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矿井大巷贯通的通风系统方案拟定一．专题研究背景及意义1、研究背景《煤矿安全规程》第一百零七条规定，每个矿井必须有完整的合理的通风系统。一个良好的矿井通风系统是保证矿井安全高效生产的前提与基础。矿井通风系统是向作业点供给新鲜空气，排除污浊空气的通风网络、通风动力和通风控制设施等构成的工程体系，它对安全生产状况有全局性影响[1]。而通风系统是否合理，与通风机装置的性能及与之匹配的井下网路系统有着密切的关系。要保证矿井通风系统处于良好的运行状态，就必须使矿井主要通风机在最佳工况点运行，就必须掌握全矿。井下通风网路中的各种通风基础技术参数[2]。本课题不仅对矿井通风系优化的研究有重要意义，对通风优化理论的发展也有重要意义。因此，本课题的研究具有重要的意义和非常实用的价值。2、研究目的意义矿井通风系统设计是矿井设计的主要内容之一，是反映矿井设计质量和水平的关键因素之一，它不仅关系着矿井建设速度、投产时间、基建投资的多少，而且对矿井投入生产后的生产面貌和经济效益有长远影响[3]。生产矿井由于生产布局的变化、自然条件的影响以及生产能力的提高，必须进行矿井通风系统的改造。矿井通风系统改造是生产矿井改造的重要内容之一[4]。因此，矿井通风系统的优化设计问题，备受矿井通风专业人员所关注。尽管在这一课题上进行了大量的研究，而且在风量调节优化、井巷断面优化、风机优化选择、通风方式选择等方面已取得一定的进展；矿井通风系统立体图绘制和网络图绘制已初步计算机程序化。但是，至今有许多关于通风系统优化设计的问题没有解决，有的问题甚至还没有涉及[5]。现在中煤集团大屯煤电孔庄矿两巷道贯通，贯通后会改变通风网路，为了保证贯通后整个矿井能够正常运作和安全生产，需要我们对贯通后的整个矿井的通风系统进行阻力测定，分析通风系统结构，从而对整个矿井行系统优化，所以对孔庄矿的通风系统优化改造研究具有实用性。二、国内外研究现状及发展趋势1、国内外研究现状矿井通风系统是一个范围很广的研究领域，长期以来人们从各个方面对比进行了大量研究。从早期局部风流流动规律的定性研究，到全矿井通风系统进行自动控制的构思，凝结着几代矿井通风安全工作者的汗水与智慧[6]。国外早已实现井下风量、粉尘、有害气体、温度的自动监测，并已形成计算机管理系统，在矿井通风自动化上已取得可喜的成果[7]。例如，瑞典布登矿产公司（BolidenMineralAB）在其莱斯瓦尔(Laiswall)矿，安装一套PowerVineral计算机辅助全矿通风控制系统，地面计算机专用矿井通风软件可直接控制与监视全部矿井的风机控制系统，并使风机的运转工况符合日常通风的需要，还可降低矿井电耗1/3，而且不到一年便收回了投资。相比之下，我国矿井通风系统的自动化水平是较低的[8]。本世纪50年代以来，国内矿井通风理论与技术研究取得如下主要进展：（1）对井巷通风阻力进行了广泛的研究与测定；例如，杨加伟分析了矿井通风阻力产生的原因,提出了合理选择巷道参数,采取有效措施,可降低矿井通风阻力,提高矿山经济效益[9]。（2）建立了各类作业面紊流传质方程及污染物浓度分析计算方法，为风量计算方法提供了理论依据；（3）应用电子计算机和分析复杂通风网络，为矿井通风系统提供了有效的方法；矿井通风网络风量调节优化的思想并非近年来才出现的。早在1965年苏联学者E．罗戈夫就曾对较简单的多风井并联系统作过研究，证明在这种系统中．矿井总风量一定时，使网络通风能耗最小的必要条件是各风机风压相等。此时各风井按风阻不同自然分风[10]。20世纪80年代初，美国和我国学者又进一步证明了这一结论也适用于任意复杂的通风网络。之后，我国学者又证明了在矿井进风网利用风网的通风功耗为常数的条件下，对具有定流分支的多风井系统中，当各风机风量未知时，通风网络运转功耗最小的必要条件是各通风机的风压相等；如果各风机风量已知，那么在按需分风的条件下，当风网功耗为最小时，各风机的风压一般是不一致的[11-13]。20世纪80年代中期之后，通风网络风量调节优化技术有了较大的发展。相继提出了“图论算法”、“通路法”、“双树解法”、“单纯型法”、“可变容差法”、“约束变尺度法”和“遗传算法”等，优化模型逐步由线性转为非线性，优化方法也随之由线性规划法转为非线性规划法，使得风网调节问题由求解局部最优解逐步向求解全局最优解方向迈进[14]。通风网路解算是通风系统分析的基本问题，它是根据所给定的通风网路中各风道的风阻、常流巷道的风量、漏风、自然压力、扇风机特性曲线等已知条件，求出各分支风道和扇风机的风量、压力以及辅扇、风窗大小等值的计算。网路解算方法大致可分为模拟法和数值计算法两大类。模拟法的精度和实用性是比较差的；而用人工进行数值计算时，因为计算繁难，难以进行多方案比较，其实用性也是不高的。由于电子计算机的发展，利用数字电子计算机对通风网路进行数值计算，速度快，精度高，并且能够对影响矿井通风的多种因素，进行综合的系统的分析，能够使设计方案进行合理调整，实用性较好。因而，它逐渐代替了模拟法和人工计算方法[15-17]。（4）射流通风理论与技术得到发展，利用风流动压的方向性调节与控制风流的技术获得应用；自由射流是一种不受固体边界限制，在足够广阔的空间内，自由射出的风流。气体从孔口射出后，由于靠近射流边界气体微团的脉动作用，使射流本身与四周空气相混杂，将部分动量传给原来处于静止状态的空气，并带动它们，而射流体本身动量减少，速度也逐渐缓慢。射流体的宽度，沿射流长度方向逐渐增大，流量逐渐增加，而流速则逐渐减小[18-19]。射流中各点的静压强相等，并等于空气静止时的压强。根据这—性质、由动量定理不难证明，沿射流长度方向，各断面上通过的气体质量所具有的动量是不变的[20]。（5）矿井火灾时风流非稳定流动规律的研究不断深化，建立起若干典型风流控制方案；发火的最初阶段，井下风流以及火烟都是沿着发火前的原有方向流动的。此后，由于温度的增高以及矿井大气成分的改变，往往形成一种附加的巨大的自然风压，在灾变通风中称为火风压。这种火风压，除具有减少或增加全矿总风量的作用以外，同时还能引起矿井通风网路中某些风流的方向发生变化。风流方向发生了变化，使井下那些似乎是安全的地区也会突然出现火烟，使远离火源在独立风流里工作的人们中毒或窒息。这种由于火风压的作用，使矿井通风网路中某些风流的方向发生变化，火烟及其它产物出现在火源前的旁侧风流和主于风流中的现象，我们称为风流逆转。这种现象，在矿井火灾达到明火阶段而没有得到控制和缺乏合理适当的通风管理时，是屡见不鲜的。达种现象，是造成井下灭火时大量人身事故的最常见的原因之一[21-23]。（6）受控循环通风理论推动了空气净化装置的研制和污染源控制技术的发展；当进入工作地点的新鲜风量(由全压通风或局压通风供给)受到条件制约不能加大时，为增加工作地点风量，稳定沼气浓度和正常温度，在保持一定数量的新鲜风流条件下，从回风流中有控制地引入一部分经过净化处理的回风与新鲜风流汇合进入工作区域，形成一个连续的受控循环通风系统[24]。（7）深井热源、空气与围岩热交换和矿井环境控制理论与技术有较大进展，初步形成矿内热力学理论体系；（8）开展了露天矿通风理论与技术的研究[25]。至今，矿井通风网路的解算法可归并为三大类：数学分析法，图解法和电力模拟计算法。自20世纪60年代开始用计算机解算矿井通风网路以来，解算复杂通风网路的迭代试算法得到了迅速的改进和广泛的应用。迭代试算法可分为两种：结点法，即从假定风流结点的压力值开始，逐步修正压力分布值，使之满足风量平衡定律；回路法，即由假定回路的分支风路风流方向和风量开始，逐步修正风量值，使之满足风压平衡定律。因回路法是H.克劳斯首先提出，故又称为H.克劳斯迭代试算法。目前用计算机解算矿井通风网路，广泛使用的就是斯考德-恒斯雷迭代试算法（即H.克劳斯法），该法解算精度高、速度快，可解算任意复杂的通风网路[26]。1.2.2发展趋势随着国家对矿业安全越来越重视，通风系统的设计的也将越来越完善，但是迄今为止，国内外很少有人涉及矿井通风系统的可靠性优化研究。目前，矿井通风系统的可靠性研究面临着以下几个问题：(1)风流分支与通风网络的可靠性概念；(2)风流分支、通风网络及通风构筑物的可靠性指标计算；(3)如何利用可靠性参数设计出具有较高可靠性的系统；(4)生产矿井如何利用可靠性理论来制定出合理的管理、使用和维护措施，保证系统正常工作，提高其可靠性。从而可以知道矿井未来的发展目标是矿井通风系统的可靠性优化研究和矿井通风的全自动控制研究，但是由于自动控制系统的高昂代价和技术上还有许多问题没有解决，因此，矿井通风自动控制系统在实际矿井获得应用还有很大困难，需要我们长期的努力。三、矿井通风系统阻力研究本文是对孔庄矿进行通风系统优化，而矿井通风系统的优化问题归纳起来主要包括如下几类:矿井通风系统阻力研究、矿井通风系统风量调节研究、矿井通风系统安全可靠性研究、矿井通风系统主通风机工况优化研究等[27]。我们这次主要介绍下矿井通风系统阻力研究和风量调节研究。1、矿井通风系统阻力研究降低矿井通风阻力技术措施的研究对于矿井通风系统优化有着至关重要的作用，无论是矿井通风优化设计还是矿井通风技术管理工作，都要尽力降低矿井通风阻力，这项工作的好坏直接关系到矿井的安全生产和经济效益。矿井通风阻力的影响因素较多，归纳起来主要有四个方面[28]。(1)风量对阻力的影响矿井风量对阻力的影响主要表现在以下两个方面：①根据风阻力定律h=RQ2可知：通风阻力与风量的平方成正比。也就是说，当矿井总风阻不变，矿井总风量增加时，通风总阻力按风量的平方的倍数增加;同理，各个分支风量增加时，分支的阻力也相应的随风量的增加按风量平方的倍数增加。②各个分支通过的风量(包括用风地点的需风量)越接近自然分风风量，矿井通风阻力越小，各个分支的阻力就越接近平衡[29]。(2)分支风阻对通风阻力的影响通风巷道的风阻R(Ns2/m8)取决于巷道的长度L(m)、断面积S(m2)、周长U(m)、风道的支护形式等参数,一定量的风流通过某段井巷所消耗的能量与该井巷风阻成正比，因此井巷风阻越大，风流通过的通风阻力越大。此外，矿井总阻力不是风流任一流动总线路上的各分支阻力之和，它不仅取决于各分支阻力，更取决于网络结构，应按串联、并联、复杂网路特性解算求得。（3）网络结构对阻力的影响矿井通风系统的网络机构不同，即使分支数的风阻、风量相同，系统的总风阻和总阻力也不相同。故在井巷数和参数己确定的情况下，应合理选取风流流动线路，避免或者减少串联，尽量采用并联网络，并坚持“早分晚合”的原则(即在总进风附近就分开风路，一直到总回风附近才让风流汇合)，力争不进行或者少进行增风调风，使矿井总阻力最小[30]。（4）降低矿井通风阻力的具体技术措施①并联通风根据并联风路阻力比串联网路阻力小得多的原理(风量相同)，可以通过计算机通风系统模拟或实际通风阻力测定的方法，找出通风系统网络的高阻力区段，采取新掘巷道或者启封旧巷道的方法，实现并联通风，降低通风系统总阻力。②开掘新井巷，缩短通风线路长度。随着生产向边远采区或者深水平的发展，或者井田过大，通风线路不断加长，而瓦斯涌出量的增加，将导致需风量和通风阻力的增加。当通风系统无法满足供风要求或利用现有的通风系统不经济时，可以考虑在边远采区或者新水平增掘新风井，以缩短风路，保证经济有效地供风。③改变通风网路，合理调配风机负担。对于生产矿井，当通风系统与生产能力不匹配时，应该合理调整生产布局，改变通风网路，合理调配风机负担、尽量发挥现有风机、巷道的潜力、增设或减少风机(在必要和可能的条件下)等。④适时增减风机,改善矿井通风。⑤扩大巷道断面，和减小局部阻力。矿井通风系统阻力往往比较集中在几个高阻力区段，找出高阻力区段，适当的扩大高阻力区段巷道断面面积，往往能够收到比较理想的降阻效果。此外，尽量的使井巷壁面光滑、巷道平直、避免巷道断面突然扩大或缩小也能起到减小摩擦阻力和局部阻力的作用[31-32]。2、矿井通风系统风量调节研究在通