盘江月亮田煤矿通风网路稳定性研究.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 盘江月亮田煤矿通风网路稳定性研究盘江月亮田煤矿通风网路稳定性研究 杨荣，张人伟** 作者简介杨荣，1987-，女，火灾防治理论与技术，消防工程。 通信联系人张人伟，（1958-），男，副教授，火灾防治理论与技术，通风与空调技术，消防工程. E-mail 596346392 （中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116） 摘要摘要月亮田矿是高瓦斯矿井，瓦斯不易抽放，因此通风成为消除瓦斯积聚的重要手段。矿5 井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，对矿井的安全生产、经济效益、防灾抗灾起着 重要作用。 通过分析月亮田矿风网现状， 引入风流功率指标概念， 对风流稳定级别进行划分， 确定各分支的风流稳定程度，对于不稳定的风流分支进行分析。根据该矿的通风网络图，引 入风量敏感度分析方法， 分析该矿角联分支的稳定性。 针对该矿稳定性和安全性比较差的关 键角联分支，采取可行有效的方案控制其稳定性，然后通过网络解算检验哪种方案可行。 10 关键词关键词安全工程；矿井通风系统；风流功率；角联分支；风量敏感度 中图分类号中图分类号TD726 Study on stability of ventilation network of Yue-liang-tian mine in Panjiang 15 YANG Rong, ZHANG Renwei Safety Engineering School,China University of Mining and Technology, JiangSu XuZhou 221116 Abstract Yue liangtian mine is a mine with high gas, gas drainage is not easy, so ventilation as an important means to eliminate gas accumulation. Mine ventilation system is an important part of 20 the production system to ensure production safety, economic benefits, disaster prevention and resilience. This paper throw analyzing the mine ventilation system, use the concept of airflow power to divide the airflow stability, and then analyze unstable branches. According to ventilation network of Yue liangtian mine, the sensibility degree of air volume are introduced to analyze the stability of the diagonal branch. By taking measures, the system resistance is reduced and the 25 possibility of gas accumulation decreased. Keywords safety engineering; mine ventilation system; airflow power; diagonal branch; sensibility degree of air volume 0 引言引言 30 矿井通风在矿井生产中占据重要位置， 通风状况的好坏关系到井下人员的安全及生产的 安全。井下通风状况是不断变化的，为掌握这种变化规律及程度，就需要研究变化的难易程 度及变化量的大小， 即对矿井通风网络的稳定性进行分析。 矿井风流的运动参数随时间发生 变化，且变化范围超过某允许值时，这种现象就称为不稳定现象。通常表现为风量、风压的 剧烈变化， 某些分支风流的大幅度增减甚至停风反向等。 月亮田矿矿井开拓方式为斜井开拓，35 采煤方式为走向长壁后退式， 顶板管理为全部垮落法管理顶板。 井田划分为南一采区和南三 采区，南一采区有 1 个回采面，111219 综采工作面；5 个掘进面，北一进风巷、北翼 181 煤层 1 号探巷、主斜井下段、1118117 运输巷和 1118117 回风巷。南三采区有 1 个回采面， 1318116 综采工作面；4 个掘进面，1300 石门、23 通风上山、13617 运输切巷和 13617 回风 切巷。根据月亮田矿的通风网络图，可以找出 28 条角联分支[1]，其中井下用风地点角联有 640 条。 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 1 通风网络稳定性通风网络稳定性 1.1 通风网络稳定性的影响因素通风网络稳定性的影响因素 矿井通风系统工作不稳定在井下生产中是比较常见的现象， 造成不稳定的原因是多方面 的，主要如图 1 所示。通风网络结构不合理的影响因素是风流短路与角联分支不稳定，所以45 研究月亮田矿风网稳定性，必须进行角联分支的研究。 月亮田矿是高瓦斯矿井，瓦斯含量较高，不易抽放，而通风动力的不稳定影响因素主要 有风机喘振，多风机相互干扰，瓦斯突出等，所以瓦斯突出是月亮田矿存在的问题。该矿工 作面采取 U 型通风方式，上隅角易积存瓦斯，井下瓦斯浓度如果超过 50，能致人窒息死 亡，因此在研究该矿通风系统稳定性时，应注意瓦斯突出因素。 50 图 1 风流不稳定影响因素 Table1 Influence factors of airflow instability 1.2 风网稳定性基本理论风网稳定性基本理论 55 当通风网络中某条分支的风阻值 i r有增量 i rΔ时，它对其它风路 j e的风量值 j q产生的影 响表示为 j f， j f反映了风流稳定程度，表达式如下 i r jj fqΔ ∝ （1） Q j jj j fq q （2） 式中 j q为网络无风阻变化时，第 j 条风路的风量值；Qj为网络有风阻变化时，风阻60 变化后第 j 条风路的风量值； j f为在第 i 条风路的风阻变化下， 第 j 条风路的风流稳定系数。 - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 从上式可以看出，当 j f值接近 l 时，风路的风流稳定程度就比较好；当 j f为负值时， 风路的稳定程度就较差，风流方向发生变化；当 j f值落在一个区间时（用风地点的风量不 超限），风流稳定程度也不错，风量可在相应范围变化。 1.3 风流功率指标风流功率指标 65 在电工学中，通常用功率 P 来表示电能消耗情况。而电工学中电压、电流与电阻三者之 间的关系类似于矿井通风中的风压、 风量与风阻三者的关系， 因此我们也可以用一个类似指 标表示风网中能量损耗，即风流功率指标 Z，具体可用下式计算 Zh Q Δ （3） 式中Z 为区段风流功率，W；hΔ为区段压能损失，Pa；Q 为通风区段中风量，m3/s。 70 通过计算风网各分支功率损耗情况， 可以分析其稳定性和通风系统的合理性。 风流的稳 定性可以根据功率指标划分为 6000, 12006000, 2401200, Z Z Z Z ≥ ≤ ≤ ≤ ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪⎩ 很稳定 稳定 较稳定 50240，弱稳定 Z50，不稳定 通过实测的月亮田矿各分支的阻力， 再根据风量算出各分支的风流功率， 从而判断其稳 定性。结果表明月亮田矿总体来说各分支风流功率较大，通风网络比较稳定，只是有些分支75 风流功率过小，为不稳定风流，应该采取一定措施。 2 通风系统的敏感性分析通风系统的敏感性分析 根据月亮田矿通风网络图， 以及实际通风观测资料和通风网络解算结果， 可以发现该矿 井通风网络中存在一部分风流不稳定的角联分支。 由于月亮田矿是一个复杂通风网络， 单凭 经验来解决复杂角联风流稳定性问题的难度比较大。 因此要分析该矿角联分支的稳定性， 我80 们引入了风流敏感度[2]分析方法。 风流敏感度反映了某分支参数的变化对其它分支的影响，之间有个影响与被影响的关 系。它有两种分析方法风量敏感度和风压敏感度分析法，效果是一样的，这里采用风量敏 感度分析方法研究该矿角联分支的稳定性，它可以定量确定分支之间的影响与被影响程度。 要保证某角联分支的稳定性，只要通过风量敏感性分析，找出影响其稳定的关键分支，从而85 在关键分支上采取可行的调节措施。 此外， 该方法不管是对于简单风网还是对于复杂风网都 适用。 2.1 角联分支调节角联分支调节 把角联分支从网络中独立出来就具有如图 2 所示形式。包含角联分支 5 的通路①② ⑤⑥称为角联分支的正向导线；包含反向后的分支通路④⑤②③称为角联分支的反向90 导线。 在一个复杂通风网络中， 要靠搜索全部通路的方法找出每个角联分支的正向导线和反 向导线是不容易的。但如果利用 MVSMine Ventilation System软件，进行风量敏感度分析 则可以快速找到影响它的关键分支。 在风量敏感度矩阵对应于角联分支的行中， 风量敏感度0Δ〈时， 属于正向导线；0Δ〉时， - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 属于反向导线。一般都是在正向导线实施减阻，这样会使角联分支的风量增大，或者在反向95 导线上实施增阻，效果也同样，只是会增大矿井总风阻。因此，在对角联分支增强稳定性调 节时，首先考虑在正向导线寻找调节分支，按敏感度由大到小寻找，若没有调节存在，则考 虑在反向导线寻找可行分支。 100 图 2 角联分支附近的局部网络 Figure2 Local network near diagonal branch 105 2.2 风流敏感性的基本概念风流敏感性的基本概念 通风网络的敏感性可用风量敏感度来度量。 风量敏感度是指风网中某分支风阻的变化引 起其它分支风量变化发生的难易程度[3]。记为 11121 21222 12 ... ............ ... n n nnnn n n δδδ δδδ δδδ ⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥ Δ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎣⎦ . . . ，其中 d d Q R Δ ， ij δ为第 i 分支风量对第 j 分支风阻变化110 的敏感度， i ij j q r δ ∂ ∂ 。 2.3 风流敏感性的计算原理风流敏感性的计算原理 通风网络稳态时的状态方程[4]可用如下矩阵方程描述 ,,0 TT xcnxxCn f Q HHCR C QC QCHH ℑ ℑ − （4） 式中C为网络基本回路矩阵；R为网络分支风阻列向量； x Q为余树分支风量列向量；115 C H为网络分支调接压力列向量； n H为回路自然风压列向量；ℑ为由列向量构成的对角矩 阵。 将（4）式对风阻求导，即 dd 0 dd x x Qfff RRQR ∂∂ ∂∂ （5） 那么 120 1 TTTT x xx x dQdQf CCCI C QC Q dRdRQ − ℑ ⎛⎞∂ Δ − ⎜⎟ ∂ ⎝⎠ （6） 当风机分支为独立分支且不考虑自然风压和除风机外的控制设施对风量的导数时 3 4 1 23 4 56 1 2 5 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 2 f TT x xx H f CR C QC QQ ℑ ℑ ∂ ∂ − ∂∂ （7） 上式为正定矩阵，在风机合理工作范围内，0 fi xi h q ∂ ∂ 成立。它的逆矩阵也是存在的。因 此，由式（6）即可计算得到通风网络的风量敏感度矩阵。 125 对于大规模复杂的通风网络， 用人工计算风量敏感度矩阵是相当困难的。 本文利用 MVS 软件计算月亮田矿风网的风量敏感度矩阵。 3 月亮田矿的稳定性评价月亮田矿的稳定性评价 根据月亮田矿的通风网络图， 可以找出 28 条角联分支， 其中井下用风地点角联有 6 条。 井下用风点主要包括工作面、掘进面、运输巷道等。找出角联分支后，对其进行风流功率130 计算，判断其稳定性，并根据风量敏感性分析结果找出其对应的敏感调节分支[5-6]。 角联分支的风流稳定主要由该分支两端压差决定，压差越小角联分支越不稳定[7]。小压 差的角联分支容易受各种因素干扰，如风门的开关、瓦斯的积聚、运输设备的开停、自然风 压变化等，可能出现风流反向和停滞现象。它在风量上表现为微风，微风的巷道不一定是不 稳定的。 135 北翼辅助回风（17 分支）就是月亮田矿稳定性和安全性比较差的角联分支，为了使通 风系统更加稳定， 预防瓦斯积聚现象， 保证矿井安全生产， 特对此角联分支提出控制性措施 北翼辅助回风 17 分支长度为 123.5m，断面为 5.97m2，北翼辅助回风上山 16 分支长度 为 153.4m，断面为 5.97 m2，阻力为 104.7Pa，联络巷 82 分支长度为 119.4m，断面为 4 m2， 并设有通风设施，如图 3 所示。 140 图 3 17 分支示意图 Figure3 Schematic diagram of 17 branch 经计算，17 分支的风流功率很小，说明它安全稳定性较差，由风流敏感性分析结果可145 知，调节分支 16 分支位于 17 分支的反向导线上，通过增阻调节可以提高 17 分支的安全稳 定性，但 16 分支本身的阻力较大，处在最大阻力路线上，故不可行。分支 82 位于 17 分支 的正向导线上，而且设有通风设施，在此分支减阻会使 17 分支的风量增加，所以可以通过 减小 82 分支的调节量可以增强角联分支的安全稳定性。基于此，提出以下两种方案，通过 网络解算检验哪种方案可行。 150 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 方案一拆除 82 分支通风设施，增大其风量，以使 17 分支安全性增强。 拆除 82 分支通风设施，如图 4 所示。经过通风网络稳态模拟得出，实施此方案后，25 分支（下部平石门）风流反向，但它为角联分支，且安全稳定性佳，其反向不会影响主要用 风地点的正常通风。 方案二拆除旁侧支路密闭，封闭联络巷，使 82 分支中风流由 41 节点流向 24 节点，155 使 17 分支风量增大。 封闭联络巷， 具体做法如图 5 所示。 先前的联络巷封闭后将造成的通行问题由北翼辅助 运输巷解决，这样问题可以轻松解决。 图 4 17 分支控制方案一 160 Figure4 First control scheme of 17 branch 图 5 17 分支控制方案二 Figure5 Second control scheme of 17 branch 165 对比方案一和方案二可以看出，两个方案都可以降低系统阻力，方案一降低了 11.22， 方案二降低了 11.92。且两种方案都可以增大角联分支 17 的风量，但方案一使 17 分支增 加的风量小于方案二。方案一 17 分支的风流功率为 375w，方案二 17 分支的风流功率为 430.826w，显然方案二优于方案一，且技术可行，能有效提高 17 分支的安全稳定性。 4 提高月亮田矿通风网路稳定性的措施提高月亮田矿通风网路稳定性的措施 170 1）有些分支的风流功率很小，如重车道、井底车场、南一上组集中运输、井底绕道、 采区石门等，风流都不大稳定，平常应加强管理，加强巷修，不要堆放杂物。 2）有些角联分支目前虽然风量和压差能保证其稳定性，但随着工作面的推进与通风网 - 7 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 络的变化，它们的稳定性可能会下降，此时需要对角联分支的敏感分支进行调节，从而保持 角联分支的稳定性。 对于月亮田矿稳定性和安全性比较差的角联分支， 重点讨论以下两种角175 联分支的稳定性控制措施。 ①进风（或回风）大巷联络巷 当采区采用多条进风（或回风）大巷并联通风时，贯穿两条或几条进风（或回风）巷的 联络巷道均为角联分支。如主井联络巷、轨道皮带联络巷、回风联巷等，这些角联分支可以 根据敏感度矩阵找到敏感度最大的可调节分支 （这些分支只要稍微变化， 便会使得角联分支180 风量变化或者风流反向），加强对这些敏感分支的控制，便能有效地消除角联分支中风流不 稳定的情况。 找可调节分支[8]时应该注意首先优先考虑减阻措施，即在角联分支的正导线分支上进 行减阻调节，且优先选用最大阻力路线上的分支，这样可使系统阻力得到降低。当不存在可 能减阻的敏感分支时， 再考虑在角联分支的负导线分支上增阻， 但巷道增阻必须考虑其可行185 性，并注意尽量不在最大阻力路线上增阻，以免使系统阻力大幅度增加。 ②用风地点角联分支 若用风地点角联分支属于进风侧角联， 只要该分支具有足够的风量能防止瓦斯积聚， 其 风向可以是任意的，因此可以不加调节进行自然分风。这样不仅可以减少调节设施数目，而 且可以降低全矿井通风阻力。 190 5 结论结论 根据电工学功率 P 的概念引入了风流功率指标 Z 来表示巷道风流稳定情况，在一定程 度上讲是具有指导意义的，但影响通风巷道稳定性的因素很多，如主井巷隔断、井下爆破影 响、自然风压的变化、瓦斯突出等因素，在今后的工作中，应该综合考虑各种因素，建立巷 道稳定性评价指标体系，更精确的评价风流稳定情况。 195 本文的角联分支是通过观察和分析通风网络图人工识别的， 这种识别方法掺入了人为主 观因素，可能会把非角联分支看成角联分支。对于简单风网，人工识别是较方便快捷的，但 遇到复杂风网，这种方法太费时，出错率高。今后应注重矿井通风网络角联风路自动识别软 件的开发，使结果更为准确。 200 [参考文献参考文献] References [1] 徐瑞龙,施圣荣.角联风路的判别[J].阜新矿业学院学报,19844 53-59. [2] 崔宣存.吕家坨矿通风系统可靠性与稳定性分析[D].辽宁工程技术大学, 2007. [3] 李中华.矿井通风网络结构可靠性的研究[D].山东科技大学,2004. [4] 贾进章,刘剑.角联分支的存在对通风系统可靠性影响分析[J].矿业安全与环保,2005. 205 [5] 崔岗,陈开岩.矿井通风系统安全可靠性综合评价方法探讨[J].煤炭科学技术,1999. [6] 安树峰,车金如,刘书波.角联分支的判断及其风流控制[J].煤炭工程,200312 41-42. [7] 陈开岩,王超.矿井通风系统可靠性变权综合评价的研究[J].采矿与安全工程学报,2007. [8] 王从陆.非灾变时期金属矿复杂矿井通风系统稳定性及数值模拟研究[D].长沙中南大学,2007. 210