巷道通风过程的数学模型.pdf

2 0 0 1年 5月 第 3 0卷第 3期 有色矿山 Nonf e r r o us M i ne s M a y， 2001 V0 l 30 No． 3 巷道 通 风 过程 的数学 模型 暨 朝 颂 北 京 科技 大 学 ． 北 京 1 0 0 0 8 3 [ 关 键 词 ]巷 道 通 风 过 程 ；巷 道通 风 长 度 ；巷道 炮 烟 污染 长 度 比 【 摘要 ]本文 用作 者 的矿 井 通 风基 础理 论 巷 道中 风 流速 度 的 分布 函数 ． 建 立 了 巷道 通 风 过 程 的数 学 模 型 ， 并 用 前 的工 业 实验 公 式进 行 了 论证 ． 可 用 来计 算 贯 通 巷 道 型 采 场 ， 独 头 巷 道 的 压人 式 、 抽 出式和 混 合 式通 风 的 风 量计 算 。 [ 中国 分类 号 】“ [ 1 3 7 2 2 [ 文 献标 识 码 ]A[ 文 章 编号 ]1 0 0 2 ． 8 9 5 1 2 0 0 1 0 3 ． 0 0 0 1 ． 0 4 M at he m a t i c a l m o d e l of t u nne l v e nt i l at i o n pr oc e s s J I Ch a o s o n g Be i j i n g Un i v e r s i t y o f＆i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，B e S i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ke y wo r d s t u n n e l v e nt i l a t i o n p r o c e s s ；v e nt i l a t i o n l e n g t h o f t u n n e l ；l e n g t h r a t i o o f t u n n e l p o l l u t e d b y b l a s t i n g s mo ke Ab s t r a c t By t h e u s e O f a u t h e r s f u n d a me n t a l t h e o r y o f mi n e v e n t i l a t i o r r 一 d i s t b u t i o n f u n c t n 0 f a i r fl o w v e l o c i t y i n t u n n e 1 ．a ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t u n n e l v e n t i l a t i o n p r o c e s s wa s f 0 u n d e d a n d d e mo n s t r a t e d b y e x p e r i me n t a l f o r mu l a s o f p r e d e c e s s or s I t c a n b e u s e d t o c a l c u l a t e t h e a i r q u a n t i t y o f v e n t i l a t i o n i n s top e wi t h p e n e t r a t i ng t u n n e l a n d b l i n d h e a d i n g wi t h f o r c i n g， e x h a u s t o r c o m bi na t i on s ys l e m ． 1前 言 长期 以来 ， 人 们渴 望 求 得 一种 既 有 理 论 可循 ， 又有 实践 可依的矿 井风量计 算公式 ， 但 由于认识 的局 限 性 ， 致 使 建 立 的理 论 是 错 误 的理论 ， 完 成 的实践是狭 隘 的实践， 得 不到 理 论与实践 统一 的结 果 。鉴 于此 ， 作 者 总 结 了 前人的经验 教 训 ， 试 图将 巷道 的通 风 排 污过 程 概括成 一个数学 模型 ， 发 表 了“ 采掘 作业 面 通风过 程 的研究 ” 一文 。 但 由于其 中贯通 巷道 通风过 程 的理论 公式 未 能用 实 验 加 以证 明， [ 收 稿 日期 ]2 0 0 0 ． 0 8 ． 0 2 【 作 者 简介 ]暨朝 颂 1 9 2 8一 ， 男 ， 湖 南 社 I 阳 人 北 京 科技 大 学教 授 。 故 无法 明确提 出“ 数 学模 型” 的概念 。为 了圆 满这一 想法 ， 特 作此 文 。 2 巷道通风过程数学模型的建立 本 着从个别 到 一 般 的 法则 ， 首 先研 究贯 通巷道 的通风排 污过 程。 贯通 巷 道 型 的采 场 通 风 过 程 如 图 1所 示。爆破 作业 后 ， 炮烟 抛掷 带长 度 为 L m， 巷 道 的通风 长度为 ￡ m， t 用 下式 计算 圉 1 贯通巷道型采蛹的通风过程 霾 一 ～ 维普资讯 2 有色矿山 2 0 0 1正 L0 式 中 z 爆 破 电或 装 药 质 心 至 回风 道 的 距 离． m； L 采场 中无 风流 时 的炮烟 抛掷 带 长 度， m， 其 长度按下 式计算 1 二 次爆 破时 ⋯ Ln5 4 A。 2 式 中 A 爆 破时 的炸药量 ， k g ； 2 浅 眼爆 破落 矿时 J L KA 2 2． 5 2 式 中 K 实验 系数 ， 取 0 ． 3 由于采 场中存 在 贯 通 风 流． 故 实 际炮 烟 抛掷长 度为 LLnk v r 3 式 中 采 场断 面 风流 速 度分 布 系 数 。 取 1． 2； 采 场 断 面 平 均 风 速 。 设 计 时 取 0． 2～0． 2 5m／ s ； r一 第 一炮 点 炮 至 最 后 一炮 响 炮 的 时 问 ． s 。 巷遭 断面上 的风流速 度接作 者的理论 公 式 分布Ⅲ r r 一 ] l 1 _ 2 _ 5 十 4 ． 6 4 一a l _ r u m 4 式 中 一巷道 断面上 某点 的风速 。 m／ s ； r 巷道轴 心 线至该 点的距离 ． m； Y O 巷道 断面 的折 算 半径 ， m； n 巷道 的摩擦 阻力 系数， N s 2 ／ ； 巷 道断 面的平均 风速 。 m／ s 。 当巷道 通 风某 一段 时 间 t ． 炮 烟 的两 个 端 面都按 4 式的规 律相应 位 移一 段距 离． 即 a Ma位移后 变成 a M a 的锥面 ． b Nb变成 b N 。 b。从 图 1可 以看 出。 此时 炮 烟云 峰 到达 c M “ c的断面 处。如果 c M c断面上 的有毒气 体 降到 许可浓 度， 则该 段 巷道 实际上 是整个 巷道 的通 风过 程 即算 结 柬。 从图 1还可 以看出 ， 此 时 M 点的炮烟 质 点位 移到 M 点 ， E 点的 移到 E 点， 根据 4 式 则有 _m “ 1 2 ． 1 口 f L ￡ l 1 2 ． 5 4 ． 6 1 一 5 令 12 ． 1√ r d- ； Y 1 2． 5 ； 4 ． 6 代 入 5 式 ， 并 用 第 一 式 除 第 二 式 ， 则 得 l r _ r0 至 二丝 兰 二 兰 Y 二【 f 二 二墨 l f 2 2 6 式 中[ Y 一 ] 0； r 等， 称巷道炮烟污染长度比。 从 图 1还 可以看 出 。 c M c断 面上 的有 毒 气体 浓度有 下面的关 系式 r 。 7 式 中r为 巷道 c M 断 面 的 有 毒气 体 平 均 浓 度 ； c o为炮烟 的初始浓 度。 c 。 西A b1 0 0 ％ 8 式 中 6 每公 斤 炸 药产 生的 有 毒气 体 量， m ／ k s； S 巷道 的 断 面 积 ， 。 将 7 式代 入 6 式， 公 式 两边 分 别乘 以 S Q O 表 风 量 ，m ／ s 和 丢 表 示 的 平 均 风 速 。 并设 口0 ． 0 1 7 ． 得 。 3． 43． L z S ， , I c o 9 式 中 ≤ o ． 8 5 ，如 果n 0 ． 8 5 。 则 取 -． 0． 8 5； 校正系 数。 9 式 为修 正后 贯 通 巷道 型采 场 的 风 量 计算公 式。如果 将常 用校 正 系 数 1 ． 2代 八 9 式 ． 则 维普资讯 第 3期 暨 朝颁 巷道 通 风过 程 的数 学模 型 3 。 1 一 竽 1 o 1 0 式 即 为巷道 通 风 过 程 的数 学 模 型。 下面将根 据不 同条 件． 对 1 0 式 进行 论证 。 3 巷 道通风过程 数学模型的论证 3 ． 1 贯通 巷道 型采 场 的通风过 程 下面 引用阿列 科夫的 实测资料 和实验公 式 来说 明“ 数学 模型” 1 O 式 在贯通 巷道 型采 场通风 中的实用价值 。阿列 科夫的实验 是在 电耙道 中做 的_ 1 l ， 其 条 件 是 二 次 爆 破 作 业 前 ， 在 电耙道 中进行 过 空白对 照测 定， 证 明放 矿 时无 炮烟 从 矿 房 泄 入 电 耙道 ； 折 算 成 c o 的有毒气 体 的 测 定 精度 为 o ． 0 0 1 ％ ； 二 次爆 破后， 在 电耙道 的 回 风风 流 中测 定有 毒 气 体 浓度的变 化过程 ， 测得 的数据 标在方格纸 上 ， 如图 2所 示 。 图 2表 示二 次爆 破 后 电耙道 通 风时 。 一 氧化碳 初始浓度与 当前 浓度之 比值 跟换 风 系数 j的关 系 图。 、 6 蒸 宝 2 j } { { f ； I l l } l ； l } i． ； 1 f } l l I 1} ] I l i l 1； f I l l I ／r l l i } I l J l I l l j l I l l 2 0 4 0 60 8 0 1 0 0 CO的浓 度 比 图 2 C O 的浓 度 比 与换 凤 系裁 f的关 系 图 根据 图 2的实验 点， 用 回归 法拟 合成 下 面的方 程 o． 6 2 c o 1 1 考虑到 J LQs． t ，故 1 L 式可写成 。 0_ 6 2 L ￡ S ／ c f o 1 2 1 2 式 为 电耙道 通 风 过程 的实 验公 式 。 从阿 氏的资 料可 以看 出． 电耙道 的 通 风长 度 z即 为 炮 烟 抛 掷 带 长 度 L。按 照 前 面 的 约 定 ， 当 0 ． 8 5时 ， 取 0 ． 8 5 ， 将 其 代 入 1 o 式， 得 。 0_ 6 L f s ／ c o 1 3 1 3 式 为 贯通 巷 道 通 风 过 程 的 理 论 公 式 比较 1 3 和 1 2 式， 可以看 出， 两者相差 无 几。 说 明“ 数 学 模型 ” 1 0 式 完 全能 满 足贯 通 巷道 型 采 场通 风 的 要 求 。 同 时 还 必 须 指 出， 由于 阿氏的 实验未 考虑 z L和 z Ls L 5表 示采 场 长 度 且 z L 时， 或 者 当 ≤ L 且 ． z Ls且 ≥ L 1 O 式按常 规计 算 。 3． 2独头巷道 的压 人式通风 过程 为了验证 1 O 式 的“ 数学 模型 ” 能 否符合 独头 巷道 压入 式 通 风 条 件 的客 观 实际 ． 可 引 用半 个世纪前 克雪 诺芬托 娃等人 在试验平 窿 中做 的 试 验 L 4 J 试 验 平 窿 长 2 6 5 m， 断 面 积 3 ． 6 m ， 炮烟 抛掷 带 长 度 L2 0 m， 炮烟 污 染 长度 比 一0． 0 7 由于 值 相 对 很 小， 忽 略 不计 。将这 些数据 代入 “ 数学 模型 ” 1 O 式 ， 得 。 一 芳 了1 一Y ／ c o 了1⋯ 式 中，V z S。[ 注 独 头巷 道 的 L L K A 1 5 ， K 取值 0 ． 2 ～1 ] 将上式 与克 氏的实验公 式[ 0 5 J C o ． 了1 1 5 相 比较 ， 不难看 出． 两 者在形 式和 内容上 都相 同 。但 由于 克 氏是 在 2 6 5 m 平 窿 中 做 的 试 验 ， 1 5 式有 局 限性 。 因为 1 4 式 的第 二式 和 1 5 式 只是 1 O 式 的特 式， 当巷 道 z大 于 维普资讯 4 有色矿山 2 0 0 1芷 或 小于 2 6 5 m 时 ， 这 两式 两 边 的 量纲 就 不 相 等 了 它们 的 右边 缺 一 项具 有量 纲 的 复合 变 量 L t 。 1 0 式 则 为一 普 适公 式 ， 可用 来 计算任何 长度巷道 的压入 式通 风过程。 从 1 0 式可 以看 出， 随着 值 的 不断 减 小 ， 即 随着巷道 的不 断增 长 ， 巷道 长度对 风量 的影 响将 越 来 越 小 ， 只 要 c M c断 面 上 的 有 毒气 体 降到 许 可浓 度 ， 整个 巷 道 的通 风 过 程 即算结 束， 而 无 需考 虑 巷道 的长 度 因 素。 在 实际工 作 中， 只 需将 0 ． 8 5时 ， 取 0 、 8 5 。 将 此 值代入 1 0 式 。 得 Q 0 ． 6 竽 1 7 将 其与 克氏的 独头巷道 抽出式通 风过 程 的实验 公式 _ 4 Q _ 0 _ 6 学J 1 8 相 比较 ， 可 以看 出， 两者 无论形 式和 内容 完全 相 同 ， 故 证 明 1 0 式是 独 头巷 道抽 出式通 风 过 程的一般 表达式 。 3． 4 独 头巷 道 的混合式 通风过 程 众所周 知， 在中 国的金属 矿 山中 ， 常采 用 混合式通 风方法 ， 且不设遮 断风墙 或风幛 。 其 中抽 出式 风机 风管 吸入 口一般 布置在炮 烟 抛 掷 带外 端面 附近 ， 压入 式风 机 风 管 吸 风 口离抽 出 式风 机 风管 吸风 口之 外 侧 超 过 1 0 m。显 然． 巷 道 的 炮 烟 污染 长 度 被 限 制 在 抽 出式 风机 风管 吸风 口至 作业 面 的一段 距 离 内， 即 值接 近 1 。依照前 面的约 定 ， 取 0 ． 8 5 。将此 n值 代 入 1 0 式 ， 即 可 求得 压入式风 机 的送 风量 为 0． 6 L ， S ．／ c o 1 9 为了保证两 风 机 间无 污风 循 环， 故 抽 出 式风机 的风量要 比 Q 太 1 0 ％ ～1 5 ％。 将 1 9 式 与 克 氏 混 合 式 通 风 风 量 公 式 4 ] Qb0． 5 L f 1 S ／ c c o 2 0 相 比较 式 中 L， 遮断风 墙至作 业面 的距 离 ， 可以看 出， 两 者是 极 其接 近 的。 必须 指 出， 2 0 式 中的 L S表示遮 断风墙 所 限制 的 炮烟 污染 空 间， 1 9 式 的 Ls 则表 示炮 烟抛 掷 带 的污染 空 间， 由于无风 墙阻断 ， 故风 量系 数 偏大 一点是 合 理 的。 可 见， 1 0 式 仍 是 独 头 巷道混合 式通风 过程 的一般表 达式 。 另外 ， 在 中国矿 山的实 际工 作 中， 抽 出式 风机 风管 吸入 口往 往离炮烟 抛掷带 外端面 很远 布 置 ， 需 要 根 据 具 体情 况 计 算 值 ， 再 代 入 1 0 式计 算， 这 是 克 氏公式 无 法解决 的 问题 。 综上所 述， 已用 实 际 资料 证 明了这 样 一 条 定理 只要根 据 采掘 作业面 的条 件， 确定巷 道炮烟污染长度比 的值， 按约定的方法代 入 1 0 式 ， 即可求 得 贯通 巷 道 型 采场 的通 风 过 程 、 独头 巷道 压入式通风 过程 、 独 头巷道抽 出式通风过 程 和独 头 巷道 混 合 式 通风 过 程 ． 显 然， 1 0 式 就是 矿 山巷 道通 风过 程的 数 学 模 型。 4结 束 语 1 本文建 立的巷道 通 风过 程 的数学 模 型 已为前人 各家 的实验 公式 所证 明。 它 是 巷 道通风过 程 的理论 与 实践 统一 的最 佳方法 。 下 转 第 8万 维普资讯 8 有色矿山 2 0 0 1拄 障， 杂物 堵 给 矿 机 排 料 口， 胶 带运 输 机 托 辊 坏 ， 大 块卡 口， 胶带 跑偏 ， 杂 物卡 口， 开拓 运输 系统不 畅， 挖 掘机作业 不畅 ， 车 队作业不 畅 。 5结 论 故障树 分析法 可 以用来对 采矿工 艺运输 系统 进行 可靠性分 析 ， 能为 系统 的改进 ． 提供 重要 的信 息。 虽然 可 以通过对 系统各 环节进 行分析 ， 统 计 出各 种 原 因 引起 故 障 的 比例 及 所 占时 间 的长 短 但 很 难 指 出各 种 原 因的 变 化对整 个工 艺 系统故 障 的 影响 程 度， 而 影 响 因素所 占 的 比例 及影 响 时 间的 长 短， 又 不能 说明该 因素 的 影响 程度 ， 用 故障 树 法 可 以 扶 系统 整体结构 上进行分 析 ， 说 明这些 同题 ， 就 本文 中的例子 而言， 为提 高系统 的可靠性 ， 可 从 以下 几个方面 进行改 进和 提高 。 1 对胶带 运输 机 的胶 带 部分 重 点进 行 上 接 第 4万 2 “ 数学 模 型 能包 含实验 公 式的各 个 方面 ， 而后者 则 由于其 局 限性 而 无 法包 含前 者， 说 明“ 数学模型 ” 优 于实验 公式 。 3 由“ 数学 模型” 的 建立和 论 证可 看 出， 无论是 独 头 巷道 ， 还 是 贯 通 巷道 ， 也 不 管 是哪 种通风 方式 ， 巷 道 的通 风 排 污机 理 都 是 相 同 的 4 在 建立 “ 数学 模 型” 的过 程 中 ． 出 现 了巷道 炮烟 污染 长度 此 的新 概 念 ， 它 反 映 了 通风前 的巷道 污 染 状 况， 是 区分 不 同通 风过 程 的 一 个 准 则 。 5 贯 通 巷道 中 炮 烟 污 染 的 长 度 可 小 于 、 等 于或大 于巷道 的通 风长度 ， 巷 道通 风长 度也 可大 于 采场 长度 ， 只有 考 虑 这些 实际 情 况后 ， 才能 在风 量计 算 中 既 可扣 除 已排 入 回 维护 或进行 更换 ， 从 故障 树 的 数值 分 析 中可 以看 出， 这 是 影响 半连 续 工艺 正 常 工 作 的第 一 位 原 因 。 2 加强 设 备 的 维修 和检 测 ， 及 时 发 现 问题 ， 保证 设备 的 正常运转 。 3 防止大块及杂物进入料仓． 加强采 场块 度管理 ， 并及 时清除 杂物。 [ 参 考文献 】 [ 1 ] 彭世 济 ， 张 达 贤 ． 习永 峰 ． 露 天 矿 连续 和 半 连续 开采 工 艺 [ M ]北 京 煤 炭 工 业 出 版社 ． 1 9 9 1 2 ] 张达 贤 ． 张 幼 蒂露 天 采 矿 新 工 艺 [ M 镣 l州 中国矿 业 大学 出版社 ， 1 9 9 2 ．3 ] B B 赫 罗宁， 彭 世济 露天 矿设计理论 与优化 方 法 [ M ]徐 l州 中 国矿 业 大 学 出 版社 1 9 9 6 4 ] 机 械 工 业 部 生 产 管 理 局事 故 树 分 析 与 应 用 [ M]北 京 机 械 工业 出版社 ． 1 9 8 6 ． [ 5 ] 邹 捷事故 树 分 析 与 预 测 方 法 [ M] 辽 宁 航 空 工业 劳 动保 护 宣 传教 育 中心 ． 1 9 8 3 风道 的炮 烟 ，叉不 忽 略 涌 A 进 风道 的 炮 烟 。 阿列科 夫的 实验 公式 未 全面考 虑 这 些 因 素 ， 所 以它有局 限性 ， 沃洛 宁 的理 论 公 式 则根 本 不考虑 这些 因素， 所 以它是 错误 的公式 。 [ 参考 文献 】 [ 1 A r A e K e e B n唧T 口 肿a H H e r o p H r o B cKp e ne p o B a e r l p Ⅱ HC T e Me 3 KHO T O 0 6 p y 1 1 H H p y Fo p e y p H a H 1 9 6 2 ． 3 [ 2 C中 I l e r t e ．i e a ． r A Pa A q e K 。 yc T a H【 ] B HH e Ho pM I m c xo ,,a e o3 yxa 胂 r t p oB e r p r maan e B p 臼 6 0T 0 K H a p y , H I 4 K aX AJI M A ATA 、 195 7 [ 3 暨 朝 颂采 掘 作业 面 通 风 过 程 的 研 究 [ J ] 有 色金 属 季 刊 ， 1 9 9 6 ， 3 1 7 ； 4 1 9． 【 4 J A E Kc e ml o ti 0 o w r o a a ．A m．B o p o n a e Ⅱ p 0 B 町 H船 H He r ny xx B b I p a O c r o n yT Ⅱe T e xH3 ⅡaT ．1 947 维普资讯