功率為2×630 kW，工況點(diǎn)風(fēng)量為132.319 m3·s-1，工況點(diǎn)風(fēng)壓為1 974.756 Pa，頻率為50 Hz。小蘇計(jì)風(fēng)井的主要通風(fēng)機(jī)安裝的是FBCDZ-No29型風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的額定功率為2×355 kW，工況點(diǎn)風(fēng)量為172.491 m3·s-1，工況點(diǎn)風(fēng)壓為1 255.579 Pa，頻率為50 Hz。根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的安全性分析，選取正常工作期間的主通風(fēng)機(jī)，對中央回風(fēng)立井和小蘇計(jì)回風(fēng)立井的主通風(fēng)機(jī)特性曲線進(jìn)行評價，可知礦井兩井的主扇實(shí)際運(yùn)行情況與理論工作性能基本吻合，表明中央回風(fēng)立井與小蘇計(jì)回風(fēng)立井的通風(fēng)機(jī)均符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

圖2 主要通風(fēng)路線的網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Network diagram of main ventilation routes

以上為基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬解算，經(jīng)過多次網(wǎng)絡(luò)解算和調(diào)整，得到通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量分配和阻力分布初始結(jié)果，見表1。其中，風(fēng)量和風(fēng)機(jī)負(fù)壓h值與現(xiàn)場實(shí)際比較吻合，可以作為模擬分析的一個基準(zhǔn)模型。

表1 簡化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型解算初始結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 風(fēng)段風(fēng)阻變化特征

為研究公共風(fēng)道風(fēng)阻值的變化對主通風(fēng)機(jī)輸出功率的影響，基于上述模型，在保證礦井總風(fēng)阻值不變的情況下，通過增大公共風(fēng)路風(fēng)阻值，減小回風(fēng)大巷風(fēng)阻值或者減小公共風(fēng)路風(fēng)阻值，增大回風(fēng)大巷風(fēng)阻值不斷調(diào)節(jié)風(fēng)阻比例，如圖2中幾種不同的聯(lián)通模式，用網(wǎng)絡(luò)解算軟件進(jìn)行解算將結(jié)果輸出，并匯總通風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)時的功率數(shù)據(jù)，見表2。

表2 調(diào)整后的通風(fēng)功率特征

3.3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

對于表2中各種聯(lián)通方式的通風(fēng)機(jī)工作功率，以自然分風(fēng)的通風(fēng)功率為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)解算模型計(jì)算得到通風(fēng)功率比較，發(fā)現(xiàn)聯(lián)通后形成公共通風(fēng)風(fēng)路，其風(fēng)阻在通風(fēng)系統(tǒng)中總風(fēng)阻所占比例越大，每個風(fēng)井風(fēng)機(jī)及總通風(fēng)功率越大。對于多出自然分風(fēng)通風(fēng)功率這一特征，有了公共通風(fēng)風(fēng)路，2處主通風(fēng)機(jī)處于并聯(lián)方式，每一臺通風(fēng)機(jī)所做的功除了公共風(fēng)路和自身連接風(fēng)路外，多余的功施加到另一臺通風(fēng)機(jī)所在風(fēng)路上。這是因?yàn)閮娠L(fēng)機(jī)風(fēng)路聯(lián)結(jié)處的風(fēng)勢，均小于地面節(jié)點(diǎn)風(fēng)勢，這就形成雙風(fēng)機(jī)“互相對拉”效應(yīng)。由于回風(fēng)段聯(lián)通，當(dāng)公共通風(fēng)段比例增大時，小蘇計(jì)風(fēng)井通風(fēng)的功率有突變，驟然增大，這也是中央回風(fēng)立井通風(fēng)機(jī)額定功率(2×630 kW)遠(yuǎn)大于小蘇計(jì)風(fēng)機(jī)通風(fēng)機(jī)功率(2×355 kW)的緣故。

公共風(fēng)路段風(fēng)阻增大，雖然風(fēng)量有較小變化，但具體反應(yīng)在各通風(fēng)機(jī)工況上，工況點(diǎn)在中央回風(fēng)立井的風(fēng)機(jī)性能曲線上變化小，而在小蘇計(jì)回風(fēng)井通風(fēng)機(jī)性能曲線上變化大。所以相對于中央回風(fēng)立井通風(fēng)功率，小蘇計(jì)風(fēng)井的通風(fēng)功率有明顯的增大。這表明在2臺主通風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時，其公共通風(fēng)段的比例不能太大。

4 結(jié)論

(1)在雙回風(fēng)井風(fēng)機(jī)并聯(lián)通風(fēng)系統(tǒng)中，公共通風(fēng)巷道的風(fēng)阻值在整個系統(tǒng)風(fēng)阻值中所占比重越大，系統(tǒng)的總功率及每一個風(fēng)井風(fēng)機(jī)的功率越大。

(2)以自然分風(fēng)的通風(fēng)功率為基準(zhǔn)，增加的通風(fēng)功率為2套風(fēng)機(jī)相互抵消做功而消耗的功率。

(3)在采區(qū)回風(fēng)段聯(lián)通，由于中央回風(fēng)立井通風(fēng)機(jī)額定功率遠(yuǎn)大于小蘇計(jì)風(fēng)機(jī)通風(fēng)機(jī)功率，因此小蘇計(jì)風(fēng)井的通風(fēng)功率有段明顯驟然增大。