基于通风等效面积的矿井通风难易程度分析方法.pdf

工矿自动化 I n d u t r ya n d Min e Au t oma t ion 第46卷第6期 2020年6月 Vol .46No.6 Ju n .2020 文章编号文章编号1671-251X202006-0053-06 DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x . 17597 基于通风等效面积的矿井通风难易程度分析方法 王延平范京道闫振国李川常心坦李学文1 1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安710054； 2.陕西延长石油集团 有限责任公司，陕西西安710075； 3.国家应急管理部煤矿智能化开采技术创新中心, 陕西黄陵727307； 4.陕西延长石油矿业有限责任公司，陕西西安710016 扫码移动阅读 摘要摘要针对目前矿井通风难易程度评价中常用的等积孔不能有效反映通风难易程度细节、通风阻力测定 不能很好地衡量复杂通风系统并联影响的问题，提出了一种基于通风等效面积的矿井通风难易程度精细化 分析方法％该方法根据获取的巷道通风信息对通风系统进行网络解算，得到系统中各节点风压，并以各节点 风压大小为依据对通风系统进行分段；每个分段中的巷道均为并联，按等积孔的特性，先计算各巷道的等积 孔，综合获得各分段的等效面积，由此得到各节点对应的通风等效面积；为直观、清晰地表达通风系统各段的 通风难易程度，用图形化的方式表示通风等效面积，包括风压-等效面积图、节点-等效面积图、风压-等效能 耗图和节点-等效能耗图；根据通风等效面积图，对矿井通风难易程度进行通风“瓶颈”、阻力分布及通风能 耗等精细化分析％实例验证结果表明，该方法能有效分辨出通风系统中的阻力较大区域、局部阻力位置及通 风“瓶颈”位置，可服务于矿井通风的分析和优化。 关键关键词矿井通风；通风系统；通风难易程度精细化分析；等积孔；通风阻力测定；通风割集；通风等 效面 积 中图分类号TD722 文献标志码A An a l ysis met h od of min e ven t il a t ion d iffic u l t y d eg r ee ba sed on ven t il a t ion equ iva l en t a r ea WANG Ya n pin g1 , FAN Jin g d a o23, YAN Zh en g u o13 , LI Ch u n34, CHANG Xin t a n1, LI Xu ewen1 1. Col l eg e of Sa fet y Sc ien c e a n d En g in eer in g , Xa n Un iver sit y of Sc ien c e a n d Tec h n ol og y, XPn 710054, Ch in a ; 2 . Sh a a n x i Ya n c h a n g Pet r ol e u mGr ou p Co. , Lt d . , Xa n 710075 , Ch in a ; 3.I n n ova t ion Cen t er ofI n t elig e n t Min in g Tec h n ol og yin Coa l Min e UMin ist r yofEme r g en c y Ma n a g emen t of t h e Peopl es Repu bl ic of Ch in a , Hu a n g l in g 727307, Ch in a; 4. Sh a a n x i Ya n c h a n g Pet r ol eu m Min in g Co. , Lt d . , XPn 710016, Ch in a Abstract I n view of pr obl ems t h a t equ iva l en t or ific e c ommon l y u sed in c u r r en t min e ven t il a t ion d /fc u l t yd eg r e eeva l u a t /on c a n n ot efe c t ve l yr e fl e c t d e t a l s ofve n t l a t on d /fc u l t yd e g r e e,a n d ven t l a t /on r es/st a n c e mea su r emen t c a n n ot welmea su r eefec t ofc ompl ex ven t l a t on syst em/n pa r alel ,a n r e f/n emen t a n a l ysis met h od of min e ven t il a t ion d iffic u l t y d eg r ee ba sed on ven t il a t ion equ iva l en t a r ea is pr oposed . Ac c or d in g t o obt a in ed r oa d wa y ven t il a t ion in for ma t ion , t h e ven t il a t ion syst em n et wor k is sol ved t o obt a in win d pr ess u r eofea c h n od ein t h e syst e m,a n d t h e ven t il a t ion syst emisse g me n t e d a c c or d in g t ot h e win d pr essu r eofea c h n od e .Th e r oa d wa ys in ea c h sec t ion a r e in pa r alel . Ac c or d in g t o c h a r a c t er ist ic s of equ iva l en t or ific e, t h e equ iva l en t or ific e of ea c h sec t ion a r e fir st c a l c u l a t ed t o obt a in t h e equ iva l en t a r ea of 收稿日期收稿日期2020-05-07；修回日期修回日期 2020-06-02；责任编辑责任编辑李明，郑海霞。 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目5046。 作者简介作者简介王延平1983-，男，陕西兴平人，讲师，博士，现主要从事煤矿通风安全、通风系统优化与智能通风方面的研究工作,E-ma il x u st wa n g yp 163. c om。 引用格式引用格式王延平，范京道，闫振国，等.基于通风等效面积的矿井通风难易程度分析方法,-工矿自动化，2020,46653-58. WANG Ya n pin gFAN Jin g d a oYAN Zh en g u oet a l 6An a l ysis met h od of min even t il a t ion d ific u l t y d eg r eeba sed on ven t il a t ion equ iva l en t a r ea, I n d u st r y a n d Min e Au t oma t ion ,2020,466 53-58. ・・54・ ・ 工矿自动化 46 ea c h sec t ion c ompr eh en sivel y, so a s t o obt a in c or r espon d in g ven t il a t ion equ iva l en t a r ea of ea c h n od e. I n or d er t o visu a l l y a n d c l ea r l y ex pr ess d iffic u l t y d eg r ee of ven t il a t ion in ea c h sec t ion of t h e ven t il a t ion syst em, t h e ven t il a t ion equ iva l en t a r ea is r epr esen t e d g r a ph ic a l l y, in c l u d in g t h e win d pr essu r e-equ iva l en t a r ea d ia g r a m, n od e-equ iva l en t a r e a d ia g r a m, win d pr essu r e-equ iva l e n t en er g y c on su mpt ion d ia g r a m a n d n o d e-equ iva l en t en er g y c on su mpt ion d ia g r a m. Ac c or d in g t o t h e ven t il a t ion equ iva l en t a r e a d ia g r a ms, t h e min e ven t il a t ion d iffic u l t y d eg r ee is a n a l yzed in d et a il in c l u d in g win d bot t l en ec k, r esist a n c e d ist r ibu t ion a n d ven t il a t ion en er g y c on su mpt ion . Th e r esu l t s of ex a mpl e va l id a t ion sh ow t h a t t h e met h od c a n effec t ivel y d ist in g u ish r esist a n c e a r ea a n d l oc a l r esist a n c e posit ion a n d ven t il a t ion bot t l en ec k l oc a t ion in t h e ven t il a t ion syst em, a n d it c a n be u sed for a n a l ysis a n d opt imiza t ion of min e ven t il a t ion . Key wordsmin e ven t il a t ion; ven t il a t ion syst em; r efin emen t a n a l ysis for ven t il a t ion d iffic u l t y d eg r ee; equ iva l en t or ific e; ven t il a t ion r esist a n c e mea su r e men t; ven t il a t ion c u t s e t; ven t il a t ion equ iva l en t a r ea 0引言 随着现代大型煤矿开拓延伸和开采深度增加， 通风路线迅速增长，开采规模的扩大要求更大的通 风风量。两者共同导致通风困难、能耗增加，并带来 瓦斯聚集等隐患。因此，精确分析通风系统各部分 的通风难易程度、有效识别通风系统阻力“瓶颈”成 为亟待解决的问题。 当前主要采用等积孔和通风阻力测定来衡量矿 井通风难易程度卩2-。。其中等积孔由法国学者谬格 尔在1873年提出，其物理意义明确，形象直观，便于 比较,但其作为单一参数比较粗略。。在等积孔概念 提出后，学者们进行了大量研究。余启香囚通过分 析我国141个高阻力矿井的风量和等积孔统计数 据，综合考虑安全、经济和矿井最高容许通风压力等 因素，获取了等积孔上下限，对矿井通风难易程度进 行了分级。陈开岩⑷建立了等积孔合理范围与矿井 风量的函数。胡朝仕等囚依据不同风量及阻力的合 理范围提出了等积孔新分级标准。马艳斌等「6-提出 采用矿井通风等积孔来验证矿井通风动力，并以工 作面瓦斯浓度和温度限制为条件确定矿井最大通风 能力。王永安⑺基于矿井风量和GB 502152015 煤炭工业矿井设计规范对矿井风压设置的2个极 限值2 940 Pa和3 920 Pa 提出了新的等积孔分级 标准。。马砺等「8-综合考虑了自然风压、外部漏风，以 及用风地点风量、风速等因素对通风系统的影响，提 出了一种等积孔修正方法。刘辉等「9-综合考虑矿井 风量和等积孔指标,制定出通风困难线和容易线，用 于矿井通风难易程度的分级与评判。上述研究使采 用等积孔评价通风难易程度时的标准更为明确，但 仍无法解决其作为单一参数，不能有效反映通风难 易程度细节的问题。 。 通 风 阻 力 定 对 一 风 阻力 大 和分 布进行测量「10「11- o黄瑞玲等「12-通过数据筛选和误 差分析提高了测量精度。曲方等研究了复杂矿 井通风阻力的测定方法。。何敏「⑷采用基于相对压 力的煤矿通风阻力测定数据处理方法，能一次性完 成原始测定数据误差的初步修正。随着研究和应用 的深入，通风阻力测定技术的精度有所提高，但对于 复杂通风系统的并联影响还不能很好地衡量。 。 针对上述问题，本文提出通风等效面积概念，其 是对等积孔沿通风路径的细化，也是对通风阻力测 定风路在并联角度的扩展。。基于此，本文提出了基 通 风 等 面 矿 井 通 风 难 程 分 ， ， 细 反 映 各 部 分 通 风 难 程 ， ， 通 风 “瓶颈判别通风设计的合理性。 。 1通风系统分段 将通风系统沿进风至回风分为多段，用等积孔 评价每个分段的通风难易程度，整个通风系统就可 以看作是风流穿过一系列等积孔，如图1所示。。用 这一系列等积孔能很好地表征通风系统中风流流动 过程中受到的阻力大小，即通风难易程度。由于等 孔 针对 整 矿 井 通 风系 ， ， 所 ， ， 将 分 段 等 积孔称为通风等效面积。 。 图1等积孔的细化和扩展 Fig . 1 Refin emen t a n d ex pa n sion of equ iva l en t or ific e 通 风 等 面 通 风 分段 通 风难 程 度，当巷道发生交汇、分叉或截面变化曰，通风难易 程度会随之改变，而这些位置是以节点为标志的，因 此，通风等效面积以节点为标志进行分段，使其所表 2020 6 王延平等基于通风等效面积的矿井通风难易程度分析方法 ・55・ 示的通风难易程度保持恒定。 风流从进入通风系统到离开经过不同的风路, 对于每条完整风路而言，风压是相同的，所以，选择 风压作为通风系统分段依据。 通风系统分段如图2所示，自下而上的节点位 置按风压大小排列。该网络有5个节点，利用等压 线可将通风系统划分为4段。被等压线截断的巷 道，截断位置的风压大小与对应节点处风压大小是 相同的，如节点2的风压与节点1和节点3之间巷 道的截断处风压相同。因此，从下至上节点1节 点2段可看作是2条巷道并联，节点2节点3段 为3条巷道并联。 图2通风系统分段 Fig .2 Di-g r -m of ve n t il -t ion syst e m seg me n t s 将通风系统划分后，每个分段中的巷道均为并 联，按等积孔的特性,并联巷道的等积孔为各巷道等 积孔之和。因此，可先计算各巷道的等积孔，然后综 合获得该分段的等效面积，用于反映风量经过该分 段时的通风难易程度。 2通风等效面积定义 2. 1 通风割集 割集是数学图论中的一个概念，在通风系统中 运用割集将其分割为不连通的2个部分，且割集内 的巷道风向相同，割集内巷道风量之和等于矿井总 风量。利用上述特性可实现通风系统分段。 将一个矿井的通风系统用通风网络图Go {VQ}表示,V为风网节点集合Q为巷道的集合。 将节点M1 M ,,“其中-为节点数按风压由大 到小排列，此时依照某一节点M绘制一条等风压 线，该等风压线将通风网络图分割为2部分，通过这 样的分割方式可构建一个割集Sg，称为通风割集 在通风网络图G中，设任一巷道,3E，Sa t为 起始节点，MEn d为结束节点，3M 为节点的风压, Sc u tM为节点M对应的通风割集， ，则当3MEn d 3M 3 St a r t 时，,3 Scu* M 。 2. 2 通风等效面积 将等积孔的概念扩展到巷道，基于节点风压对 巷道进行划分，定义巷道在节点“对应的通风割 集Sg M中的巷道等效断面面积为 ACeJ 1. 19Q, /槡 M m1 1 式中为巷道,的风量；3M M1 为节点M 和M1间的风压差。 。 定义节点M所对应的通风等效面积为 Da M AQej ⑵ ,3 Sc u t4 3矿井通风难易程度精细化分析 3. 1 通风等效面积图 为了直观、清晰地表达通风系统各段的通风难 易程度，用图形化的方式表示通风等效面积，包括风 压等效面积图、节点等效面积图、风压等效能耗 图和节点等效能耗图。本文描述了风压-等效面 积图和节点等效面积图及其特点。 风压等效面积图表示通风难易程度沿风压的 变化，如图3所示。节点-等效面积图如图4所示, 节点按等间距布置能更好地分辨等效面积变化，由 于2个节点间的巷道有效断面面积相对固定，所以, 图中的特征线显示为梯形。 图3风压等效面积图 3 Ven t il a t ion pr es su r e -equ iva l en t a r e a d ia g r a m 节点1 节点5 节点9节点13节点17节点21 节点25 节点 图4节点-等效面积图 Fig . 4 Ven t il a t ion n od es-equ iva l en t a r e a d ia g r a m 通风等效面积图将矿井通风系统依据风压逐次 降低的变化规律形象地展示出来，可分析通风系统 阻力分布的合理性及系统的抗灾能力，快速定位通 风系统“瓶颈为通风管理的持续改进和通风系统 抗灾能力的不断提咼提供了保障。 3. 2 通风难易程度精细化分析 通风“瓶颈”分析正常情况下，通风系统总的进 风区域和回风区域等效面积较小。而在用风区域，由 于用风点并联，会导致通风等效面积增加，反映到通 ・・56・ ・ 工矿自动化 46 风等效面积图中为等效面积上下波动,通过对图中等 效面积的极小值进行分析可识别出通风“瓶颈”区域 阻力分布分析通过通风等效面积图，可以清晰 识别出矿井进风用风-回风阶段，判断阻力分布是 否合理。依据等效面积变化幅度发现阻力不均衡区 域，如等效面积频繁大幅变化，说明该处通风结构不 合理，局部阻力可能偏大。 通风能耗分析传统能耗图所含元素多、结构复 杂，在等效面积基础上建立的能耗图将更加简洁直 观。。以通风系统风压从大到小的发展趋势为轴，展 现该过程中等效能耗的变化，绘制相应的阻力/节点 等效能耗图，有助于定位矿井的高能耗区域。 。 3. 3 通风等效面积分析流程 矿井通风等效面积分析流程如图5所示。 。 Fig . 5 An a l ysis pr oc ess of min e ven t il a t ion equ iva l en t a r e a 1 收集矿井通风系统基本信息，包括巷道数 量、拓扑结构、井巷断面周长、巷道类型、、支护条 件等。 。 2 获取巷道通风信息。。依据通风阻力测定获 取巷道风量、风速、温度、湿度等参数。 3 进行初始网络解算。。计算所有巷道的风 量、风压、风阻、摩擦阻力系数、通风构筑物局部风 阻等。 。 4 计算各节点风压。 。 5 按式1求解巷道等效断面面积。 。 6 分别求解通风系统中每一个节点的通风割 集，按式2计算通风等效面积。 。 7 绘制通风等效面积图，对矿井通风系统进 行通风“瓶颈 阻力分布、通风等效能耗和等效风速 等分析。 。 4实例分析 以陕西红柳林矿业有限公司红柳林矿井为例， ， 验证基于矿井通风等效面积的通风难易程度分析方 法的有效性。 。 红柳林矿井是国家在神府南区总体规划确定的 4对大型矿井之一，井田面积为159 km2，地质储量 为20. 16 X 108 t。。通风采用单水平中央分列式， ，主 要通风机的工作方式为抽出式。 。 通过实地调查获取巷道基本数据、通风机数据、 、 通 风 阻力 定 数 据 等 基 ， ， 基 通 风 割 对 通 风系统进行网络解算，计算通风等效面积，绘制通风 等效面积图。。部分主要通风割集及通风等效面积见 1 表1部分主要通风割集及通风等效面积 Ta bl e 1 Pa r t of ma in ven t il a t ion c u t a n d ven t il a t ion equ iva l en t a r e a 节点节点对应割集所含巷道 通风等效 面积/m2 11,26,27,2934. 5 311,26,27,30,26253. 1 190126,27,30,243,263,26573. 7 2011,26,27,30,243,254,264,26598. 3 1821,26,27,30,227,229,243,254,279 110.8 183 126,27,31,226,231,236,243,244, 245,256,279 90. 6 通过编制相应的分析算法程序，可快速获取等 效面积分析结果和图件。。通风等效面积分析界面如 图 6 所 ， ， 部分 展 巷道 、 、 节 点 风压 和 割 基本信息，下半部分包括风压-等效面积图、节点 等效面积图、风压-等效能耗图和节点-等效能 耗图 通过风压-等效面积图和风压-等效能耗图可 以看出，该矿进风区通风阻力约为340 Pa ,用风区 阻力约为210 Pa ,回风区阻力约为620 Pa ,阻力分 布呈现回风区阻力较大的状态；同时进风区和回风 区通风等效面积较小，特别是回风区，说明总进风区 和总回风区风流集中、风速较大、能耗高，可通过扩 巷、新建并行巷道进行减阻。 。 该矿通风系统在用风区布置1个回采工作面、 、 1个备采工作面和6个掘进工作面，布置多条进、回 风巷道 通 风 总 断 面 大 通 风 风 道 分 和汇合点多。从风压-等效面积图可以看出，用风 2020年第6期王延平等基于通风等效面积的矿井通风难易程度分析方法・57・ 节点风压列表 矿井通风等效面积分析 1,26,27,40,89,105,106」15,117,20节点-等效面积图和 节点等效能耗图展现该过程中等效能耗的变化，有 助于定位矿井的高能耗区域。通过编制相应的分析 算法程序，可快速获取等效面积分析结果和图件。 3 实例分析结果表明，本文方法能有效分辨出 通风系统中阻力较大区域、局部阻力位置及通风“瓶 颈”位置，可服务于矿井通风的分析和优化。 参考文献References [1 -魏兴义.矿井通风难易程度评价指标的探讨[J-.科技 信息，，01014 393-395. 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