区域可控循环通风技术中循环率的确定

王时彬，陈日辉，孟祥允

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

区域可控循环通风技术中循环率的确定

王时彬，陈日辉，孟祥允

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

本文对区域可控循环通风技术进行研究，根据巷道风速、瓦斯浓度、粉尘浓度、风机消耗功率和循环区域新鲜供风量来确定循环风机的最优循环率，用以对实际生产循环风机进行合理选择和运用。

风速；浓度；功率；循环率；新鲜风量

随着科学技术日新月异的发展，矿山生产的机械化程度不断提高，矿井开采规模不断扩大，通风线路随之加长，通风阻力与之增加，工作面通风较为困难，用传统的通风技术会大大地增加通风的难度和费用。为解决这种通风困难问题，矿山工作者提出一种新的通风技术——区域可控循环通风。可控循环通风技术首先在英国煤矿生产中兴起，由英国学者Lach和Slack研究提出，20世纪70年初在英国开始应用，它是指对需风地点人为的进行有规律的风量循环控制来达到需要的通风效果。

1 区域可控循环通风分类

区域可控循环通风方式根据循环风机在循环区域巷道的位置及相对主要风机的作用分为两类：增阻循环通风和增压循环通风[1]。

增阻循环通风是循环风机安置在离工作面一定距离的联络巷(循环风道)中，也称联络巷循环通风。这种循环通风方式提高了一部分循环巷道风流的能量，让其回到循环进风巷中。循环风机对风流的作用方向与主要通风机的作用方向相反，有增阻作用。增压循环通风是循环风机安设在循环区域的循环进风巷道或回风巷道中，联络巷依然作为循环风道使用。进风道中运输任务一般较为繁重，安装辅助通风机会影响正常生产，故循环风机多设在循环回风巷中。这种循环通风方式中，循环区域的循环回风巷中风流在循环风机的作用下总能量高于循环进风巷中风流而产生循环风流，故称为增压循环风。

在金属矿和低瓦斯煤矿中都能运用可控循环通风来解决工作面通风困难问题，并已积累了许多经验。如白元付等[2]在王家寨矿中成功运用可控循环通风技术，吴富刚等[3]在红透山矿井中运用可控循环通风。

由于诸多原因，现场多采用增阻循环通风[4]，本文主要针对该循环通风进行讨论。在循环通风系统确定时，随着循环率F增大(即循环风量增加)，循环风机的增阻作用随之增大，从而使循环区域的风阻与之增加，循环区域的新鲜风流因风阻的变大而减小；同时循环风量的增大会增加循环区域以外挡风墙两端的压差，使漏风增加。当循环率达到某一值时，随F值增大工作面风量Qc的增量减少，以马村矿13506采面试验为例[5]，循环率在0.346～0.54区段，循环风量由113.12m3/min增加到178.26m3/min，而循环区域新鲜风流由214.28m3/min减少到152.36m3/min，结果工作面实际进风量相差无几(327.4～330.62m3/min)。所以在增阻循环通风中循环率的增大有一定的限制。相反对于其循环率最小值的限定讨论则较为简单，当F取零时，循环风机不工作，通风系统基本不变，故循环率有一定的下限要求。

循环率取值在一定的范围之内，本文根据风速要求、瓦斯变化浓度、粉尘变化浓度、风机消耗功率及循环区新鲜风量供给几个限定条件来讨论增阻循环通风中循环率的最优取值。增阻循环通风系统示意，见图1。

图1 增阻循环通风系统示意

如图1所示，Q1、Q4分别表示循环区域进风和回风风量，Q2、Q3分别表示循环进风和回风风量，Qr为循环风量，Qc为工作面用风风量，F1表示循环风机，F表示主要风机，循环区域进风道、回风道和工作面风阻用Rc表示，循环风道风阻用Rr表示，循环区域外的风路风阻用R0表示。依图有公式Q1=Q4，Q2=Q3=Qc，Q1+Qr=Qc，定义循环率F =Qr/Qc。

2 相关影响因素的确定

2.1 巷道风速

在《煤矿安全规程》[6]和《金属非金属矿山安全规程》[7]中(下文将两者简称为《安全规程》)，均规定了各矿井巷道的最低风速Vmin和最高风速Vmax。在循环区域中最低风速一般是能保证，现需考虑循环区域循环风道、循环进风巷、循环回风巷及工作面巷道的最大风速。

式中：Vr、V2、V3、Vc分别表示循环风道、循环进风巷、循环回风巷及工作面巷道的风速；

Sr、S2、S3、Sc分别表示循环风道、循环进风巷、循环回风巷及工作面巷道的断面积。

从上述4式中可看出，随着循环率F 的增大，循环区域所有巷道的风速也随之增大。令风速Vr、V2、V3、Vc都取《安全规程》[6-7]中相应的最大值，可得出4个F 值，为使这4个巷道都满足要求，F 值不应超过最小值Fmin，令F1=Fmin。

2.2 瓦斯浓度

循环通风能增加循环区域工作面的风量，增大了冲淡瓦斯的能力，使工作面瓦斯浓度波动的峰值低于相同条件常规通风，使风流紊流扩散能力增强而加快了瓦斯与风流的混合，更有利于防止瓦斯在顶板积聚[8]。在增阻循环通风系统示意图中各巷道的瓦斯浓度分别以C1、C2、C3、C4、Cr表示，qc表示工作面瓦斯的绝对涌出量，C1为进风流中瓦斯浓度，可由仪器测量得到。

在常规通风系统中，Qr=0，此时有C2＝C1，C3＝C1+qc/Q3，Q1+Q2+Q3=Q4。

在循环通风系统中，循环区域循环回风巷中一部分风流经循环风机进入到循环区域循环进风巷，混合新鲜风流进入工作面。

循环率F =Qr/Qc，Q2=Q3=Qr=Q1+FQr

第一次循环时，有：

第二次循环时，有：

第n次循环时，有：

由以上公式分析可知，在增阻循环通风系统中，当循环风流达到稳定状态时，循环区域工作面及循环回风巷道中瓦斯浓度大小与循环率F 无关，只取决于循环区域内新鲜风量和其工作面瓦斯涌出量，并与同量进风量常规通风时瓦斯浓度相同。由此知要使工作面和回风巷道的瓦斯浓度不超限，则需保证有足够的新鲜风量进入循环区域。

由循环区域循环进风巷中瓦斯浓度公式中知，其瓦斯浓度大小C2与循环率有关，随循环率F 变大而增大，所以必须控制循环率使其浓度符合安全规程[6-7]，当瓦斯浓度取极限值时，计算其循环率F2。

2.3 粉尘浓度

在常规通风系统中，一些产尘量大的工作面其粉尘浓度往往超标，影响正常的生产工作。在增阻循环通风系统中在循环风道内安置除尘设备，将循环回风巷的一部分污风过滤后排入工作面稀释其粉尘浓度。设除尘器的除尘效率为E，在增阻循环通风系统示意图中各巷道矿井粉尘浓度依次为d1(循环区域进风巷)、d2(循环进风巷)、d3(循环回风巷)、d4(循环区域回风巷)、dr(循环风道)，D为工作面的产尘量。矿井粉尘在风流中的运动规律一般来说比瓦斯运动规律更复杂，但其浓度受风流影响较小，按瓦斯运动规律计算[9]。按上文对瓦斯浓度的推导过程可推出循环进风巷道矿尘浓度d2和循环回风巷道矿尘浓度d3：

从公式知，循环进风巷、回风巷中矿尘浓度与循环区域新鲜风流自带的矿尘浓度、新鲜风量大小、工作面的产尘量多少、除尘器的效率和循环率有关，循环率越大矿尘浓度越低。现场应用时，需将循环区域循环进风巷道矿尘浓度d2和循环回风巷道矿尘浓度d3控制在《安全规程》[6-7]规定的浓度之内。在其它参数已定时计算出此时符合要求循环率的极限值F3。

2.4 风机功率消耗

风机功率消耗包括循环风机功率消耗和主要功率消耗，根据能量平衡定律[10]有：

主要风机输出功率：

循环系统的总功率：

式中hN为自然风压，从上述公式可看出随循环率增大，其循环风机和主要风机风压均增大，循环系统的总功率增大。在循环系统中，R0的值可看作不变，而Rr、Rc影响风机功率消耗，Rr、Rc值越小，其循环系统的总功率消耗越小，同时可知循环区域的风阻越小，越有利于应用增阻循环通风系统。由于一般自然风压较小，对整个通风系统影响不大，这里忽略不计。将循环通风系统的功率消耗同常规通风系统功率消耗比较可得出节能量。当常规通风系统工作面的实际用风量为Qc时，其消耗的总功率N 为：

上式可看成是关于循环率F 的函数，故可运用函数知识来分析Nt/N 的值。

令g(F)=F3Rr+(1-F )3R0，求导得g′(F)= 3F2Rr-3(1-F )2R0，令g′(F)=0时，为增函数，当F＜F0时，g(F)为减函数，当F＞F0时，g(F)为增函数，所以当F=F0时， 取最小值。对于自然风压较大的矿井通风系统，同样可运用以上函数知识来对其循环率进行分析。

对于循环风道风阻Rr远小于循环区域外的整个系统的风阻R0，故F0约等于1，即表示当工作面的用风量全由循环风机提供时消耗功率最小，此时循环系统为全封闭循环系统。上述对瓦斯浓度变化和矿尘降尘分析已说明循环系统必须要有一定的新鲜风流，故循环率不能为1。但由Nt/N 知当循环率F越大，循环系统功率消耗越小。

2.5 新鲜风量

2.5.1 与循环率关系

在蒲白课题组对马村矿采面、采区可控循环风试验研究中[5]，可知当循环区域与另一工作面构成并联通风时，运用增阻循环通风时会增加该循环区域的等效风阻，此时会减少该循环区域的有效新鲜风量。由上述分析知当循环率不断增大到某一值时，有效新鲜风随之减小到某值，不利于瓦斯、矿尘等有毒有害物质的稀释和排除。

对于循环区域和另一工作面构成并联通风系统如图2所示。

图2 区域可控循环通风系统示意

图中BC区域为循环通风区域，根据其研究得循环通风的新鲜风量与常规通风新鲜风量关系式为：式中：Q1—常规通风新鲜风量；

Q1′—循环通风新鲜风量；

F —循环率；

RAB、RBC、RCD—分别为各段风阻。

由马村矿13506工作面试验数据得出的不同循环率的风量变化图中知，随循环率的增大，其循环区域新鲜进风随之减少。根据循环区域新鲜风最小需求量、各段风阻可计算出循环率F4，为该循环系统的极限值。

2.5.2 新鲜风量的确定

受当前技术经济条件的限制，不能从循环风流中净化所有的有毒有害物质，如瓦斯和CO，故要使循环区各项通风技术指标都符合安全规程[6-7]规定要求，必须保证供给循环区域所必须的最小新鲜风流。可按照祝启坤等人的研究，按工作面排烟及对氧气、二氧化碳含量要求计算外来新鲜风量Q1[11]，同时需考虑有毒有害物质的稀释作用，如按上述瓦斯浓度变化中循环回风流瓦斯浓度C3=C1+qc/Q1原理计算新鲜风量Q1，最后新鲜风量取满足所有要求的最大值。

3 结语

循环通风能增加工作面风量，但不会导致瓦斯等有毒有害物质浓度的增加。对于产尘较多的工作面，配以除尘器能较好的降低粉尘浓度。在循环通风系统中，循环率越大，消耗功率越小。当循环率达到某一值继续增大时，循环区域新鲜风量会减少，此时循环区新鲜风量与循环率密切相关。循环率既不能太大又不能太小，但可从确定条件中选取符合要求的最节能的循环率。

在一个循环通风系统中，首先需确定循环区域新鲜风量，然后根据循环区域新鲜风量与循环率的消长关系和循环区各巷道风速要求的循环率上限值，再次根据瓦斯、粉尘等有毒有害物质浓度要求确定循环率的下限值，最后根据功率消耗与循环率的关系选取F满足所有要求的最大值。

因此运用循环通风时需谨慎，既要满足有毒有害物质的稀释和排除，又要满足不使循环区域新鲜风量小于最小鲜风要求，同时还要使功率消耗最少。

[1]王启晋.矿井可控循环通风[M].徐州：中国矿业大学出版社，1996：11-15.

[2]白元付，王安群，杨中星.矿井可控循环通风技术在王家寨矿的研究利用[J].山东煤炭科技，2005(1)：60-61.

[3]吴富刚，宫锐，石长岩.可控循环通风技术在红透山矿井中的应用[J].有色金属(矿山部分)，2011，63(3)：51-53.

[4]杜太亮.矿井可控循环风系统中循环率分析与优化[J].煤炭工程师，1997(2)：35-38.

[5]蒲白课题组.可控循环通风的实用性与适应性[J].陕西煤炭技术，l993(1)：50-55.

[6]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2011.

[7]国家安全生产监督管理总局.GB 16423-2006 金属非金属矿山安全规程[S].北京：中国标准出版社，2006.

[8]胡卫民.循环通风的可行性研究[J].世界煤炭技术，1988(9)：11-15.

[9]刘冠姝.矿井可控循环通风技术[J].陕西煤炭技术，1992(2)：49-55.

[10]张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007：90.

[11]祝启坤，叶镇杰.金属矿山受控循环通风风量计算[J].金属矿山，1997(10)：35-38.

Determination of Circulation Rate in the Area Controlled Recirculating Ventilation

WANG Shi-bin, CHEN Ri-hui, MENG Xiang-yun
(Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

In this paper, the area controllable circulation ventilation had been studied, according to the request of the tunnel air speed, gas density and the dust concentration, the air fan consumed power and the fresh air quantity of recirculation area to pick up the optimal recirculation rate, then choose the reasonable recirculation fan to use.

air speed; density; power; recirculation rate; fresh air quantity

TD724

A

1007-9386(2014)01-0059-04

2013-10-12