（安全技术及工程专业论文）吕家坨矿通风系统稳定性与可靠性研究.pdfVIP

a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mo fs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h em i n e v e n t i l a t i o ns y s t e m ，t h et h e s i sm a i n l ya n a l y s e st h em i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m o fl vj i at u ot h a tb e t w e e nt h ep e r i o df r o mw a t e r - m i n i n g t o m a c h i n e m i n i n gt h ee m p h a s i si sp u to nt h et h ep r o b l e mo fs t a b i l i t yo fa i r f l o wo ft h ed i a g o n a ls t r u c t u r e ，a n da l lt h ed i a g o n a ls t r u c t u r ea l ea t t a i n e db a s e do nt h e s i m u l a t e ds y s t e ma n da r ed e a rw i t hd i f f e r e n tw a y sb e c a u s eo f t h ed i f f e r e n tl o c a t i o no f t h ed i a g o n a ls t r u c t u r ea tt h es a m et i m e ，t h ep r o b l e mo f t h er e l i a b i l i t yo ft h em i n e v e n t i l a t i o ns y s t e mi sa l s oa n a l y z e d ，a n dt h ev a l u eo fr e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e m i sa t t a i n e d a n dt h el a n e w a y so ft h em i n ea r eh i e r a r c h i c a l l y a d m i n i s t e r e db a s e do ns e n s i b i l i t yo ff a i l u r eo fr e l i a b i l i t y ，i no r d e rt h a tt h e m i n ec a np r o d u c es a f e t i l ya n dh i g h l ye f f e c t i v e k e y w o r d s ：v e n t i l a t i o ns y s t e m ，s t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t y , d i a g o n a ls t r u c t u r e 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 矿井通风的目的，在于用最经济的方法向井下各用风地点提供一 个适宜的工作环境。在矿井建设和生产过程中，向井下所有工作地点 供给必要而又适量的风量，以保证生产安全和环境卫生的需要，是一 个十分重要的问题。矿井通风是煤矿生产过程中的一个重要环节，是 实现安全生产、防治瓦斯煤尘事故隐患的必要条件。有效合理的通风 不仅能满足矿井生产的通风要求，而且对井下火灾及瓦斯和煤尘爆炸 的防治也起着至关重要的作用。这是因为，矿井通风是稀释和排出瓦 斯与粉尘最有效、最可靠的方法，也是创造良好劳动环境的基本途径， 而合理的通风又是抑制煤炭自燃和火灾发生的重要手段。 通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，对保证正常生产和防 治灾害发挥着关键的作用。通风系统是一个复杂的动态的系统，它的 稳定的因素很多，各个因素的变化都会引起整个系统的变化，甚至发 生事故。因此研究矿井通风的可靠性和稳定性及其影响因素有重要的 现实意义。 矿井通风系统的稳定性差，说明系统的参数变化容易超过某允许 值，系统就不能很好正常运行，比如不能提供足够的新鲜风量，有害 气体不能保持允许浓度之内，工作环境变化差，另外说明系统的抗灾 能力差，这样整个系统的可靠性也差。但是通风系统可靠性问题不仅 研究网络结构及风机等的稳定性，而且需要研究通风系统中各组成部 件的寿命、技术管理水平及灾害性事故的发生情况( 瓦斯、水、火等) ， 以期保证在矿井生产期间，系统可以安全可靠地运行。这就是说，巷 道的稳定性及支护方式、通风构筑物的设置及管理情况、风机装置的 运行情况与事故发生情况均是可靠性研究的内容。通过对它们的研究， 从而获得它们对矿井通风系统的可靠性的影响程度，对系统的可靠性 的提高提供依据。因于时间限制，论文只研究通风网络的可靠性与通 风系统的稳定性问题。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 1 2 矿井通风系统的可靠性及稳定性的研究现状 1 2 1 矿井通风系统的可靠性研究现状 对于从矿井通风系统可靠性角度出发的研究，国内外都作了研究， 提出了各种评价方法，介绍如下。 在前苏联，认为矿井通风系统可靠性决定于下列相互独立的因素： 通风系统设计时，原始资料和计算方法与实际的吻合程度，矿井通风 网络功能可靠性，扇风机装置的可靠性 2 1 。这样通风系统的可靠度为： r = r 。氏r r o ( 1 1 ) 式中 r 一通风系统的可靠度； 见一原始资料的可靠度： r 一计算方法的可靠度； 足一通风网络功能的可靠度； r 一扇风机装置的可靠度。 下面简单介绍几种求解以上各部分可靠度的方法。 1 2 1 1 状态函数法 为确定通风系统可靠性所采用的这一种函数， 靠性方面的状态特征函数： 矽= 烈s ) 式中 它表示通系统在可 ( 1 2 ) s = ( s 。，s ：，s 。) 一通风系统特征的矢量； 墨，是，e 一通风系统特征参数。 状态函数应具有单调性；假定f s ”( 即对于所有分支n = l 2 ，m ， f s ”) ，那么 ( s ) 庐( s ”) ( 1 3 ) 式中 f 一表示第一通风系统状态特征的矢量； 一表示第二通风系统状态特征的矢量。 令& 为矿井实际条件下通风系统状态特征矢量，s ，为设计所用条 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 件下的通风系统状态特征矢量。s ，向坏的方向偏离影越大，系统越容 易发生通风故障。通常，状态矢量s 的物理意义是这样的：s 。向坏的 方向偏离& 就意味着以 s p ( 例如若s 为巷道所需风量的矢量或风阻矢 量，并且假使某个分支i 的s 4 办，因而故障率 近似正比于矿= 办以，即 a = a 西( 1 - 4 ) 式中 口一比例系数： 矽一通风系统的故障率。 在通风系统可靠性好的矿井内( 即矽= 1 及五- , - a ) ，几年才发生一次通 风系统故障，因此可以令a = ( 1 0 一1 0 。) ，月。 由此可得； 矿= ( 吒吮+ 九+ a c g o + 吒疙) 口 ( 1 5 ) 式中 一通风系统的状态函数； 以，嚷一原始资料的状态函数及相应的比例系数； 屯，一计算方法的状态函数及相应的比例系数； 绣，一通风网络的状态函数及相应的比例系数； 以，吒一扇风机装置的状态函数及相应的比例系数。 当矿山地质条件和采矿技术条件相同，而矿井通风系统有两个方 案时，a 为常数，由式( 1 4 1 得： 五五= 破如 ( 1 6 ) 式中下标1 和2 为方案序号。 因此，具有矿值较小的方案更可靠，可见痧可用作评价矿井通风系 统可靠性的指标。 ( 1 ) 原始资料的可靠性 从可靠性观点来说，矿井通风系统的原始资料可靠性可用两部分 表示：计算风量的原始资料可靠性与计算风阻的原始资料可靠性，因 为即使前者计算可靠，后者计算不准确，也不能满足所需的风量。因 而 r = 如如 ( 1 - 7 ) 式中 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 尺。一原始资料的可靠度； 如一计算风量的原始资料的可靠度； 足，一计算风阻的原始资料的可靠度。 表示计算风量的原始资料的状态特征矢量为： s = q = ( q 1 ，q 9 1 t oo q ，q ) ( 1 8 ) 式中 q 一第i 条巷道的风量。 取矿井总风量q 0 为其状态函数： q o = 丸( q ) ( 1 9 ) 状态函数q o 具有单调性，因为q q p 时，q o q o ，。若某一巷道f 的 q q j ，那么从可靠性观点看，可以认为q = q j ，因为一般情况下， 通风系统故障是风量不足，而非过剩。这时计算的矿井总风量将有条 件地为q o ，因为q 0 ，是这样一些地点的计算风量岛之和，这些地点的 需风量小于实际的供风量。计算风量的原始资料的可靠性指标为； 如= q 0 = g q o ，= 1 + ( q 一q o ，) q o p = l + 乞 ( 1 - l o ) 式中 毋一由于原始资料的不可靠导致的q o 相对误差。 表示计算风阻的原始资料的状态特征矢量为： s = r = ( r ，r ，墨* o9 民) 式中 r 一第f 条巷道的风阻，i = 1 , 2 ，珐 取矿井总风阻r l 作为其状态函数： r ，= 屯( 励 函数的单调性是显然的，当心 & 时，民 r ， 资料的可靠性指标为： ( 1 1 1 ) ( 1 1 2 ) 计算风阻的原始 屯= r = r r ，= 1 + ( r 一民，) r ，= 1 + p ( 1 - 1 3 ) 式中 正一由于原始资料不可靠导致的r 的相对误差； 皖和e 可用误差理论计算。对于全矿决定于通风系统，能达到 7 0 ，对于个别巷道，可达2 0 0 。 类似式( 1 4 ) ，整个原始资料的可靠性指标为： 唬= ( 死+ 丸) 巳 ( 1 - 1 4 ) 近似计算时，认为= = ，由式( 1 - 1 0 ) 和( i - 1 3 ) 得： 辽宁工程技术大学硕士学位论文5 以= 2 + 疋+ 4 ( 1 1 5 ) 这样，原始资料的可靠度为： r = e x p ( 一九) = e x p ( 一吒破t ) = e x p 一口( 2 + 磊+ 4 ) f 】 ( 1 - 1 6 ) 式中 无一原始资料的故障率。 从上面可以看出原始资料的可靠度与计算风量的相对误差疋及计 算风阻的相对误差盈成指数关系，随着后两者的增加，原始资料的可 靠度沿指数曲线减小。 由于原始资料的失误，导致矿井投产后的系统的可靠性差，而进 行系统改造的例子并不少见。因此有学者在这方面进行了研究。 ( 2 ) 计算方法的可靠性 从可靠性观点来说，矿井通风系统的计算方法的可靠性可以用风 量计算方法的可靠性和风压计算方法的可靠性来表示，即 心= k = 如 ( 1 - 1 7 ) 式中 吃一计算方法的可靠度； 一风量计算方法的可靠度； 民。一风压计算方法的可靠度。 风量计算方法的状态矢量和状态函数，它的可靠性指标类似于式 ( 1 9 ) ： 既= q 。= 1 + 疋 ( 1 1 8 ) 式中 一由于计算方法不完善导致的q d 的误差a 风压计算方法的故障，即风压计算方法的误差，既有由于原始资 料的误差( 计算风阻的误差和计算风量的误差) ，也有由于风量计算方法 的误差。用可靠度& ，和来表示这些误差的可能性，因此风压计算 方法的可靠度为：= l 。 因此计算方法的可靠度为： 吃= r q = e x p ( 一九q t ) 2 e x p ( 弋k 吮。t ) 2 e x p - a , w ( 1 + ) t 】 ( 1 - 1 9 ) 计算方法的可靠度一般要比原始资料的可靠度要高。 ( 3 ) 矿井通风网络的可靠性 矿井通风网络状态矢量和状态函数相应地用式( 1 - 1 1 ) 和( 1 1 2 ) 表 示。设计时准确计算的实际需要的风量分配为瓯，而实际的风量分配 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 为q ，它可能由于矿井通风网络功能的不可靠性而向坏的方面偏离需 要值。因为一般地，通风网络故障是风量不足而非风量过剩，那么当 q 线时，可以认为q i = 绋。因此，9 _ o ， - q o a g - # 通风网络的可靠 性指标为： 晚= q r 】= q o ，9 - 0 ( 1 - 2 0 ) 一般情况下，由网络的实际参数解网络问题求得q o 。，个别情况下， 当矿井实际总风量确定是q 。时( 即当所有分支内q ， q ，时) ，则有 q o = 日r ，由式( 1 2 0 ) 得： 绣2 蒹2 丽 ( 1 2 1 ) r = e x p ( 一凡t ) = e x p ( - a o 唬t ) 2 e x p ( - a o r r ，t ) ( 1 - 2 2 ) 因此，矿井通风网络的可靠性决定于实际的矿井总风阻超过计算 值的程度，两者是指数曲线的关系。其它条件相同时，森随关联分支 的增加而减小，因此通风网络的关联分支数增加，其可靠度也增加。 ( 4 ) 通风机装置的可靠性 通风机装置的可靠度： 兄= e x p ( 一屯t ) ( 1 - 2 3 ) 式中 无一通风机装置的故障率。 由此可见，状态函数法在计算原始资料和计算方法的可靠性方面 较好，因此在矿井设计阶段，由于所用到的某些参数与实际值有偏差， 但又无法确定这些偏差值，就可用这种方法估计，可见状态函数法适 合于设计矿井的可靠性评价。至于对生产矿井，由于原始资料和计算 方法的误差，最终均表现在矿井计算所需的风量与其实际所需风量的 偏差，这样就可以将它们并入通风网络的可靠性计算中。 1 2 1 2 最小路法 主要用于研究通风系统的通风网络和扇风机装置的可靠性。 概据矿井通风系统绘可靠性图，图的弧是网络和风机装置的部件： 巷道，通风构筑物，系统安检装置，主要通风机装置。每个弧有两个 指标来表示：通风系统相应部件的有效度4 和平均维修时间m d t , ，其 按实测资料计算： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 m d t , = ( t ) n 4 = 1 - m d t , t ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) 式中 t 一在观测的第，个时间间隔内部件维修的随机时间之和； n = 丁t ：观测的间隔数； 丁一观测的总时间； 丁一观测时一次间隔的时间。 假设所有部件的故障率和维修率时独立的和稳定的。通风系统可 靠性的计算问题就归结于在图上找出所有最小路( 即联接矿井通风网络 进出端，且经过用风地点的弧的集合，用u ，表示，= 1 , 2 ，m ，其中 m 表示最小路数量) ，砜，是在所有最小路中具有最小有效度的最小路， 则玑最小路的有效度就是整个通风网络的有效度，即 肚a u o - 2 r a 。i na , ，r a 叶i 。nl - i a i ( 1 2 6 ) 式中 m 一可靠性图上所有可能的最小路之集； a 一第i 个部件的有效度； 彳。一箭条最小路的有效度； 4 。一有效度最小的最小路的有效度； 爿一网络的有效度。 通风系统的平均维修时间： 坳r = ( m d t , ) u o l ( 1 - 2 7 ) 式中 i = - u 。 泐r 一通风系统中第i 个部件的平均维修时间： i 卜z f 。最小路内的弧数。 为了提高通风系统的可靠性，采用了所谓可控量数：调节器在网络 内的位置，系统的调节器数量，减少通风系统部件故障的措施。首先 确定所有可允许的全部可控量数。对于每一套可控量数绘新的通风系 统可靠性图，该图是符合该套可控量数的原始通风系统图。然后在该 可靠性图上，由式( 1 - 2 6 ) 求出新通风系统的有效度。对具有最大有效度 的通风系统解网络问题。如果该通风系统不能保证安全规程要求的风 量分配，那么，有类似的方法计算有效度第二大的通风系统，如此一 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 直到求得满足需风量的通风系统。这一系统中的可控参数可用来提高 原通风系统的可靠性。 1 2 1 3 统计模拟法 统计模拟法计算矿井通风系统可靠性是在矿井通风网络内多次实 施风量分配。每次实施的风量分配，决定于矿井通风网络部件的随机 改变的具体空气动力参数( 风阻或自然风压) 。同时假定，对于所研究的 矿山地质和采矿的技术条件，不同类型巷道和通风构筑物的风阻r 以及 自然风压h 的随机变化的分布规律是己知的。此外假设，对于整个矿井 通风网络部件，平均正常工作时间m u r , 以及维修时问m t d 空气动力参 数的随机变化值之间的经验关系肋r d 正= f ( a r 。，a h 。) 也是己知的。每次模 拟求得的矿井通风网络分支的风量q 与风量允许值区间进行比较。在 此区间内的模拟次数与模拟总次数之比，用作评价该通风系统网络部 件正常工作概率这。若补充假定，对于所有瓦斯偶然增大的情况，己 知它们的参数( 瓦斯涌出量增大的时间间隔乙，瓦斯涌出强度增量m ， 瓦斯涌出强度变化速度v i 和瓦斯涌出量增大的延续时间= 识( m ，v i ) 分布律，那么，用类似方法可以计算巷道内瓦斯爆炸危险积聚的概率。 1 2 2 矿井通风系统的稳定性的研究现状 稳定性理论由俄国数学家李雅普诺夫创立的，二十世纪三十年代 以来，稳定性理论有很大发展，在自动控制，振动理论，系统工程方 面有广泛应用。 国内对于网络稳定性研究较多的是网络分支的风流方向问题，主 要的方法有线性方程法，井巷风阻比复合判别法和节点位势法等。这 些方法对于大型复杂网络的风流向判别比较困难，但随着计算机的普 及，网络解算程序的应用，问题就得到较好解决。但对于网络分支的 风阻变化规律及这种变化对于其它分支的风量的大小和方向影响，却 没有得到很好的解决。下面介绍一些这方面的情况【3 】。 1 、数值模拟法 风路稳定性的数值模拟过程包括角联风路的确定，角联风路的风 向判别，一般风路的风阻变化区间，风路的风流状态模拟的数据处理。 ( 1 ) 角联风路的确定 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 采用通路法，首先建立节点通路矩阵p 尸= ，县，只) = 蝎) 。 ( 1 2 8 ) 其中 _ p ：jj 箭个节点在p 通路上 1 1 0其它 下面用集合论的思想来表达通风网络中某条风路e ( v a ( x ) ，( k ”是 角联风路的充要条件。 设：任意两条通路只与c 之间有子路g z = ， 存在，它们首 尾相接且是同向的。子路g z 的节点集合为： g z = v 。( e k l ) ，k ( 略：) ，k ( p o ) ，哆( p h ) i ，= 1 , 2 ， 押 ( 1 - 2 9 ) 下面分两种情况讨论： i 僻一g a ) n 伊一g a ) = 垂 即只与p 除k 和圪两节点外没有相交的节点。 当v ，( e k 。) ，v a e 。) 仨g a ，即子路g z 的始、终点均不是巧与圪节点。 ( g z g d j ( 侣吧= 由 ( 1 3 0 ) 即子路除始、终点两点外，不与p ，f 相交。 且k ( 气1 ) 只，( ) p，_ ，_ ，= 1 ，2 ，w ( 1 - 31 ) 即子路的始、终点分别与p ，尸相交。 则由c 条风路构成的子路均为角联风路，g z 称为角联子路。 ( 只一g h ) n ( p g h ) 中 即只与尸7 除k 和两节点外有相交的节点。 令p ，= 只np 7 ，f ( f ) p t 即只与p 相交的节点所构成的集合为p ，。 再令 卑+ = f ( 1 ) ，( ，+ 1 ) )鼻只 巧= f ( 1 ) ，f ( “- 1 ) )只弓 即又j p 丁将e ，只划分为若干通路只。，巧。 当k ( 略) ，哆( ) 硭p ，( g z g d ) n ( 只u ) = 中 且k ( 略1 ) 只，e ( ) 只i ，f ，j = l ，2 ，w ， 则由c 条风路构成的子路均为角联风路，g z 称为角联子路。 式中 一空集： ( 1 3 2 ) ( 1 3 3 ) ( 1 3 4 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 g 卅= k ，v m ) ； g d g d = v t ( e k l ) ，吒( ) ； p 丁一p 丁= f ( 1 ) ，f ( 2 ) ，f ( 6 ) ，元素f ( 1 ) 是集合p ，中第一个元素，b 为 两条通路所相交的节点个数。 子路g z 可以是一条风路忙= 1 ) ，也可以是由多条风路构成，因此子 路g z 是广义的。 ( 2 ) 角联风路的风向判别 采用平均风量逼近法。由于真实风量在【o , q o l z 间取值，即介于两 个极限风量之间，吼为矿井总风量。 当采用几何平均法计算时： 西枷= 矿x q , k 。1 ( 1 - 3 5 ) 同时对风压方程进行数学变换，令： 巧= 吼 扣j ，2 ，n ( 1 - 3 6 ) 使风压方程成为线性方程，再求解： 建立回路矩阵b ； 任取一组初始值q o = ( q o ，g ；，z ) ； 由于巧= r i q i i = j ，2 ，刀 j ，= 朋7 = ( 圪，弓) 因 y q 7 = b i 4 f 则 o a = 巧1 ( b h r j ；饼) q ) - 骅氇 有 ( 1 3 9 ) 0 “”= 矿矿1 ( 1 - 4 0 ) 判 a q , 即 - ，2 ，( 1 - 4 1 ) 当不满足精度要求时回到第步重复计算，直到满足精度为止。 只要网络结构与r 值分布一定就能采用上述自然分风的方法来确定风 流方向。总风量可以任意假定，不影响其风流方向判别。适用于任何 的通风网络。 ( 3 ) 风路的风流的状态模拟 a q = 弘( ( 矿，e ，盯) ， ( 1 - 4 2 ) ” d ( ( 辽宁工程技术大学硕士学位论文 式中 ( 矿，e ，盯) 一表示网路的结构； r 一风阻的集合，即网路的风阻的分布。 式( 卜4 2 ) 反映了风流的影响是受风路的结构与风阻分布的变化而 改变，该式不仅适用于角联风路，对一般风路也适用。 ( 4 ) 模拟量的数据处理 计算正交多项式 ( r ) = 弓+ 吐1 r 1 + 嘭一2 r 卜2 + + a l r + a g ( 1 - 4 3 ) 其中 q ，o = 1 ，2 ，) ，由下面递推公式计算： d f ”= - 1 ) 一a c 川) 可一只矿1 ( 1 4 4 ) 计算 q = 置孑( 足) 1 = 1 s q + 。= 五足彤( 足) d j = d s i d j 一1 ( 1 - 4 7 ) s q = x , q , r , c g ) d , ( 1 - 4 8 ) l = l d 彰= q 彰 ( 1 - 4 9 ) j = 0 s 珐( 尺) = 巧尺7 ( 1 - 5 0 ) 3 = 0 式中s 为数据个数，d 为多项式次数，x 为权函数，式( 1 5 0 ) 就是 描述风流与风阻的函数关系的多项式，它既能反映出风流向的极限值， 又可以确定风量的改变量。另外，a q 与衄之间的函数关系既可是单因 素的q ( r ) ，也可是多因素q ( b ，置。) 。采用叠加原n - - 般n 可以满足 工程的要求。 即 q i ( 量，b 卅，) = q ( 弓) + q ( 吩+ - ) + ( 1 - 5 1 ) 此法通过数值模拟建立某分支的风量与别的分支风阻的关系式。 从上面可知：这种方法在建立以上关系时并没有给出所有分支的风阻 ” d 辽宁工程技术大学硕士学位论文 变化对此分支的风量的影响，只是凭主观判断对该分支有影响的分支。 当然这也是它的优点，它可找出某分支对另外分支的风量变化的影响 程度。另外，这种方法假定其它条件不变，只有待研究分支的风阻发 生变化，从而在这种变化中找出它们对指定分支的风量影响，这样， 这种状态的模拟能否符合经常变化的通风系统的实际情况尚有疑问。 1 3 论文研究的内容和意义 基于矿井通风仿真系统( m v s s ) 分析影响吕家坨矿通风系统的不稳 定因素，比如辅扇，自然风压，巷道的延伸、变形对通风系统的影响 等。以系统可靠性理论为基础，通过对矿井通风系统进行深入分析， 研究影响通风系统可靠性的主要因素。从通风网络层面上，侧重研究 角联入手，角联分支是位于通风网络的两条有向通路之间，且不连接 或跨越两通路的任何公共节点的分支。角联分支实际上相当于两通路 间的桥梁，通过改变角联分支两侧的主干分支的风阻就可以改变角联 分支的风向。当角联分支受到较小的干扰后其风向就发生变化时，则 称该角联分支不稳定。角联分支的研究包括角联分支的确定、角联分 支的风向判别和角联分支的风量与风向调节等方面。论文从吕家坨仿 真系统图分析，确定吕家坨矿通风系统中的角联分支以及所有影响角 联分支稳定性的全部关联分支，根据测试数据，利用数值仿真的办法 确定各种变化导致的角联分支流向的变化，分析角联分支的流向变化 对通风系统稳定性和可靠性有什么影响。而且，论文从系统可靠性工程 理论出发，确定了通风的可靠度，并对巷道进行了分级管理，为现场科学 地维护重点巷道提供了依据。 论文针对矿井通风系统稳定性和可靠性方面的问题进行研究，找 出造成风流不稳定的因素，并对吕家坨煤矿在水采改机采的过渡时期 的通风系统的稳定性和可靠性进行分析，保证在过渡时期矿井通风的 稳定性，保证安全、高效生产。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 2 矿井通风系统稳定性研究 矿井通风系统是由通风动力及其装置、通风井巷网络、风流监测 与控制设施等组成的多环节、多设备的复杂系统。同时地下通风系统 的特殊环境和作业场所的动态性决定了影响正常通风的各种随机因素 的存在。要完成通风系统以最经济的方式，向井下各用风地点提供优 质量足的新鲜空气，保证井下作业人员的生存安全和改善劳动环境， 同时在井下发生灾害时能配合其他措施，控制灾害的扩大等任务，要 求矿井系统稳定可靠。对通风系统的要求主要是安全可靠和风流稳定， 因此，对矿井通风系统的稳定性进行分析很有必要 4 j 。 2 1 矿井通风系统的稳定性分析 2 1 1 矿井通风系统的稳定性 矿井风流的运动参数随时间发生波动，且波动范围超过某允许值 时，这种现象就称为不稳定现象。通常表现为风量、风压的剧烈跳动， 某些分支风流的大幅度增减甚至停风反向等。 矿井风流的不稳定现象，可分为正常时期的不稳定现象和灾变时 期的不稳定现象两种。正常时期的通风不稳定现象又可分为两大类： 一类是由于通风动力不稳定引起的，主要表现为： ( 1 ) 风机导致的风流不稳定现象，包括风机喘振现象、多风机相 互干扰现象及井下辅扇能力过大导致的循环风现象； ( 2 ) 自然风压导致的某些分支风流停滞或反向。 另一类是通风网络结构不合理引起的，主要表现形式为： ( 1 ) 风流短路造成的风流剧烈波动； ( 2 ) 对角分支风流不稳定现象。 对角分支风流不稳定现象是矿内较普遍的一种风流不稳定现象， 不同的对角分支的稳定程度是不同的，而且不同井巷对对角分支的稳 定程度的要求也不同，因而不能一律不加区别的加以排斥角联。对有 害角联，设计时要力求避免，生产中要严格控制及时处理；对无害角 联，可以采用，有益角联，则应有计划设置。生产实际中，影响矿井 通风系统稳定性的因素较多，因此，应根据矿井内各种主要不稳定现 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 象的有无和影响程度，对矿井进行分类，以便加强管理，提高矿井通 风系统的稳定性。 2 1 2 通风系统稳定性分类 矿井通风系统的稳定性，主要取决与主扇的台数、主扇的相对位 置以及风压的大小、通风网络的结构形式。局部地区、采区的风流的 稳定性，取决于局部或采区的通风系统，如系统中有无角联风路，对 角风路的多少及其连接方式。 按风流稳定的程度，可将通风系统分为三类p 】： ( 1 ) 高稳定系统：通风网络中没有角联的分区通风系统，和虽然 有角联风路但在发生事故或改变相邻风路的风阻时，实际发生风流反 向的可能性很小的通风系统。 ( 2 ) 中稳定系统：有复杂的角联通风网络结构，但平时风流稳定， 仅在发生灾变时才会发生风流反向。 ( 3 ) 低稳定系统：通风系统在正常生产情况下，由于风门等通风 设施管理不严，或矿车停放、坑木设备的堆积等引起风路风阻的变化， 即可引起角联风路的风量变化，甚至风流方向的改变。 2 2 风网稳定性的基本理论 当网络中某条风路的风阻值有增量，= 时，它对网络中其它风路口， 的风量值g ，产生的影响，： 如o c 厂( g ，)t ，= ，2 ，胛 ( 2 1 ) 厂，的大小就反映了风路p ，风流稳定程度 6 1 。 令均= q 。 q i 式中 q ，一网络无风阻变化时，第，条风路的风量值； 口一网络有风阻变化时，风阻变化后第，条风路的风量值； ，一在第涤风路的风阻变化下，鳓条风路的风流稳定程度系数； ”一网络中的风路数。 显然，当，* 1 时，风路p ，的风流稳定程度就好；另外，只要用风 地点的安全指针不超限，风量可以在一定范围内变化，相对应，也有 一个区间，当风量变化时，落在这个区间内，p ，的风流稳定程度也比较 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 好，反之则较差；当z 为负值时，该风路的稳定程度就更差，因为其 风流方向发生了变化。 2 3 通风网络的风流稳定性分析 风流在矿并通风系统中流动满足生产和安全需要，但同时风流也 存在稳定性的问题。这包括三方面：首先是风流方向的稳定，其次是 风量的稳定性，最后是风流质量的问题。在矿井生产的实际过程中， 若要求网路中所有的风路的风流方向都保持不变，风量大小基本稳定， 实际上是难以做到的，甚至不太可能。因此，般认为，保持矿井主 要扇风机的工作稳定以及用风地点风路的风流稳定即可。 2 3 1 影响通风网络风流稳定性的主要风路 矿井通风网络的风流稳定性问题，无论从理论上来看，还是从实 践上来看，都有着重要的意义。采用逐步线性回归分析的方法，为分 析影响矿井通风网络风流稳定性的主要风路提供了一种有效的手段。 特点如下【6 儿8 】： ( 1 ) 根据矿井通风网络中的各风道风量的最优回归方程，可以确定出 影响通风网络风流稳定性的主要风路。 ( 2 ) 在煤矿生产过程中，保持矿井通风网路的风流稳定，一般只要求 扇风机风路和用风风路的风流稳定性即可。 ( 3 ) 建立矿井通风网络中各风道( 一般仅指风机和用风风路) 的最优 回归方程，并确定影响网络风流稳定性的主要风路以后，便可采 取针对性措旅，把主要影响风路的风阻控制在一定范围内，从而 保证矿井风路的风质、风量稳定，保证矿井的安全生产。 2 3 2 风路的风阻变化对本分支风流的影响 风路的风阻、风量、风压之间的关系满足阻力定律，即 玩= 吒靠 当t 发生变化时，其风压吃与风量吼也相应地发生变化， 微分： 拿：2 r k q k 孕+ 玩 嘶丸“ ( 2 2 ) 对上式取 ( 2 3 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 瓦甲 堕一风路的风压对风阻的变化率； 呶 丝l 风路的风量对风阻的变化率。 砒 上式表明，风阻变化时，其风压魄，风量吼都发生变化，为了考 察风量对风阻的变化趋势，令风压不变，即型堕：，得4 - 0 “，“ 2 r g q k 孕+ 露= 0 ( 2 - 4 ) 矾 盟：一旦( 2 5 ) 以2 r k 上式表明，在风压不变的条件下，风量与风阻的关系成反比，即 风阻增大，风量下降；风阻减小，风量增加。 再令皇墼：o ，代入式( 24 ) 中可得到： 矾 拿：露 ( 2 - 6 ) 嘶 上式表明，在风量不变的条件下，风压与风阻的关系成正比，即 风阳增大风雁增加：风阳减小。风乐就减小。 2 3 3 回路中其它风路的风量、风压的影响 在闭合回路中各风路的风阻、风量、风压之间的关系满足风压平 衡定律： 魄+ 囊一一= o 式中 魄一回路中风阻变化时气风压值； 囊回路中与气同流向的各风路的风压值； l 一回路中与吃反流向的各风路的风压值。 对i - 式取微分； ( 2 7 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 7 盟+ 坠一班：o( 2 8 ) 喀矾以 为了分析与气风流方向相同的各条风路的风量、风压的变化趋势， 令h ，= 0 ，代入上式得： 盟：一坠 ( 2 9 ) 晚晚 上式表明，在回路中与略风流方向相反的各条风路的风量，风压不 变时，与吒风流方向相同的各条风路的风压的变化趋势与风压变化趋 势相反。当e k 的风阻增大时，吼本身的风压增加，风量下降，与气风流 方向相同的其它各风路的风压有所降低，因为这些风路的风阻不变， 而其风量随风路e k 降低；当e k 的风阻减小时，气本身的风压下降，风量 增加，与巳风流方向相同的其它各风路的风压趋于增大，其风量随风路 吃增加。 为了分析与以风流方向相反的各条风路的风量、风压的变化趋势， 令 = o ，则： 盟：坠 ( 2 1 0 ) 丸呶 上式表明，在回路中与气风流方向相同的各条风路的风量、风压不 变时，与咯风流方向相反的各条风路的风压的变化趋势与风压变化趋 势是一致的。当e k 风阻增大时，该风路本身的风量减少，风压增大，与 气风流方向相反的各条风路的风压增大，风量也随之增加；当略风阻下 降时，该风路本身的风量增大、风压下降，与气风流方向相反的各条风 路的风压也下降，风量也随之减少。 2 3 4 辅扇、自然风压对风流的影响 在回路中，有通风能量h 。= ，+ 厅，时，不仅有通风能量的风路的风 量、风压发生变化，而且引起网络中其它风路的风量，风压重新分布。 在有通风能量的回路中，其风压平衡定律为： 鱼一吩一- - 0 ( 2 - 1 1 ) 式中 j i 一通风能量值： 曩一回路中与以同流向的各风压值； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 勺一回路中与反流向的风压值。 对上式通风能量取微分： 进一班一1 ：o 幽pd h p 当分析回路中风流方向与吃相同的各风路的风量、 时，令瓷0 蛸玑 积一， 砌。 1 ( 2 1 2 ) 风压变化趋势 ( 2 1 3 ) 上式表明，在有了通风能量后，包括有通风能量在内的回路中， 原风压方向与j i i 。一致的各风路的风压上升，风量也增加。 当分析回路中风流方向与矗。相反的各风路的风量、风压变化趋势 时，令瓷乩蝙玑 醴：一l( 2 1 4 )兰兰l = 一】 ( 2 1 ) 锄p 上式表明，在有了通风能量后，包括有通风能量吃在内的回路中， 原风压方向与 相反的各风路的风压下降，风量也减小。当超过某个 极限时，这些风路中就有出现风流反向的可能。 2 4 矿井通风系统的灵敏性 2 4 1 灵敏度的概念 矿井通风网络是一有机联系的整体，风网中任一风路风阻足的变 化都可能引起自身以及其他有关风路甚至全矿所有风路的风量变化。 当某支路的风阻置发生越的变化时，风网中任一风路f 的风量值q 也 相应地发生一个q 的变化，当i 姐i 一0 时： 谚：l i m 丝：盟 ( 2 - 1 5 ) q 。i 。醯r r 1 即为风路j 的风量q 变化相对于风路的风阻变化的灵敏度3 1 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 2 4 2 风量和风压灵敏度 分析和研究风流方向稳定性必须与矿井通风系统的灵敏性结合起 来分析。 通风系统的灵敏性是指当系统的某些参数( 主要是风阻) 发生变 化时，引起系统的状态变量发生变化的难易程度，可用风量和风压的 灵敏度来度量。当通风网络中某些分支的风阻发生变化时，会引起网 络中其它分支的风量和风压发生变化，这种变化的难易程度就称为系 统风量和风压的灵敏度2 纠。记为： 式中 = e = 磊。磊： 如 氏磊： 毛l蜀2 岛1s 2 2 毛1毛2 a 一风量灵敏度，= 鬻； 民 i 。引 ( 2 1 6 ) 屯j 。 ( 2 1 7 ) e 一风压灵敏度，e = 等； 磊一分支硭i 勺风量对分支，风阻变化的敏感度，磊= 婺； 讲 岛一分支j 的风压对分支，风阻变化的敏感度，白= 孕；。 莎 6 一通风网络中的分支数。 由上述定义可见，风量灵敏度和风压灵敏度反映了通风网络中对 风量和风压进行调节的难易程度。由风量灵敏度和风压灵敏度矩阵的 每一行可以看出各分支风阻改变对同一分支风量或风压的影响，由矩 阵的每一列可以看出某分支风阳的改变对各分支风量或风压的影响。 61- ； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 4 3 风量灵敏度的计算 通风系统稳定的状态方程可以用如下矩阵方程描述： f ( q y ，h o ，h 。) = c 磁。p g k c 7 9 + c h 。以= 0 ( 2 - 1 8 ) 式中 c 一网络基本回路矩阵； 尺一网络分支风阻列向量； q 一余树支风量列向量； h 。一控制量( 包括风机风压) 列向量； 日。一回路自然风压向量； 凼曙一由列向量构成的对角矩阵。 将上式对风阻向量r 求导，即 堕：笪+ 笪盟：o( 2 1 9 ) d ro r 觋d r 所以 盟：一( 骂一，笪( 2 2 0 ) 积、御7a r 而且 篆= c ，i c 7 q 也c 7 9 ( 2 2 1 ) 又由于q = c 7 q ，所以 = 等= c 7 鼍= 一c 7 ( 暑) _ l a i c 7 9 k c 7 9 c2 2 z ， 当不考虑自然风压和除风机外的控制设施对风量的导数，且风机 分支为独立分支时有： 盖= z 吼。l q , , 。, , g c r o i l s - ( 2 - 2 3 ) 上式右边第一项为一正定矩阵，在风机曲线的正常工作时段， 箜 0 所以 式可以写成 f q ? + r s q ；一- - ，：q ：2 l 厂3 口；= g ；+ 云 i 生。 | ，2 p ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 根据节点流量守恒定律，q ：= q 4 - q 5 ，q l = q 3 + q 5 ，带入得： 生 垂：蚪。垂 2 ，吲 2 ，n 瓦= m l瞻l - 2 ，崂i 3 ，瓦n 乓= m l 吲= 2 ，吲= 2 ，已n 疋= 中 l 眩l - 2 ，l 吃i - 2 ，瓦n 易= 毛= 瓦 ( 2 35 ) 通路只的节点集合为，若 笼：乏：，则只中与风流方向相一 致的两个相邻节点n 吃和n 吃所截取的通路段e 与子图 g 的广义的臼型角联网络将有占= 巧a g 。 因此，可以按此方法找出满足0 = 巧n o 全部曰结构，就能确定网络 辽宁工程技术大学硕士学位论文 中全部角联风路。 2 5 4 角联风路的自动识别 用人眼是很难判断或识别大型网络和复杂风路中角联风路的，辽 宁工程技术大学安全评价中心开发研制出了矿井通风网络角联风路自 动识别系统( 僦，) ，该系统基于上述吕法判别原理，利用通路集合运算 法，不仅能够识别角联风路，而且能够给出影响角联风路的角联结构 七元组。可以准确地、科学地判断复杂网络中的角联风路，