（矿业工程专业论文）矿井高效低耗通风系统的构成模式研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 矿井通风系统的能耗是整个矿井能源消耗的最重要组成部分，因此， 对矿井通风系统能耗的研究就显得十分必要。陶阳煤矿是个开采历史近 五十年的老矿，随着矿井的不断延伸，存在着通风系统日趋复杂、通风阻 力分布失衡、通风设备老化、通风设施设置不合理等诸多问题，因此研究 一套矿井高效低耗通风系统以保证矿井安全生产，从而实现节能降耗、降 低成本的目的就显得极为追切和具有重要的现实意义。本文从建立矿井高 效低能通风系统构成模式、对矿井通风系统进行安全可靠性评价、对3 4 0 0 采区可控循环风应用研究三个方面对矿井高效低耗通风系统进行了详细 的阐述和研究，这些技术的研究成功不仅适用与陶阳煤矿，而且对与矿井 通风系统存在诸多问题的所有老矿井都具有重要的推广应用价值。 关键词：通风系统高效低耗可控循环风安全可靠性评价 山东科技大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h et m n ev e n t i l a t i o ns y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o ni st h ee n t i r em i n ep i t e n e r g yc o n s u m p t i o nm o s ti m p o r t a n tc o n s t i t u e n t ，t h e r e f o r e ，a p p e a r st ot h e m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o nr e s e a r c he x t r e m e l ye s s e n t i a l t h et a o y a n gc o a lm i n ei sm i n i n gh i s t o r yn e a r l y5 0y e a ro l do r e s ，e x t e n d s u n c e a s i n g l ya l o n gw i t ht h em i n ep i t ，h a st h ev e n t i l a t i o ns y s t e mc o m p l e x ， t h ew e l lv e n t i l a t e d r e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o nu n b a l a n c e d ，t h ev e n t i l a t i o n e q u i p m e n tg e t so l d e r , t h ec o a lv e n t i l a t e df a c i l i t ye s t a b l i s h m e n td a yb yd a y i su n r e a s o n a b l ea n ds oo nm a n yq u e s t i o n s ，t h e r e f o r es t u d i e sas e to f m i n e p i t sh i 曲l ye f f e c t i v el o wc o n s u m p t i o nv e n t i l a t i o ns y s t e mb yt og u a r a n t e e t h em i n ep i ts a f e t yi np r o d u c t i o n ，t h u st h er e a l i z a t i o ne n e r g yc o n s e r v a t i o n f a l l sc o n s u m e s ，r e d u c e st h ec o s tt h eg o a lt oa p p e a re x t r e m e l yu r g e n ta n d h a st h ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ef r o mt h ee s t a b l i s h m e n t m i n ep i th i g h l ye f f e c t i v ef e e b l e - m i n d e dv e n t i l a t i o ns y s t e mc o n s t i t u t i o n p a t t e r n ，c a r r i e do nt h es e c u r i t yr e l i a b i l i t ya p p r a i s a l ，t o3 , 4 0 0p i c k st h ea r e a c o n t r o l l a b l ec i r c u l a t i o nw i n da p p l i e dr e s e a r c ht h r e ea s p e c t st oc a r r yo nt h e d e t a i l e de l a b o r a t i o na n dt h er e s e a r c ht ot h em i n ep i th i g h l ye f f e c t i v el o w c o n s u m p t i o nv e n t i l a t i o ns y s t e mt ot h em i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m ，t h e s e t e c h n o l o g i e ss t u d i e ds u c c e s s f u l l yn o to n l ya r es u i t a b l ew i t ht h et a o y a n g c o a lm i n e ，m o r e o v e rt oh a dm a n yp r o b l e m sw i t ht h em i n ev e n t i l a t i o n s y s t e ma l lo l dm i n ep i t sa l lt oh a v et h ei m p o r t a n tp r o m o t i o na p p l i c a t i o n v a l u e k e yw o r d ：v e n t i l a t i o ns y s t e m ，h i g h l y e f f e c t i v e - - l o w c o n s u m p t i o n c o n t r o l l a b l ec i r c u l a t i o nw i n d ，s a f e t yr e l i a b i l i t ya p p r a i s a l 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的 文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学 术机关作鉴定。 硕士生签名：刁蕴迎 日期：2 0 0 5 年5 月 a f f i r m a t l 0 n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ea w a r do fd o c t o ro fp h i l o s o p h yi ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h ed o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i e na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e s i g n a t u r e ： 7 l a , r t d a t e ： ) ( u 巴钳 ， m 呵t 埘 山东科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 我国的能源相对短缺，但能源利用率不高，且浪费比较严重，节约能源、降低能 耗是我国可持续发展的战略需要，因此，国家把“节约与开发并举、节约放在首位” 作为能源利用、开发的指导方针。像陶阳煤矿这样的老矿井通风系统电能消耗占有相 当大的比重，通风能量利用率较低，浪费十分突出，给企业带来不可估量的损失。而 老矿井要发展就必须对矿井通风系统的节能问题进行分析和研究，找出根源，分而 解之。 矿井通风系统要做到安全可靠，高效节能。必须满足以下三个方面的要求：( 1 ) 主要通风机必须运行效率高，工作稳定，并与通风系统相匹配；( 2 ) 矿井通风系统必须 系统简单，运行可靠，稳定性高，有足够的新风达到用风地点，有效风量率高；( 3 ) 通风阻力分别合理，易于调节，用风地点独立通风，限制串联通风，工作面不处于角 联风路。只有满足以上基本要求，才能做到整个目前对矿井的通风系统节能研究仅仅局 限在风机优选、系统优化等，矿井通风系统的节能只是局部的节能，而通风系统节能 不仅与电气的、机械的、通风安全等方面的设备有关，还涉及到复杂的井巷系统，这 些有机地组合在一起并协调工作，形成矿井通风。因此，通风系统节能是个整体节 能问题。所谓整体节能，就是应用系统工程的思想和方法，从安全可靠的、整体的、 环境变化的、系统优化的观点出发，通过对具体系统的总体分析、综合，采取相应的 技术手段，加强通风系统管理，优化通风系统结构，在满足同样需要和完成相同任务 的条件下，尽可能地减少无谓的能量损失，降低供给的能量，提高系统能量的有效利 用率，在安全可靠和高效的基础上，达到通风系统能耗最低的目标。以实现矿井通风 系统的节能的系统性、科学性、规范性和整体性。 1 2 陶阳煤矿矿井通风概况及通风系统存在的问题 1 2 1 矿井概况 陶阳煤矿位于肥城煤田的中部，由中一：中三两个并田组成，中一井是1 9 6 5 年投 产的，设计能力为o 3 m d a 水文实验井，立井单水平上、下山开拓，井底水平标高一l o m 。 开采石炭系太原群七、八、九、十n 层煤，投产后生产能力逐年提高。1 9 7 5 年实现了产 量翻番，1 9 7 8 年产煤9 4 万吨，由于产量大幅递增，主采煤层八层煤已采完，只剩下受 量翻番。1 9 7 8 年产煤9 4 万吨，由于产量大幅递增，主采煤层八层煤已采完，只剩下受 山东科技大学硕士学位论文 绪论 水威胁的九、十。层煤，为了稳定矿井生产能力，于1 9 7 5 年经上级批准，陶阳矿进行 改扩建，开发中三井田，开采二迭系山西组三n 层煤和石炭系太原群七、八、九、十。 层煤，同年底开工，1 9 8 2 年底建成投产，设计能力为0 6 m f f a ，井田面积由6 4 8 k m 2 扩 大到1 9 6 8 k m 。增加工业储量1 1 5 6 5 万吨，可采储量7 1 1 7 9 3 万吨，1 9 8 8 年达到产煤 9 1 万吨，1 9 8 9 年至2 0 0 3 年连续1 5 年突破百万吨。 现中一井田只剩余少量受水威胁的九、十u 层煤，且一5 0 m 水平以下九、十n 层煤所 对应的地面范围经上级批准现已成为董庄铺、东穆河两自然村的新村址，以解决中三 井村庄压煤，截止2 0 0 2 年末中一井剩余工业储量6 1 2 9 万吨，可采储量3 3 6 9 万吨， 其中受水威胁2 3 5 7 万吨，呆滞煤量1 7 3 2 万吨，无有效可采储量。中三井田截止2 0 0 2 年末工业储量2 8 0 7 9 万吨，可采储量1 7 2 8 1 万吨，其中村庄压煤4 1 0 ，2 万吨，受水威 胁9 1 7 7 万吨，呆滞煤量1 3 5 万吨，有效可采储量2 3 4 8 万吨。 矿井通风方式为中央边界式，中一主、副井与串三斜井进风，中一、中三风井独 立回风。中一风井安装两台2 k 6 0 - - 6 n 0 1 8 型轴流式风机，配用功率为2 0 0 k w 电机； 中三并风井原安装两台7 0 8 2 2 1 n 0 2 4 型轴流式风机，配用电机功率为3 1 0 k w 。现中三 井风井新安装两台2 k 6 0 6 n 0 2 4 型轴流式风机，配用电机功率为3 1 0 k w 。矿井总需供 风量为6 4 4 2 m3 m i n ，总迸风量为6 8 8 7 m3 r a i n ，总排风量为7 2 7 4 m3 m i n ，其中中一 风并排风量为2 5 7 8m3 m i n ，负压18 0 0 p a ，矿井等积孔1 2 2 m 2 ，中三风井排风量为4 6 9 6 m3 r a i n ，矿井负压为2 2 0 0 p a ，矿井等积孔为1 9 8m 2 。最大通风流程中一7 8 0 0 m ，中 三1 2 0 0 0 m 。 矿井瓦斯等级鉴定历年均为低沼气矿井，目前瓦斯绝对涌出量为1 7 2 7m 3 m i n ， 开采煤层均有煤尘爆炸危险，煤尘爆炸指数一般在3 7 5 5 4 1 8 ，工作面温度一般 在2 0 4 2 2 。之间，主采煤层均有自然发火倾向，属l i 类自燃煤层，发火期6 1 2 个 月。中一井自开采以来曾发生六次自然发火，中三井自开采以来从未出现过自然发火 现象，也未发生有高温点。 全矿井总进风量为6 8 8 2 m 3 m i n ，总排风量为7 4 3 4 m 3 m n ，矿井总通风阻力为 4 2 1 4 6 p 。，其中中一井沿程通风阻力之和为1 2 8 3 4 p 。，中三井沿程通风阻力之和为 1 6 5 6 1 p 。 中一井七、八、九层煤已基本采完，仅剩采区上下山和大巷煤柱及十i i 受水威胁 的块段未有回采。现有9 8 0 0 和9 9 0 0 两个采区生产，9 8 0 0 采区有一个回采工作面、一 个掘进工作面生产，9 9 0 0 采区有一个回采工作面、两个掘进工作面生产，年生产能力 约2 0 m f f a 。中三井为多水平、上下山开拓，现有3 5 0 m 水平和5 5 0 m 水平生产，有六 个采区，其中两个生产区、三个准备区、一个已采区。生产采区为3 3 0 0 和3 4 0 0 采区， 山东科技大学硕士学位论文 绪论 准备采区为7 1 0 0 、3 2 0 0 和3 5 0 0 采区，已采区为3 1 0 0 采区。3 3 0 0 采区有两个回采工作 面生产：3 4 0 0 采区有一个回采工作面、四个掘进工作面生产；3 2 0 0 采区有四个掘进工 作面生产；3 5 0 0 采区有四个掘进工作面生产；7 1 0 0 采区有一个掘进工作面生产和进行 防治水工作。主采煤层为三i i 分上下两层回采。采煤方法为区内后退式、高档普采， 大冒落法管理顶板。年生产能力约9 0m t a 。现三i i 层煤开采已到后期，且采场分布在 矿井深部和边远地带。 1 2 2 矿井通风系统能耗的影响因素分析 陶阳煤矿有中一、中三两个井田三个水平生产，总设计能力9 0m 讹，其中中一井 3 0m t a ，中三井6 0m t a 。由于中一井已到后期，储量桔竭，只剩余少量受水威胁的九、 十i j 层煤，主采场主要安排在中三井田3 5 0 、5 5 0 水平。中三井田产量达1 0 0m f f a 左 右，超原设计能力4 0 m t a ，导致通风系统不适应。另外，随着矿井服务时间的增长， 开采范围越来越大，通风线路越来越长，导致通风阻力升高，网络系统复杂。原设计 深部补打回风立井方案很难实施，且从目前情况分析经济技术也不合理。目前矿井通 风系统能耗存在的突出问题有： ( 1 ) 通风系统日趋复杂，阻力增加。能量损耗增大 陶阳煤矿是一个开采近5 0 年的矿井，随着矿井的不断延深，致使矿井通风系统日 趋复杂，通风网路长，巷道设计断面小，通风阻力大，最大通风流程达1 2 0 0 0m 。 陶阳煤矿由于通风距离长、主要迸回风巷道断面小、用风地点多、矿井需要风量 大等原因，其矿井通风阻力较大，超过了通风安全指标的要求。如中三井最大流程 1 2 k m ，通风阻力升高，3 4 0 0 边远采区供风困难，风量不足。目前主扇机叶片角度已达 3 7 度，再调节叶片增加能力，风机强度达不到，且现在总排风量为4 6 4 9 m 3 m i n ，负压 已达2 1 0 0 p a ，能量损耗增大，也不符合风量在3 0 0 0 5 0 0 0 m 3 m i n ，负压小于2 0 0 0 p a 的规定，易造成采空区自然发火。 中三井田正在开拓3 5 0 0 采区和一5 5 0 m 采区延深工程，延深水平通风流程加长，通 风能力不足问题尤为突出。困难时期矿井需风量9 5 m 3 s ，通风阻力2 7 2 0 p a ，现运行风 机远远不能满足要求。 q ) 矿井通风阻力分布失衡 正常阻力分布比例为用风段占通风系统总阻力的3 0 左右，进、回风段各占3 5 左右。根据阻力测定结果，矿井通风系统改造以前，回风段的通风阻力占通风系统总 阻力的中一东翼占6 2 8 、中一西翼占2 4 3 ，而用风地点则占6 6 9 ：中三5 5 0 占 6 9 2 ；中三3 4 0 0 采区占4 8 8 ，而用风段最大占2 0 8 、最小8 8 ，在这种情况下， 山东科技大学硕士学位论文 通风困难、用风地点风量不足是无法避免的。 回风段局部阻力大。由于局部阻力对矿井通风影响没有引起充分的注意，所以在 矿井通风管理中对产生局部阻力的地点( 断面突然扩大或缩小、巷道转弯、分岔、冒项、 倒棚、片帮、通风设施拆除不彻底和煤、泥堵塞等) ，没有采取必要的措施，致使局御 阻力增大，能耗增大。 ( 3 ) 通风设备老化、效率低 中三风并运行风机为1 9 8 0 年安装的7 0 8 2 型风机，属已淘汰老旧杂风机，流线体 等部件锈蚀破坏严重，无扩散器，可靠性差。由于风机本身性能和带病运行，效率仅 为4 0 左右，浪费大量电耗。目前主扇风机多次出现“喘振”现象，通过分析认为现 风机运行在不稳定区域，工况点出现漂移，导致运行不稳定。 ( 4 ) 通风巷道长，通风设施多。漏风量大，无益损耗大 3 1 0 0 、3 3 0 0 采区回风下山目前已做为深部水平的总回风巷因矿压大，下山煤柱 虽按规定留设，但均被压坏，导致采区下山失修严重，有效通风断面小。尤其3 3 0 0 采 区的回风下山失修较为严重。3 3 0 0 回风下山因严重失修，现已报废，3 3 0 0 辅助下山现 既为唯一的3 3 0 0 采区和一5 5 0 m 水平以下的条主要回风巷，又是主运煤机巷，虽已 多次进行了扩修，但因巷道内安装使用有皮带运输机，在正常安全生产的情况下，不 能彻底的进行翻碹扩修，有效通风断面仅有3 5 m 2 ， 已成为通风系统卡脖子问题。同 时，因回风巷联络巷多，通风设施管理难度大，漏风较大。此外，因煤柱压坏存在自 然发火严重隐患。而由于回风道断面偏小，风量集中，致使矿井阻力增大，功率消耗 增多。 ( 5 ) 通风设施设置不合理，质量差；无益损耗增加 应该构筑密闭的地方不构筑，而用风门代替，使风门数量增多。并且有的风门设 在主要进回风巷之间，两边的压差大，漏风严重。采区的进风量都比较大，但工作面 风量不足，主要原因是通风设施的质量差，漏风大，无益损耗增加，由于通风构筑物 的漏风使通风管理困难。 ( 6 ) 通风较为困难，井下作业环境较差 由于生产分散，用风地点多，通风距离长、阻力大，致使通风困难，采掘工作面的 有害气体和热量不能得到及时稀释和排除，井下作业环境较差，不利于生产效率的提 高和职工身心健康的保证。 ( 7 ) 矿井通风电费高，加重了矿井负担 由于用风地点多，矿井风量、矿井通风阻力均较大，通风设备老化性能下降，致 使通风电费居高不下，成为矿井的重要经济负担之一。 山东科技大学硕士学位论文 1 3 研究的意义 该课题提出的以采煤工作面为核心建立的高效低耗通风系统模式与设计方法是 对现有通风节能理论的提高和创新。应用该理论方法建立的采区通风系统，具有良好 的可控性、有效性和经济性。以此为基础创建的陶阳煤矿采面通风方式，既有原则性， 又有灵活性，提高了采煤工作面分风的可控性和稳定性，大幅度地降低了通风电耗； 解决了多工作面动态复杂网络的调节控制难题，将复杂的全系统调节管理，化简为各 采煤工作面设置调整管理，符合老矿井生产“点多、面广、战线长”的特点要求，这 一模式既保障了矿井的安全开采，又节约了能源，降低了成本，实现了经济效益和社 会效益的双丰收，矿井高效低耗的通风系统技术的研究成功不仅对陶阳煤矿，而且对 于矿井通风系统存在诸多问题的所有老矿井来说都具有重要的推广应用价值。 1 4 本文研究的主要内容与技术路线 本文从以下三个方面对矿井高效低耗通风系统进行了详细的阐述和研究： l 、从建立矿井高效低耗通风系统构成模式出发，对矿井通风系统的能耗分析、 通风节能的方法结构、优化通风网络进行了研究。确定了高效低耗通风系统的评价指 标。 2 、从矿井通风系统的安全可靠性评价出发，采用模糊隶属函数对评价指标的分级 界限进行了定量的描述，并采用多层次模糊综合评价法，对矿井通风系统的安全可靠 性进行了定量综合评价，消除了不利因素的影响。有效地避免了传统的评价方法结果 单一并绝对化容易掩盖一些重要的信息的不足。 3 、从可控循环风系统布置及适用分析、安全技能措施、可控循环风工业性试验、 可控循环风技术经济分析进行了研究。建立了一整套合理详尽、切实有效的可控循环 风应用理论。 本文的组织结构： l 、绪论 2 、矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 3 、矿井通风系统的安全可靠性评价 4 、矿井3 4 0 0 采区可控循环风的节能技术 5 、陶阳煤矿矿井高效低耗通风系统的建立 6 、主要结论 山东科技大学硕士学位论文 绪论 本文的技术路线图如下： 6 山东科技大学硕士学位论文矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 2 矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 矿井通风就是创造适宜的微气候条件，保障职工身心健康和煤矿的安全生产。为 实现这一目的，必须建立由主要通风机、井下一系列井巷和通风调节设施组成的矿井 通风系统。而矿井通风又是矿井安全生产的前提和保证，所以建立高效低耗、增产节 能提高经济效益的通风系统是煤矿生产的目标。 在现有的矿井通风系统能耗分析中，大多提到风机的节能问题，而没有把整个矿 井通风系统作为一个整体对待，虽在系统优化中，有对风机的优化，但也没有从根本 上改变从高效低耗和安全的角度去分析，没有形成系统、科学和规范的矿井通风系统 节能模式。为此，该课题以提高经济效益和社会效益为目的，针对陶阳煤矿的实际和 通风现状，通过合理的通风系统调整，优化矿井通风网路，合理地进行风量分配，保 证风机和系统的匹配，可控循环风的利用等技术，既保证了矿井安全生产，又达到了 节能降耗的目的，从而降低生产成本。这对当今煤矿企业的生产、经营等具有一定的 现实意义。 2 1 矿井通风系统的能耗分析 矿井通风是一项系统工程，其目的是为井下作业区域提供新鲜风流。矿井通风系 统由矿井通风网络、通风动力和风流控制设兹所构成。不完善、不合理的矿井通风系 统是造成矿井通风能耗大、浪费严重的根本原因。 通风系统节能是一个非常广泛的概念，而要建立高效低耗的矿井通风系统，就必 须研究矿井通风网络、通风动力和风流控制设施等3 个方面及其相互衔接关系。通风 系统节能不仅与电气的、机械的、通风安全等方面的设备有关，还涉及到复杂的并巷 系统，这些有机地组合在一起并协调工作，形成矿井通风。它们既相对独立，又相互 关联、相互制约。因此，通风系统节能是一个整体节能问题。所谓整体节能，就是应 用系统工程的思想和方法，从安全可靠的、整体的、环境变化的、系统优化的观点出 发，通过对具体系统的总体分析、综合，采取相应的技术手段，加强通风系统管理， 优化通风系统结构，在满足同样需要和完成相同任务的条件下，尽可能地减少无谓的 能量损失，降低供给的能量，提高系统能量的有效利用率，在安全可靠和高效的基础 上，达到通风系统能耗最低的目标。 2 1 1 矿井主要通风机的能耗特性 矿井主扇是矿山的“肺脏”，矿井主要通风机是煤矿生产的主要耗能设备，在通风 节能在整个矿井生产节能中占有重要地位。主扇的能耗占全矿通风能耗的8 0 9 0 以 山东科技大学硕士学位论文 矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 上。矿井主要通风机的电耗主要取决于三个方面，一是主要通风机本身及运行状况； 二是配套电机的合理性；三是矿井通风系统及其与主要通风机匹配问题。 对陶阳煤矿来说，中三井一直采用7 0 8 2 型风机，该风机轮毂比大，气动性差，与 通风网络不匹配，因此，效率很低，通风能耗大，该风机为国家明令的淘汰产品，改 用2 k 6 0 风机后，风机气动性能好，风量较大，风压较低，风机效率高，噪声低：消除 了“驼峰”，且结构简单，安装方便，与陶阳煤矿通风网络特性相匹配，而且节能效果 十分明显，创造了很好的经济效益和环境效益。因此，改进、更新陈旧过时的通风设备 是改善矿井通风的重要途径。风机优选是从各种型号的风机中选出与通风网络相匹配 的风机，使其满足工作面供风要求，且能耗最小。使用计算机优选风机可使该项工作更 为快捷有效。 2 1 2 通风系统中井巷的能耗特性 矿井通风系统的能耗状况取决于井巷系统的特性，一般用井巷系统的风阻曲线来 描述。对于特定井巷的风阻值可认为是定值，其能耗特性可用下式表示： n r = r q 2 ( 2 - 1 ) 式中：。一l m 3 空气在井巷系统中流动所消耗的能量；j m 3 ： 胄一井巷风阻；k g m 7 q 一风量；m 3 s 从公式看出，它是一条抛物线，r 值愈大，风阻曲线愈陡，其井巷系统的能耗愈 大，如图2 1 所示。因此，对于整个矿井来说，风阻值的大小对于降低矿井的能耗是 图2 - 1r 值与消耗功率n r 之间的关系 f i g2 - 1t h er e l a t i o nb e t w e e nrv a l 如a n dc o n s u m e dp o w e rn e 至关重要的。 在井巷通风系统中，系统总能耗符合能耗叠加原理。对于正在运行的实际井巷通风 8 - 山东科技大学硕士学位论文 矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 系统，为了使风量按需分配，必定要对网络某些分支进行调节控制，故各个风流路线上 的总能耗是相等的，那么在合理的井巷通风系统中至少有一条没有进行增阻调节的路 线，该路线的能耗分布就反映了复杂井巷系统的能耗分布，也称其为井巷通风系统的 关键路线，它在井巷通风系统中的位置并非固定的，它随生产布局、需风量、井巷通 风系统结构等参数的变化而变化，因此井巷通风系统节能是一个动态过程。为此，在 通风系统安全可靠性的基础上，要达到节能的目的，需作如下工作： ( 1 ) 优化通风布局： ( 2 ) 矿井通风网络优化； ( 3 ) 巷道优化设计。 2 1 3 通风设施的能耗特性 在矿井通风系统中，在需要调节的路线上必须安设相应的通风设施，以调节、控 制、诱导风流，保证工作区域的正常通风和系统安全。良好可靠的通风构筑物对通风 节能具有重要的作用。抽出式通风的矿井，设置和维护好密闭，尤其是回风井1 2 1 密闭， 防止破损，非常重要，否则，外部漏风增加，能耗增加。在矿井，局部阻力一般为摩 擦阻力的1 5 2 0 左右，但由于构筑物尺寸、安装质量和维护管理等原因，不少矿井 的局部阻力比重很大，甚至占全矿的1 ，3 。另一种情况是老矿井习惯采用风窗调节风量。 而对风窗的影响区域及合理位置掌握不准，不同程度地存在着滥设风窗的现象。即只 凭经验，考虑一段时期的调风需要来设置，又不随着通风网路和需风量的变化及时对 风窗进行调整或拆除。当某些区域风量不足时，采取提高风机工作风压和工作风量的 方法来提高用风地点的风量，同时对因风机加大风压和风量造成风量过剩的区域，则 在其回风巷增设风窗调节。年复一年，致使井下风窗遍布，矿井总阻力也就越来越大， 使得矿井风流越来越乱，通风能力不足，通风困难。并导致风机在高风压低风量下运 行，通风电费大增。因此，合理设置通风设施和保证其质量，避免人为增阻现象是降 低矿井通风运行费，进行节能的一个有效途径。 通过分析可看出，要实现矿井通风系统的高效低耗，就必须从上述三个方面出发， 建立一个有效的模式，实现全面节能，保证安全生产。 2 2 矿井高效低耗通风系统的构成模式 造成矿井通风系统能耗高的主要原因是：通风方法、设计手段和通风设施； 风机性能；管理水平。矿井高效低耗通风系统的构成模式也以这三个因素为基础而 建立。 2 2 1 矿井通风系统中的能耗分布 山东科技大学硕士学位论文矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 从系统的整体和优化的观点出发，在保证通风系统安全可靠的前提下，综合分析 影响通风系统能耗的所有因素，找出相应节能措施，具有现实意义。通风系统中的能 耗分布可用图2 表示。 相互匹配 系统的地面部分 系统的井下部分 j 目j 口，- 1 2r s o 主电 n o r 1 主要通 n o r i r 2 通风机通风网 n o 玎1 r 2 r 3 玎4 机( 能 - 风机辅助装络( 内 量转 ( 加工置( 外部损 换)转换)损耗)耗) n 。( 1 一玎。)n o r ( 1 一叩：) ( 损失)( 损失) n o 玎。r 2 ( 1 一，7 3 ) ( 损失) n o 可l 叩2 ，7 3 ( 1 一，7 4 ) ( 损失) 图2 矿井通风系统中的能耗分布图 f i g2e n e r g yc o n s u m p t i o nd i s t r i b u t i o nm a po f m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m 矿井通风系统的总能耗为： 觥= 。( 1 一玎。) + n o r 。( 1 一叩2 ) + n o r , r ：( 1 一叩3 ) + 0 玎l 玎2 砺( 1 一印。) 2 n o ( 1 一r , r 2 叩，叩4 ) 式中：n 0 _ 一通风系统的输入能量； 口 1 7 3 町j 刁厂各环节的用能效率，。 ( 1 ) 主电机和传动能耗 通风机的输入功率为： n = n on l = n on mn * k w 式中：刁。一电动机效率，； _ 1 7 。一传动效率，； 能耗为：n 自落= n o ( 1 - 刀。刀 ) k w ( 2 ) 主要通风机的能耗 翮庐n o r l ( 1 一可2 ) 式中：刀j 一风机的效率，； ( 3 ) 矿井主要通风机辅助装置的能耗 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 山东科技大学硕士学位论文矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 在矿井中，主要通风机的地面辅助装置由于漏风、通风风峒的质量等引起的多 余能耗。f 7 3 是矿井中空气运动的总能量与在通风风峒入1 2 1 前的能量值的比值( 抽出 时) 。 可，= 1 一丽q h ( 2 - 4 ) 式中： q 、仔一矿井总风量和总负压，m 3 s 和p a ； q b 、h 。一主要通风机的风量和负压，m 3 s 、p a 。 能决定刁，值大小的诸因素，其相互间可用等效公式表示： 仉：l 一0 一k 。) 3 【( 1 一k 。) 2 + r r 。j ( 2 - 5 ) 铲一l ( 1 + 厨+ 妻h p 回 式中：k 。= 1 一q 绋，是由于地面构筑物和通风机风道的不严密性，在空气经过时而产 生的外部漏损( 吸入) 系数； r ，r 。、r f 一矿井的总风阻、外部线路吸入空气的风阻和通风机风峒的风阻， n s m 8 。 从公式( 2 5 ) 、( 2 - 6 ) 可知，矿井通风中无效益的能耗很大程度取决于地面构筑物和 通风机风道的密闭程度，还取决于风阻的大小。 应该指出，按公式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 求出系数口j 时，用在矿井通风上的有效功为 一定值，而通风系统动力效率的增加只能看作是减少通风风道的风阻僻r 的值) 和增大 外部吸入空气线路的风阻( 相应减少r r 。的值) 的结果。按公式( 2 4 ) 进行的计算，可以 量估出外部通风系统的能量损失，并可确定使其降低的方法。 ( 4 ) 矿井通风网络内的能耗 由于网络结构不合理，通风设拖设置不当等引起的消耗。其最终表现在供风量的 问题上。该值的真正价值是能挖掘辅助能耗的经济潜力，使通风时矿井供风的大部分 得到合理的利用。 对于低瓦斯矿井矿井内部空气的合理利用系数用下式确定： k p5 南g ( 2 - 7 ) 式中：妒= 幺q 一井下漏风量与全矿井总回风量的比值，； c 一矿井微风流中瓦斯的实际浓度，。 从公式( 2 - 7 ) e e 可得出，通风网络的用能效率近似等于”： 山东科技大学硕士学位论文矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 ”n s 卜丽c ( 2 - 8 ) 在上述的通风系统总体效率的所有因素中，电机及传动效率已定，只有网络和风 机效率可变，应视为影响效率的主要因素。通风系统的无益功耗，主要是网络内部和 风机附属装置的阻力和外部漏风的功耗以及风机的调节性能对电机负载率的影响，而 风机附属装置的阻力和风机的调节性能对电机负载率的影响所消耗的功率与其他项相 比可忽略。 2 2 2 矿井高效低耗通风系统的构成模式 从矿井通风系统中的能耗分布中可看出，要建立高效低耗的矿井通风系统就必须 依此为基础来进行。其模式如图3 所示。 图3 矿并高效低耗通风系统的构成模式 f i g3 t h ec o n s t i t u t i o np a r e mo f h i g he f f i c i e n c ya n dl o w - c o n s u m p t i o nm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m ( 1 ) 矿井通风系统的安全可靠性分析与评价 保证通风系统的高效低耗，首先该通风系统应是安全可靠的。而矿井通风系统是 一个复杂、动态的系统，受到众多、复杂的内外因素影响，其安全可靠性评价属于多 山东科技大学硕士学位论文矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 因素综合评价问题，传统的评价方法有总分法和加权平均法。本课题采用模糊隶属函 数来定量地描述评价指标的分级界限，并采用多层次模糊综合评价法，对矿井通风系 统安全可靠性进行定量综合评价，以便尽可能地消除不利因素的影响。 ( 2 ) 通风网络优化 优化通风布局。由于陶阳煤矿范围大，为改善通风困难状况，应尽量利用废旧井 巷，构成多井巷回风并联通风网络。并合理安排采掘接续，实现均衡生产，以保证井 下风压分布均衡、漏风少、有效风量率高，风机开启灵活、便于调节，可达到较好的 通风节能效果。 优化通风网络。优化通风网络是通过对网络进行解算，在满足工作面及井巷风量 要求的前提下使整个网络的功耗最小。通风网络按其受控程度可分成三种，一是自然 分风网络，对于多风井自然分风网络，动力消耗最小的条件是各风机工作风压相等； 二控制型通风网络，该类网络的各分支的风量已知，要求出风机和调控设施的位置和 工况以取得所需压降和满足回路风压平衡，可采用线性规划法和关键路径法来实现； 三是一般型通风网络，即部分自然分风部分控制分风网络，此类网络的优化研究相对 较困难，发展亦较缓慢，此类问题一般用非线性规划来求解，适用的解算方法也多种多 样，如罚函数法、约束变尺度法、广义简约梯度法和混合罚函数法等。 风道优化。由流体力学可知，当风道断面一定时，水力半径最小的风道风阻最小， 而在各种断面形状中，以圆形断面的水力半径最大。故而在条件许可的情况下，主干 道应尽量设计成类圆形断面。为降低风道表面摩擦，可采用表面衬砌、光面爆破等技 术措施。此外，对于专用风道，当通过的风量一定时，存在最优经济断面，现已有很 多巷道断面优化方法如：平松良雄法，该方法考虑了开凿费、通风费、投资费，仅适用 于确定单一井巷的断面，而且没有考虑巷道的维护费用；拉格朗目乘数法，需预先确定 网络的总风压，与断面大小有关的掘进费、维护费和通风电费总额是否最低没有结论， 因为该方法不能考虑通风电费：通路法，该方法的优化思想是考虑网络中的最大阻力 路线的各风路，使增加断面的总费用与降阻的节电费用之差最小；动态分析法，该方法 认为风道的最优断面应是一个区间，风道断面优化必须考虑资金的时间价值和风道的 服务年限。 ( 3 ) 局部降阻 降低矿井关键路线的长度及其井巷阻力，矿井主要进回风道的通风阻力以及巷道 转弯角度等局部阻力对形成分支的井巷风阻起决定性影响，同时关键路线上的流程长， 也会造成井巷通风系统总风阻大和能耗多，这在陶阳煤矿通风系统中存在多处。降低 关键路线上某些分支的风阻( 缩短长度、扩大断面、清除局部阻力) ，不仅可以降低主 1 ， 山东科技大学硕士学位论文矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 要通风机的工作风阻，增加风量，而且可以获得较好的经济效益。 当进回风网存在角联，而且进风网中的角联巷道风流是由关键路线流至非最大阻 力路线上的用风地点；回风网中有非关键路线上的风流流至关键路线上，当通风网路 中具备这种条件时，可采用减小并联分支的风阻、分流关键线路上的风量的方法来降低 通风阻力：或采用增大角联巷道风阻的方法来减少关键路线上某些分支的风量，最终 达到系统能耗降低。 当然，对通风系统的改造，必须首先考虑通风设施和井巷的合理运用，充分利用 废弃巷道增加风路或通过其改变已有分支的联接方式，改变用风分支的布局和风网结 构，尽可能充分发挥现在设备设施的能力，推迟和减少不必要的井巷工程和通风设施 达到经济配风，达到降阻节能的目的。当然对向陶阳煤矿这样的老矿井，通风路线长、 阻力大、服务年限长，在充分利用的现有并巷和设施的情况下，还必须综合考虑，布 置一些新的井巷以缩短风路，减少阻力。 在对用风地点的风量进行分配时，用风地点的风量越接近于自然分风的风量分 配，则需要的增阻调节量就越小，井巷系统的总风阻和总能耗也就愈小。在井巷系统 结构和矿井总风量不变的情况下，用风地点的配风不同，井巷系统能耗有较大的差异， 通过合理采掘布局、合理的配风，可达到井巷通风节能的目的。 ( 4 ) 合理的通风构筑物 通风构筑物位置和数量不合理，一方面不能保证用风地点按需供风或导致通风阻 力增加；另一方面可能导致通风系统的安全可靠性降低。通风设施的位置对通风系统 的安全可靠性是很重要的，一定要经过充分的技术论证，考虑到可能发生的各种情况， 才能确定通风设施的合理位置。通风设施设好后还要对受其影响的区域的各个分支风 流情况进行考查，发现问题及时处理，确保通风系统技术上科学，经济上合理，安全 上可靠，从而确保煤矿安全生产。 矿井内外部漏风是一个较难解决的问题，一方面由于通风设施质量不过关导致漏 风，另一方面通过采空区塌陷及围岩裂隙等通道漏风。据陶阳矿的调查，矿井内部漏 风率一般都在2 0 3 0 之间。在井内风网系统中采取“查、堵、顺”措施，减少内部 漏风；在回井口对防爆门及风机附属装置加强检修；加强管理，并且提高通风设施质 量，不仅能提高矿井有效风量率，加强矿井的安全性，而且可以降低风机无益电耗， 提高经济效益。 ( 5 ) 主要通风机参数的优选 通风机装置是矿井通风的心脏，是通风系统最重要的组成部分，它功率大，日夜 不停地运转。耗电量很大，在对主要通风机进行改造时，应优先考虑提高风机装置综 山东科技大学硕士学位论文矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 合效率，即在系统改造的基础上通过风机调速、调整叶片安装角度等措施提高效率， 其次是更换高效率的风机。 矿井主要通风机运行参数的优化，就是在确保通风机为矿井通风提供足够风量及 适宜风压的前提下，使得通风机能耗( 即通风机轴功率) 最低，通风机工作效率最高， 即让通风机在其服役期内始终处于工况点最优的理想工作状况之中。 实践表明，在生产矿井多种不同参数组合的通风系统中，所安装的某些高效型通 风机不一定能够获得很高的工况点效率，特别是对于大风量、低阻力的特大型矿井通 风系统和小风量、高阻力的中小型矿井通风系统，则在通风机运转期间就利用不上其 高效区。生产矿井需要降耗节能、提高风机运行效率时，就必须通过现场实测对风机 运行参数进行实时优选决策。 生产矿井通风机工况优化与节能调节的效果则可从风机运营中取自电网的耗电量 降低值上得到反映。由此可见，生产矿井通风机工况优选决策是矿井通风系统整体优 化中的重要组成部分。通风机工况点是由通风机在特定转速仃时的个体特性曲线和矿 井通风网络风阻特性曲线的交点共同确定的。对于某一生产矿井来讲，只要这两条曲 线之一( 或同时) 的形状与位置有了改变，风机工况点的位置也就有了改变。因此，通 风机工况的优选决策，从理论上讲则是通过改变风机性能曲线或矿井通风网络风阻特 性曲线来实现的。 通风机工况的优选决策就是基于矿井通风机的运行状况，根据矿井通风的需要，人 为的改变风机运行工况点位置，使风机风量，风压等工作参数适应矿井新条件下的通 风要求。 通风机工况优选决策方式 1 ) 改变通风机个体特性曲线 主要方法有： 改变通风机转速”； 改变轴流式通风机动轮叶片安装角p ； 改变离心式通风机前导器角度。 2 ) 改变矿井通风网络风阻特性曲线 主要方法有： 优化矿井风网结构，降低通风网络的风阻值r ； 调节风机风硐调节闸门的开启程度。 通风机工况优选决策调节的方法与实施： 风机工况调节方法与节能的关系密切。一般讲，对生产矿井都有多种通风机工况 山东科技大学硕士学位论文矿井高效低耗通风系统构成模式的建立 优选决策方式可以改变通风机工况点，调节通风机工作风量和风压使之满足矿井通风 的动态变化需要，但各种风机工况优选决策方式的运行总能耗却相差很大。例如，我 国矿井过去习惯采用调节风硐闸门来改变通风机工况点，这种方法操作简单容易，快 捷易于实现，然同时消耗于闸门上的能量损失也往往很大。所以，进入2 0 世纪8 0 年 代以来，我国的矿用通风机工况