区域式通风系统的稳定性

王洪粱，张迎新

(黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨150022)

区域式通风系统的稳定性

王洪粱，张迎新

(黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨150022)

针对区域式通风系统中存在的不稳定因素，从该系统特点入手，分析了区域式通风系统中由于集中运输而形成的对矿井通风系统稳定性影响较大的角联网络，提出区域式通风系统角联分支的风流方向的判别方法以及角联通风网络稳定运行的措施。同时分析了区域式通风系统中公共风阻、独立工作管网风阻和通风机能力发生改变时主要通风机联合运转的相互影响，给出应对措施。实例表明，该研究已应用于七台河某矿的系统改造中，效果良好。该研究方法对区域式通风系统的日常通风管理和通风系统改造起到重要作用。

区域式通风系统;角联分支;稳定性;联合运转

收稿日期: 2013-09-04
第一作者简介:王洪粱( 1981-)，男，山东省日照人，讲师，硕士，研究方向:灾害预测与控制，E-mail: whl-6108@163．com。

0引言

通风系统的稳定性主要是指井巷中风流的方向发生改变，以及风量的大小变化超过允许范围的现象。影响通风系统稳定性的主要因素有风网的结构、风阻的变化以及风机等。区域式通风作为矿井通风系统的一种，具有建井期短、出煤快、通风阻力小及安全出口多的优点，主要应用于井田面积大、储量丰富的大型矿井及中小型整合矿井，是应用较多的一种通风系统。但是，它的不足是，通风设备较多，网络结构复杂，给矿井通风管理带来一定的困难。该系统主要存在两大影响稳定性因素:一是角联通风网络。一般大型煤矿通风系统内都存在较多的角联分支，区域式通风矿井由于都采用集中运输和集中提升，所以其运输大巷作为主要通风巷道处于角联分支上，对通风系统的稳定性影响较大，容易引起瓦斯积聚而发生瓦斯爆炸事故。如果矿井采用多水平同时开采，则角联网络更加复杂，通风管理也更加困难。二是主要通风机联合运转时的相互影响。区域式通风系统是多风机通风，联合运转时主要通风机相互影响，整个通风网络中某一分支风阻或者某一台风机的性能发生改变，将引起整个通风系统的风量以及其他区域风机的工况点发生改变，出现局部配风不足和风机运行不稳定现象。针对上述特点，笔者对区域式通风系统角联分支稳定性进行分析，探讨多风机的相互影响因素，旨在为降低通风管理的困难提供帮助。

1角联分支的稳定性分析

区域式通风矿井的运输大巷作为主要通风运输巷道处于通风系统的角联分支上，对通风系统的稳定性影响较大[1-2]。简单网络中角联分支风量的大小取决于自身分支和旁侧分支两项风阻，而角联分支的风流方向仅取决于旁侧分支的风阻，与自身风阻大小无关。依据通风网络的简化原理，对区域式通风系统进行简化，如图1所示。

图1 区域式通风系统简化网络Fig．1 Simplified network chart of regional ventilation system

图1 中分支5为角联分支，即区域式通风系统中的运输大巷，分析角联分支5风流的大小及方向是保证区域式通风系统稳定性的关键。下面以单水平双区域通风系统为例，判断角联5中的风流方向。

当分支5中无风时，qV1= qV3，qV2= qV4。根据风流流动基本定律可得:

式中: qV——通风网络分支的风量，m3/min; R——通风网络分支的风阻，kg/m7; p——主要通风机f的压力，Pa。

当分支5中风流方向为2—3时，qV1= qV3+ qV5，qV4= qV2+ qV5，即

同理，可以推出当分支5中风流方向为3—2时，

令

则k为角联5风流方向的判别式。当k =1时，角联分支5无风，当k<1时，风流方向为2—3，当k>1时，风流方向为3—2。

从判别式k中可以看出，角联分支5的风流方向不但与其旁侧分支的风阻R1～R4有关，还与风机f1和f2的能力有关。区域式通风系统中角联分支5为矿井的运输大巷，风流必须保持稳定，风流方向由2到3或者由3到2皆可满足要求。如选择风流方向由2到3，从判别式k中可以看出，只要保证k<<1，就可以使角联分支5的风流趋于稳定，因此，可以考虑增加R2，或者提高风机f2能力。分支2为一进风井筒，R2增大，减少进风量，对高寒矿井来说有利于冬季集中供暖。

角联分支风流方向判别式k越小于1，或者越大于1，其风流越稳定，一般来说，0

2多风机的相互影响

区域式通风系统中，每个区域都设置进回风井，是多风机风井，当矿井通风系统正常运行时，主要通风机联合运转。因此，主要通风机之间会发生相互影响，可能引起通风系统不稳定。下面以单水平双区域通风系统为例，分析风机之间的相互影响。简化通风系统，如图2所示。

图2 区域式通风系统简化示意Fig．2 Simplified schematic diagram of regional ventilation system

2. 1主要通风机联合运转时工况点的确定

根据主要通风机联合运转的绘图原理[3]，绘制风机f1和风机f2联合运转时的等效特性曲线，如图3所示。图3中，曲线f1和f2为风机的个体特性曲线，曲线fR1和fR2为风机f1和风机f2减去各自单独工作管网R1和R2后的等效特性曲线，fR12为等效风机fR1和fR2在为公共风路R0服务时的等效特性曲线。R0曲线为公共段阻力特性曲线。M1( qV，M1，pM1)和M2( qV，M2，pM2)是风机f1和f2在该区域式通风系统中联合运转的工况点。

图3 通风机联合运转工况点确定Fig．3 Determination of operating point about main ventilator

2. 2管网风阻变化对主要通风机的影响

矿井管网风阻的变化将导致风机的工况点发生变化，区域式通风系统是多风机通风，因此管网风阻的变化分为公共段风阻和各自独立工作管网风阻两种变化，这两种风阻变化都能引起主要通风机工况点变化，且影响范围不同。

2. 2. 1 公共段风阻R0对风机工况点的影响

如图4所示，当公共段风阻由R0增大为R01时，风机f1和f2的工况点由M1( qV，M1，pM1)和M2( qV，M2，pM2)上移至N1( qV，N1，pN1)和N2( qV，N2，pN2)，因此，公共段阻力增大时，风机f1和f2的风量减小，压力增大。当公共段风阻由R0减小时，可以得出相反结果。

根据分析可以看出，公共段风阻变化对主要通风机的工况点的影响主要存在两个方面:一是如果公共段风阻增加的比较大，就会造成主要风机的工况点大幅上移，甚至进入不稳定工作区，导致能力较小的风机进入不稳定工作区，甚至发生风机喘振，造成损坏。因此，为了保证矿井风机的安全经济运行，应保证公共段阻力不能超过总阻力的30%，做到矿井风流早分开、晚汇合[4]。二是两台风机的能力相差越大，公共段阻力发生变化时对能力小的风机造成的影响越大[5]。因此，为了实现风机的安全运转，各风机能力相差越小越好，尽可能采用相同能力的风机，实现区域式通风矿井各区域的均匀供风。区域式通风矿井在设计时，应尽量实现各区域生产能力相同。

图4 公共段风阻变化对通风机工况点影响Fig．4 Effect of operating point about main ventilator while public wind resistance change

2. 2．2独立工作管网风阻变化对风机工况点影响

如图5所示，当f1风机独立工作管网风阻由R1增大为R11时，得到等效风机fR11和fR2在为公共风路R0服务的等效特性曲线fR112，此时f1风机的工况点由M1上移至P1，f2风机的工况点由M2下移至P2。这说明当f1风机独立工作管网风阻增大时，风机f1的风量减小，压力增大，风机f2的风量增大，压力减小，但对f1风机的影响大于对f2的影响。当风机独立工作管网风阻减小时，可以得出相反结果。

图5 独立工作管网风阻变化对风机工况点的影响Fig．5 Effect of operating point about main ventilator while wind resistance of independent network change

为了保证通风机的安全经济运行，防止矿井某一区域管网风阻发生变化对主要通风机的影响，在矿井的日常风量调节分配过程中，应密切关注风阻增加区域的风机，防止其进入不稳定工作区域，造成通风系统的不稳定，同时观测该区域的风量是否正常，以免影响该区域的正常生产。

2. 2. 3主要通风机能力变化对其他通风机的影响

如图6所示，当f2风机性能曲线增大至f22时，得到等效风机fR1和fR22在为公共风路R0服务的等效特性曲线fR122，此时f1风机的工况点由M1上移至S1，f2风机的工况点由M2变为S2。这说明当风机的能力提高时，该风机的风量和压力都增大，而其他区域风机的风量减小，压力升高。

图6 风机能力增大时对风机工况点的影响Fig．6 Effect of operating point about main ventilator while one of main ventilator ability changer

当区域式通风矿井进行能力改造时，若需要改变某一区域风机的能力或者更换大能力风机，应分析其对其他区域风机的影响。在试运行时，一定要对其他区域的风量和风机进行观测，以免其他区域风机因压力升高而进入不稳定工作区，影响矿井的正常通风。

3 应用实例

七台河某矿于2010年改进生产工艺，铺设综采工作面，两水平同时生产，改扩建后，矿井生产能力由6 万t/a直接增加到60万t/a。改造前该矿通风系统由三个入风井(主井、副提升井、人车井)和一个回风井组成，属于中央并列式通风。风机型号为BD-Ⅱ-6No20，电机功率为2×160 kW，通风能力较小。改造后，采用区域式通风，增加北翼风井，风机型号为BDNo30，电机功率为2×250 kW，通风能力较大。由于北翼风井从一水平回风大巷接入通风系统，所以造成了公共段阻力非常大，达到2 600 Pa。因此，风机联合运转时，由于风机相互影响，出现矿井总风量减少，BD-Ⅱ-6No20风机喘振现象。经分析和网络解算后，确定当前系统不采用中央风井风机与北翼风井风机联合运转工作。采用中央风井与北翼风井交换风机，由中央风井单独运行，经技术改造，降低系统公共段阻力后，再实现风机的联合运转。该矿在2011年改造完成，两风机联合运转，顺利实现矿井的区域式通风。

4 结束语

区域式通风系统存在一定的不稳定性，从其特点入手，分析区域式通风系统中由于集中运输和提升而形成的对矿井通风系统影响较大的角联网络，提出区域式通风系统角联分支的风流方向的判别方法以及角联通风网络稳定运行的措施。分析主要通风机联合运转时的相互影响，对区域式通风系统的日常管理提出建议。通过对区域式通风系统稳定性的研究，实践中指导七台河某矿的系统改造，取得了良好的效果。文中提出的区域式通风系统稳定性的研究方法正确，对区域式通风系统的日常通风管理和通风系统改造具有重要的应用价值。

[1] 魏引尚，常心坦．复杂通风系统的稳定性分析[J]．西安科技学院学报，2003，23( 2) : 119-122．

[2] 黄光球，陆秋琴，郑彦全．通风系统风流稳定性分析的新方法[J]．矿冶工程，2005，25( 4) : 8-11．

[3] 王洪粱．高海拔矿井通风机的合理选型与优化设计[J]．黑龙江科技学院学报，2013( 6) : 523-525．

[4] 张国枢．通风安全学[M]．徐州:中国矿业大学出版社，2011: 77-78．

[5] 汪崇鲜，李绪国，谭 波．矿井通风系统风量稳定性的影响因素[J]．煤炭学报，2008( 8) : 931-935．

(编辑 徐 岩)

Research on stability about regional ventilation system

WANG Hongliang，ZHANG Yingxin
( School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China)

Aimed at addressing the unstable factors in regional ventilation system，this paper，starting from the characteristic of this system，analyzes the diagonal network which occurs as a result of centralized transportation，in regional ventilation system and exerts a greater influence on ventilation system，and proposes the method tailored for distinguishing the airflow direction in regional ventilation system and the measures for ensuring the stable operation of diagonal network．These are accompanied by the analysis of the interaction of joint operations in main ventilator when there occurs changes in the public wind resistance，wind resistance of independent network，and ventilator ability，and the introduction of the countermeasures．The practices have shown that，the method，applied to ventilation system transformation，with better results，as in one mine in Qitaihe，may aid both the routine management of regional ventilation system and the transformation of ventilation system．

regional ventilation system; diagonal branch; stability;joint operation

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 008

TD724

2095-7262( 2014) 01-0034-04

A