矿井风流的稳定性分析.pdf

i ／, ／矽 x辍x x辍 x l 矿山通风 蛙 一 7 、 矿井风流的稳定性分析 昆 明 工 学 院谢 贤 平 1 5 摘要I本文首先对造成矿井风流不稳定的 豫日进 行了分析，然 后应用棋耦数学者怯， 给出了风波稳 定性隶属函数的构造方法．根据风流稳定性的隶疆虞确定当井巷风阻．自然风压和赢风机工况等日素产 生随机扰动时軎井着 风流的柑对稳定程度．本文为矿井 赢扮稳定性提供了一种定量分析方法． 一 概述 矿井风流的稳定程度，在某种程度上反 映了矿井通风动力和网络结构的合理程度 与 调状况。矿井风漉的 不稳定 性 是 很 复 杂 的，有些现象研究得还不充分 “ ， 已有的工 作也仅局限于特定的角联网络“ ’ ”。在研 究其瞬变过程、 揭示其现象本质的同时， 考察 不 稳定 现象发生的原因 ，对 风流 不稳定 现象 及其严 重程度 加以分析 ，进 而控 制，预防和 消除不稳定 现象 ，这对确保 安全生 产是 十分 必要的 。 二矿井风流不稳定现象的分析 矿井通风的 目的在 于用经济 的方法创造 一 个适宜的工作环境。保持风流的稳定性， 即保持风流的数量和 方向始终 一致 是至为重 要 的。然而 ，实 际上井巷 风流 的 瞬 时 参 数 如风量Q 和风压H 总在 不停 地变 化， 由 于某些随机的因数 ，矿井 风流时均参 数随时 间发生明显的波动 ，在 波动范 围超 过某允 许 值时，称为矿井 风流不稳定 现 象。一般表现 为风量 ，风压的 剧烈跳动 ，某些井 巷风量 的 大幅度增减，某些井巷风流的停风甚至反向 等。本文仅对正常生产时造成矿井风流不稳 定 现象的原 因进行分析 。其 原因基本 上可 以 归 纳为 一 22一 l通风动 力不囊定 1自然风压导致某些井巷风流停滞 或 反向， 一般认为， 机械通风的矿井，扇风机 风压 比自然风压大很 多，所 以自然风压的影 响可以忽珞不计。但这一结论只适合于拥有 一 个入风井 口和一个 排风井 口的矿井 ，对 国 内许多矿井的实测和分析表明，多井 口矿井 要受到自然风压的影响。在一个矿井的榘些 井巷间，当自然风压大于分配在这些井巷的 机槭压差时，会出现风流 反 向。主 要 表现 在①多 井 口入风 的山区矿井 ，在 抽出式通 风的情况下，入风系统各井巷问发生风量显 著变 化或风 流反 向。如 篦子 沟铜矿l O 。 矿体， 夏天由于 自然风压的作用，6 2 4 中段主 井 反 风7 ． 1 5 m ／8 ，副井反风5 ． 5 5 m ／。 }②多井 口排风的 山区矿井 ，在 压入 式通 风 的 情 况 下，排风系统各井巷问发生风量显著变化或 风 流反向。 2扇风机喘振现象的机理尚未彻底 搞清，但风机稳定理论表明此现象仅在下列 条件下发生“ 工提点处于风压特 性 曲 线 W o段上；通风网络具有 足 够 的 容 I 积 ，与扇风机耦舍为一个弹性的 空气动力系 统，整个系统的振荡频率与扇风机风量振荡 频 率合拍。风机喘振现 象的 发生 将导致风机 风压 和风量的周期性下降，甚 至停风，并伴 有 色矿山一1 9 9 2 ． 5 维普资讯 有明显的音响效应和强烈的气流冲击。 3 多 风机联合作业 的相互 干 扰 。同 一 入风井的并联风机具有 “ 抢风”的特点， 因此 总是 相互 削弱风量 。在 特定 的 条件 下， 由于风机之间 ，井巷风阻与风机 不匹配，以 及 共同段风 阻较大 ，甚至会 出现其 中某个风 机停风或反风的现象，例如，对角式主扇中 小主扇停风、反风的条件是 见图 1 H R ； }≥l 。 这里H 和H 分别为大风机 “3 e 风压 和小风机 风压 。 圉 t 尤其是多风机多级 机站 通风 系统 ，第二 与第三级机站辅扇能力的不均衡性，直接影 响采场风滤的稳定性 “ 。 4 关于巷道塌陷，脱水、堵塞、机 车运行等造成的风流局部扰动现象和火灾， 爆破等造成的风流停滞、逆流，冲击现象以 及密闭设施和调节设施的破坏等造成的风流 循环 污染现象 ，均属 于灾变 时期 风流不稳 定 现象，本文 不加 论述。 2 ． 避 风两络 结构不合理 任一井巷的风流由于其它有关井巷风阻 的变化可 以使得它 的风 流方 向相 反，这种风 道称为对角风道。不少矿井韵风 流稳定性较 低，这是因为几乎各种类型的矿井通风系统 均包含有复杂的对角风遭 。苏联 对1 2 2 个 矿井盎行调查，其对 角风道总 数 有 9～3 4 8 条，占风 道 总 数 的3 4 ． 6 ～9 8 ． 4 ，约有 4 3 的矿井有9 O 以上的对 角 风 道，仅 有 1 0 的矿井有小于7 O 的对角风道。 有每矿山- - 1 9 9 2 ． 5 按照风 流的不同类型，可把对 角风道划 分为两类 一 类是 位于进风道与 回风道之间 的对 角风道J 另一 类是 位于相同风流性质的 风道 之间的对 角风道，如进 风道 与进 风道 之 间的或回风道与 回风道 之间的对角风道，并 不 影响风流的稳定性 ，甚 至在 大多 数的通风 网络中，此 种对 角风道 的存在 是有 益的，例 如 图2 对 角风道④一⑤ 可使 得 风 道④一⑥ 和 ⑤ ～◎ 变为 次要风遘 。 由此 可知特 殊的对 角 风道 可作 为改善风 流稳定性的 一种措施。 圉2 用 附加 对角风逋改●风流一定性 对 角风道 风向取决于邻近风道风 阻 比， 不同对角风道的风流稳定程度是不同的，不 同l的井巷对对 角风道稳定性的要求也不同。 同一类型通风 网络 ，由于网络中各风道 风阻的配 比关系不 同，产生风 流反向的难易 程度 也不相 同}不 同类 型的 通风 网络， 由于 风道联接形式不同，在各相应风道风阻配 比 关 系相 同的条件下，风流的稳定 性 也 不 相 同 ‘ “。 三、矿 井风流稳定性的模 糊 评 价 讨论具有N 条风道和J个节点的矿 井 通 风 网锯，它 是一个有 向连 通图G E， V ， l E l N ， l Vl J 。在网络图 G 中选一 颗 生 成 树T V ，E ，罔 日 图G 中 有M NJ 1 条余树支，对应有M个独立回路，由于 矿 井生产上 的要 求，对 网络进 行调 节与控翎 时 ，常把 固定 风量 风道 及装机 风遭 置于余树 支内。风 流稳定性 主要指 固定风量风道和装 机风 道的风流稳定 性。 按余树 支在前 排列的 独立 回 路 矩 阵 为 B [ I B【 2 ] ， 同时 我们 有Q QI Qr 3 “ 。 一 2 3 维普资讯 其 中Q z [ q ，q ⋯q ] 为余树 支 风 量 向 量，Q r [ 铀 铀 ⋯q N ] 为树支风量 向 量 。 由风 量平衡定律得 Q1 3 Q ，亦 即 M q j ∑ b ． J q 。 ，j 1 ，2 ，⋯， N 1 I 置 1 由阻 力定律和 风压 平衡定律，得 N N ∑ b l j r J q J l q j 1 ． ∑ b 【 j P f j P J j l j t P b J 0， i i ， 2 ， ⋯ ， M 2 式 中P r j 、P ． j 、P h j 分 别为风道e j 的风机 风 机风压 、 自然风压和 火风压，r j 为 风道ej 的 风阻。 把 i式 代入2式， 并记f N M M N ∑ b l j r j ∑ b 。 j q ． 1 ∑ b ． j q 。 l 一∑ b j j j l - y 1 1 1 j 1 p r j P。 j Pn j ， i i， 2， ⋯ ， M ， 则 2式 可改 写为 f j Q r ，R，P 0 ， i 1，2， ⋯ ， M 3 如果在 某一稳 定 状 态S l _ ， R c ，P o ’ 下 3式 的J a e o b i 行 列 式 不 为零， 即 k ls c o 】 d q 【 ，q ” ⋯ q N l 则 3式在 S ’ 的某 一邻 域内存在 唯一的 连续偏导 数解q 1 e R，P ， i 1 ，2 ， ⋯，M 4 将 4 式进行泰勒展开并忽略 高 阶 无 穷 小，有 q 。 q [ r 】 ⋯ 普 ⋯ “ 普 一 24 一 口 P z -P - ． ． P N - ] N N q ’ ∑ a | J d r J ∑ B i j d p j j t j t 5 、 l 式 中 普 l 。 为 关 于 r j在 处 、 I 的 偏 导 数 ； 日 f。 。 ，为 q 关 于 p i 在s ‘ 。 ’ 处 的偏导数 } d r j j r 5 。 ’ 为风道 e j 上风阻值在 r j 处 的随机扰 动 Ns ／ m } d p j P j P 5 ”为 风道 。 j 上风压值在 P 5 为 的 随机扰动 p ． ，即为 自然风压 、火 风压 不 稳定 显现及风机喘振 引起 的 扰 动 。a。 j 和 B j 按下式计算 一一 普 - l 普 一 ． ．普 M I - 1 d r | ／ B 【 j 一 t上l ＼d P 一 一 普 d P L 、／ j _ ‘ 式中J t 【 - 。 ，J 2 。 ～，⋯J i 等表 示 r 中位 置为 1 ，i ， 2 ， i ，⋯ M，i 的元 素 。r ’ 为J a e o b i行列式对 应矩 阵的 逆 阵。 如前所述，对网络中任一|风道e j ，如果 确定 两个 数w 5 ” 0和w ’ 0，风道e j 糟 足q 5 。 ’ 一WI ”≤q J ≤q 3 w ， 则称 e 的风流是稳定韵，否则就称为不稳定。 在 分析各风道在风 阻 、风压的变化及其 随机 扰动分布条 件下 ，根 据q j 的波动值，不 妨假设d f 和d p j 均服从正 态分布 如服 从另 一 分布，下列方法 同样 适用 即 d j ～ N ”， aI ，d pj ～ N ，a ，其 中 a5 ，a 5 0， 有 色矿 山 一 1 9 9 2 ． 5 维普资讯 i 1， 2⋯ ，N． 由矿井通风网络的物理原 型 不 难 知道 d r j 和d P j 为2 N 个相互独立的随 机 变 量，由 正态分布 的可靠度 求得q 的分布为 q ～ N ． ， 口】 ， l ， 2 ， ⋯ ， M N N 式 中 ． q ∑ 口 t∑ 13 i lG ；Ⅱ I ， ∑ N 、j l j 皇l 目 随 机 变 量 的 分 布 密 为 q． 一 i 。 击e 根据 可靠 性理 论“’ ， 风道 e 。 的可靠度 为 P 。 J q 一 w ql L 0 。 2 o “●0 dq【 6 且有 0≤P e ≤ 1，i 1， 2 ， ⋯，M． 如 前所述 ，风 流稳定 性 主要 指固定风 量 风道和装机风道的风流稳定 性。因此 由 b 式计算得到的余树支的可靠度数值对 整个网 络的可靠度有重要影响。如要计算周络 G 关 于生成树T的树支的可靠度， 只要把式 5 代入 1，再把式 1表示成d r J 和d P 』 的线性 函数，以下的计算就和余树支的可靠 度计算完全一样了。由于上述计算过程工作 量太，因此本文编制了计算机程序，其 中式 6的值可查表得 ，在程序中是直接用 数 值积 分方 法求得的 。 上述风道 可靠 度的确定 ，为 矿井风 流的 稳定性分析提供了方便。考虑到风流的大小 时，风流的稳定性可看作为一 个 模 糊 的概 念。由于评价风流稳定性的标准及风流稳定 性本身定义没有明确的边界，从而确定了风 有 色矿 山一 1 9 9 2 ． 5 流稳定程度的模糊性。分析某风道风流稳定 性的目的就是求得某风道对风流程度 q j 一 w ≤q ≤q I wj ”这个概 念 符台 到什么程度 。这种 程度 可 以用 [0、 1] 闭 区间上的一个 实数 去度 量它，这 个数就是模 糊数学中 的隶属度 。如果 把可靠度折 台成风 流的隶属 函数，即 r q 。 u e j p e ， I q 一 t O 一 1 ， _ e ” dq 。 - 7 式 中u 为 A的隶属 函数 ，A为论域 即矿井 通风网络的一个模糊子集。u e 表示风 遭e 。 对风流稳定这个 概念的符合程度。 根 据模 糊数 学中以概 率统 计的处理结果 确定隶属函数的原则，这一转换是有救的， 合理的“ o 确定隶属函数后，风流稳定性 便可以从定量上分析。某风道隶属度越大， 风流越稳定 ，隶 属度 越小，风流越不稳定 ， 易受干扰。隶属度值可以从定量上确定矿井 通风网络内各风遘风流的相对稳定程度。 实例图 3所示矿井通风 网络 ‘风机 作抽 出 式工作，型号为 47 2 ～儿型No ． 2 0 ，转 速 为3 1 5 r ／mi n 。风流 上 行 流 动。 l Vj 6， l E1 1 0 ，各风道对 应的风 阻值 N s ／ m “ 0． 0 0 8 ， 0． 0 0 6 5 ， 0． 0 0 2 8 ， 0 ． 0 0 7， D． 0 023 ，0． 10 9，0． 237 ，0． 4 37，0． 2 5 5， O ． 0 3 风机特性方程 为P f 1 一0 ． 0 8 6 9 q 2 ． 7 2 q l 3 9 ． 7 8 1 9 ，风遘e e B ，e 。 风 量 固 定 。 网络 无火 灾时风量分配如 下 m ／s ’ 3 3． O O ， 1 5． 5 8， 1 7． 4 2 ， 1 O ． 2 O ， o． 0 8 ， l O ． 2 8 ， 7 ． 2 2 ， 5 ． 2 0 ， 1 0 ． 3 0， 2 2 ． 7 。 现分析火灾耐各风道的风流稳定性。 选一腰生成树T ，如 图 4 实线部分 。 取 w】 “ 0 ． 2 q 』 ，wj ” o ． 3 qj ， } L J 。 0， 。】 0． 0d， 。』 ～ 2 5一 _ 譬 ． 维普资讯 囝3 某矿井通风嗣鳍圈 ， 圈4生成树T l，j l， 2 ，⋯，l O 。上机计算 得 各 风 遭风流稳定性隶属度u A e 0 ． 1 2 7 4 0 ， 0． 0 4 530 ，o． 02 49 0，0． 01 8 86，0． 0 01 59 ， o ． 3 0 8 0 1 ， 0 ． 4 9 2 5 2 ， 0 ． 3 2 2 7 0 ，o ． 7 4 1 3 3 ， 0 ． 6 2 1 2 7 。 由隶属度知风道e 风流最不稳定，e ． ． 风 流最稳定。固定风 道e ． 最 不 稳 定，e 最 稳 定。 当风道e 发生火灾后 ，主干道 路中风量 增加，旁侧遭路风量 减小甚至反向，与主干 道路相交的风 道e e 。 ，e 8 ，e 冲 ， 由 隶 属 度 知随火灾 的发展 ，风道e 。 首先 反 向，e 。 次 之。火灾 发展 及风量 分配情况如 下 风量 单 位{ m0 ／ s △t 。 9 o o c时 At 0 为火 源 点 温 度 增 量 ， Q 4 3 ． 1 4 ，1 5 ． 9 1 ， 2 7 ． 2 3 ， 一3 ． 3 9 ， 3 ． 9 0 ， o ． 5 1 ， 3 0 ． 6 2 ， o ． 9 3 ， i i． o 8 ， 3 2 ． 6 j △t o 1 3 o o q c时 ，Q 4 6 ． 3 9 ， 1 6 ． 3 3 ， 3 0 ． o 0 ， 一 6． 70 ， 4． 6 0，一 2．1J ，3 6． 76 J o．11 ， l 1 ． 8 6 ， 3】 ． 5 3 。 ～ 2 6 以上说明随火灾发展，风道e 。 风流首先 反向，e 次之，e e 再次之。这与风遭隶 属 度 是对 应的。解算结果 证明 了由风道 隶属度来 判断风流稳定性 是正 确的。在 网络 中，尽管 e 没有 反向， 但它 的风流稳定程度 受干 扰最 大， 例如 当At 。 1 3 0 0 C时，e 中风 量 变 化 率为4 0 1 ． 4 0 ，其它风道 中的风 量变 化率均 小于它。实际上，风流 稳定性是风量和风向 稳定 性的总称。 四、 改进矿 井风流 的稳定性 如 前所述，隶属度值可 以从定量 上确定 矿井通风 网络 内各 风道 风流 的相 对 稳 定 程 度。因此我们容易得到在火灾等灾变情况下 风流的控制方案及控制参数。计算火灾等灾 变时的最佳风流 控制方案及有 效 的 控 制 参 数，关键在于选一颗树。而求得最稳定可靠 的风流控制方案就是 求最 大树 问题 。 在模 糊图中，设T T，u e 是连 通图G G，u e 的一颗生成 树，对于 一 切生成树T ，若有∑ e ≤暑 e ， ● tE T J 日 l5 T J 则称T为G的一颗最 大生 成 树 最 大 树。 ～～ 这 里G ， T 为分别表示模糊图中的连通图 和 树。由此可知，最大树是一j爵风流最稳定的 树，当井下发生火灾时首先要拽列这颗最大 树，然后对晟大树的余树支进行 调 节 与 控 制。一般来说，最 大树应崭 足 1 ． 矿井扇风机所在风道 应选 为余树支} 扇风机能 高效地 ，安垒 地满 足矿 井的需要 ， 而且备部分 的风量和压头损 失应大致相等； 降低共用风道 的风阻，特 别是降低 进风井的 阻力对于保持 主风流 的稳定性 也是一项有效 措施 。 2 ． 发火 风道碰 选为 余树 支，只有当发火 风遭 中任一 点均不 可安置调节 器时才选 为树 支。 3 ． 所 选树稳 定 性 应 最 大， 即 应 满 足 2 昀 。 一 山 矿 色 有 ≤ 卜 B 维普资讯 纸 ，饧 槔 ，1秒乡 7 一 i 探 索 在 地 下 矿 山 采 用 同 轴 漏 泄 电 缆 传播UHF 波的无线 电通信系统 北京有色冶金设计研究总院 哇 二 。 摘要 i本文筒要地阐述了u H F 靛在矿井巷蘸和同轴涌泄电维的停输特性 提出了一个利用同轴浔 泄 电缆传播UHF 波的地下矿山无线电通信新系统。并筒违了系统的基本设置情 ． 一 、引言 漏泄 通信因具有比感应通 信抗 干扰 能力 强 、传输距离远 ，通信方式灵活等优 点而在 地下矿山管理流动作业人员方面大受重视。 国内外漏泄通信系统目前 普 遍 采 用3 0 6 0 MH Z 波作为载波， ‘ 系统频带较 窄，通 信 容 量有限}并且在远距离传送时使用的中继器 较多，降低了系统的可 靠 性。 一般 在 每 5 0 0 m设一个中继器。由于超高频 U H F 波在铺有商轴漏泄 电缆的巷遭中的 良好传播 特性，使得设计一种性能更好的新系统成为 可 能 鬻 麓 嚣≮ 鬻 t 麓鬻 】0 X鬻 t 由最大树确定的控制方案是 稳 定 可 靠 这方面闽题的研究有待深入进行。 的控制参数的计算方法及调控方法是目前 研 究的主要课题 。 参考文献 五、 结论 1 ． 本文深入分析了矿井风藏的稳定性， 把 矿井风流稳定性概念从 只分析风 流方 向稳 定性推广到既考虑风向又考虑风量的稳定性 上来。风流稳定性是风向和风量稳定性的总 称。 2 ． 由风流稳 定性隶属 函数式 7可正 确评价 阿络 中各 风道 风流 的相对稳 定程度 ， 这种对矿井风 流稳 定性 的定 量评价 方法深入 考虑 了井巷风 阻， 自然风压和 扇风 机工 况等 因素产生的 随机扰动 ，直观全 面，易于在 实 际中应用 。 3 ． 井下发生火灾时，选择一颗最大树所 得 刘的控 嗣参 数及控制 方案稳定可靠。关于 有 色矿 山一 一 1 9 9 2 ． 5 I赵i 孥 虚等． 有色盘j I 矿山 郭 分． 1 9 9 l I ．3 9 42 2王荚敏 ． 冶金安垒． I 钾0 4 ， 5 o 一5 5 9藏 国权 煤炭学报 ． 1 9 7 9 1 3 2 9 4黄元平等． 煤炭学报． 1 9 8 4 2 ．3 j 一4 4 8白铭声． 矿井通风机设备运行与组合设计． 北京，煤 炭 工皿 出版社 ．1 9 8 7，6 2 6 9 6赵i 孥 成． 有色盒属． 1 9 8 “／ 4 2 6 3 1 7葛云生等． 冶盘安宝 ． 1 9 8 1 1 ． 4 一l 2 8李恕和等．矿井通风网垂 苦 匿论． 北京煤炭工 业 出 版 社 ．1 9 8 4 ． 4 8 -- 8 8．1 3 5 一 l 3 9 ． 9曹晋华等． 可靠性数学目 【 论 ． 北家 科学出糖社 ． I e 8 B ． 8 8 一 l 2 8． 1 o贺仲雄 ． 辏鞘数学殛其应用． 天津 天津科学 技术 出 版社 ．1 8 9 3 ． 1 7 9 ． 责任编辑解忠 2 7 秣 * m 避 一 电～ 一 机一 I 一 矿一 辩 甄 维普资讯