矿井通风系统改造和优化

1、第七章 矿井通风系统的改造和优化生产矿井由于生产布局的变化，自然条件的影响及生产能力的提高，须进行矿井通风系统的技术改造。矿井通风系统技术改造方案是生产矿井技术改造的决定性因系。矿井通风系统的优化就是综合考虑各种因素，从众多的方案中确定安全可靠，抗灾能力强，技术合理和经济效益好的矿井通风系统方案。7.1 生产矿井通风系统改造通风系统改造的步骤是：调查现有通风系统的现状；分析现有通风系统存在的问题，提出改造通风系统的可行方案，选择确定最佳方案。7.1.1 现状调查调查现状是通风系统改造的前提，是内容有1：（1）绘制矿井通风系统图和网路图，标明井巷名称，用风地点，风流方向，通风设施等项内容。（2）

2、进行矿井通风阻力与网络参数的实测工作。（3）实测通风构筑物的有关参数。（4）矿井主要通风机装置性能测定。（5）生产布局的调查。对全矿的开拓布置、生产布置、产量分布、采掘接替、回采工艺，运输系统等作全面的调查了解。7.1.2 现有通风系统存在的问题分析 （1）通风系统的阻力分析。根据阻测结果，绘出各主测路线的阻力分布图，分析矿井通风三段（进、用、回）阻力分布状况，找出高风阻，高阻力的区域和井巷，分析其原因。（2）风量、风速分析。各用风地点的风量是否满足需要，各地点的风速，是否满足规程规定。（3）通风构筑物的数量，安装地点，质量是满足要求，是否合理。（4）主要通风机运行状况分析。工况点是否在合理工

3、作范围内，附属装置的功耗和漏风情况，风机是否有喘振现象等。（5）矿井漏风状况，矿井外部漏风率，有效风量率分析。（6）通风井巷断面及失修情况分析（7）生产布局与产量安排分析，分析生产布局上存在的不合理因素。7.1.3 矿井通风系统改造方案的确定步骤2（1）提出尽可能多的在技术上可行的改造方案，按不同生产时期，不同水平选择多种通风系统方案。（2）根据所提的不同方案，分别按生产要求，确定各用风地点的需风量。（3）确定通风网络的各项参数（各风道的风阻值等）（4）通过计算机解网，确定风机的选型及工况点，井巷的风量分配及风量调节量。（5）计算各项经济技术指标（6）经过技术经济比较，确定最优通风系统方案。7

4、.1.4 生产矿井通风系统改造实例3（平顶山煤业集团公司、义煤集团、鹤煤集团、永煤集团等，通风系统优化改造项目研究报告）。7.2 风道断面的优化457.2.1 井巷费用的计算一条巷道从开始掘进到投入使用，直到服务期满，在这个期间所耗费的资金包括掘进费、维护费和通风电费。当井巷的岩石性质、支护形式、通过风量和服务年限一定时，除人为因素外，这些费用的大小是与井巷断面大小有关。7.2.1.1 井巷掘进费井巷掘进费由井巷工程的直接定额费（工人工资、材料消耗、动力消耗和设备折旧费）Cd、辅助车间费（为之服务的提升、运输、通风、排水、照明及其他）C1及施工管理费（管理人员工资及日常开支）C2。由原煤炭部制

5、定的“煤炭井巷工程综合预算定额”中，井巷工程直接费与井巷断面之间大致成线性关系，巷道直接费Cd随掘进断面Sj的增加而增加，即：（m2）（7-1）a及b值见下表：井巷工程费用系数表 表7-1类型支护形式岩性煤（f3）软岩（f3）中硬岩（f=46）硬岩（f10）备注abababab平硐及平巷混凝土砌碹219.7924.30308.8328.67248.5642.65每米1架喷射混凝土156.2519.45186.4722.95216.6128.17锚杆喷射砂浆77.2417.1299.3321.43133.6927.19梯形金属木背板93.7914.64103.9116.95110.4118.2拱

6、形金属木背板120.7115.36143.0516.77130.9119.4518斜巷粗料石砌碹164.7323.18253.2925.45275.9329.88315.3330.55喷射混凝土104.7918.08197.0719.97216.0124.78249.1830.38锚杆注浆不喷射86.5416.60130.1118.71150.2527.06锚杆喷混凝土202.825.31216.7731.14262.6938.4530斜巷粗料石砌碹164.0924.9255.2227.09280.3531.65315.0337.46喷射混凝土89.9920.57208.3921.88219.

7、9326.5253.3132.39锚杆不喷射59.4719.8879.6425.24110.7532.17锚杆喷砼180.33288.89199.1234.34541.6640.33斜巷梯形金属木背板113.614.8124.3616.93136.1817.71为了与其他各项费用一致，将掘进断面Sj换算成井巷净断面S，有Sj=KS， K=1.21.5则：（7-2）式中：井巷掘进的全部费用可表示为：（7-3）通常Cj与直接费Cd存在一个相对固定的比值J即：（7-4）一般J=2.02.97.2.1.2 井巷维护费井巷维护费用的大小取决于井巷的维护长度，维护时间的长短，巷道每年每米的维护费Cu的确定

8、是一个复杂的实际问题，由于巷道的位置，煤层赋存情况、围岩条件，煤柱大小 ，巷道断面大小，支护方式及是否受采动影响等条件的不同，其维护条件，维护情况的差异很大，因而维护单价也相差很大。根据原煤炭部制定的煤矿生产经营费用指标的维护分册中的有关规定，每年维护1m井巷的费用可用下式表示： 元/am（7-5）式中：P井巷维护费用系数斜井 混凝土碹 0.0111250.02225斜井 混凝土支护 0.04450.06675石门，主要运输巷 混凝土碹 0.0100750.02015石门，主要运输巷 混凝土支架 0.04030.06045石门，主要运输巷 木支架 0.08060.10075（或根据矿区的实际情

9、况确定）7.2.1.3 井巷通风费每m井巷一年通风消耗的电费可按下式计算：（7-6） （元）（7-7）式中：a井巷摩擦阻力系数，NS2/m4；Q井巷中通过风量，m3/S；C断面形状系数梯形 C=4.16三心拱C=4.00半园拱C=3.90S井巷的净断面积，m2通风设备的综合效率，%e电价，元/kwh7.2.2 巷道断面优化的动态分析法5其优化思想是：一巷道从基建开始到服务期满所耗资金最小。风道断面优化过程中对时间的价值考虑可采用资金现值。设风道的基建时间为A1每年平均基建投资为B1，年利率为i1;风道的服务年限为A2。每年风道维护费和通风费之和为B2，年利率为i2。考虑每年的投资并非一次投入，

10、故对当年投资利率按一半计算。计算时间基准点选在基建未，投入使用时这一时间点。则：每m巷道的资金现值Cpv0为：对于长度为L的风道，有：由于A1A2，i1i2，对某具体情况为定值。故令则风道最优断面的目标函数，即为L=1m时，从基建到服务期满的所耗资金现值Cpv:(7-9)Cpv对S求导数，有：令，解之得风道的最优断面S为：（7-10）S的约束条件（应满足条件）：SminSSmax(7-11)式中：S风道的净断面积，m2。Smin按运输，风速要求的最小断面积，m2Smax按掘进施工技术可达到的最大断面积，及最低风速要求，m2。当确定的风道断面SSmax时，必须增加并联风道。当风道穿过的岩层不止一

11、种或支护形式不一样时，各参数值按加权平均值确定，即：式中：L1，L2，Lm不同岩类或不同支护形式风道长度，m。 7.2.3 断面优化的通路法1用网路的方法解决网路的问题是断面优化的基本出发点之一。在风量确定上，认为自然分风在设计、生产中是不允许存在的观点是正确的。井下除了用风点的风量外，其它井巷的风量应尽可能靠近自然分风的风量，这是采用网路法的标志之一。只有降低最大阻力路线上的阻力，才能使通风功耗有所下降，这是采用网路方法解决问题标志之二。考虑使增加断面的总费用与降阻的节电费用之差为最小，即负的最大。是断面优化的基本出发点。在优化过程中，最大阻力路线是会转移的。7.2.3.1 井巷风量的确定将

12、网络分风解算程序作为断面优化的子程序，某段井巷的断面改变，其风阻也随之改变，网路中的风量分配关系也发生变化。除固定风量的风路外，利用网路分风确定新的风量代入到断面优化的数学模型中。在网络中，除固定风量的风路外，其它的风量应尽可能靠近自然分风的风量。7.2.3.2 最大阻力路线的确定先建立通路矩阵P，由通路风压、就可确定最大阻力路线。在断面优化过程中，最大阻力路线会发生转移。采用通路法就能适应这类转移，保证在优化过程中始终处理最大阻力路线。7.2.3.3 优化数学模型系统的总费用f(S)：（元）（7-12）其中：zj井巷掘进费，元Zw井巷维护费，元ZF通风电费，元n风路数m网路节点数Pi第i条通

13、路S井巷断面m2,(计算后采用标准断面，即不连续断面)。断面优化的目标函数：（7-13）约束条件：（7-14）（j=1，2，3，n）目标函数的优化思想是：使增加断面的费用与降阻的节电费用之差为最小。通路法的优化思想是：（1）采用网络的方法解决网路的问题。（2）在分风上体现自然分风的作用。（3）在断面优化中允许断面既可以扩大也可以缩小。（4）在技术途径上实现只有降低最大阻力路线上的阻力，才能使通风功耗下降的原则。通路法不仅适用于新井设计，对生产矿井的通风系统改造也同样适用。既可给定总风压，也可最后确定矿井总风压。但通路法仍属于静态方法，对采区接替等因素尚未考虑。井巷断面优化的很多问题（如经济上的

14、动态过程）还有待于进一步的探索和研究。7.3 矿井通风系统风量调节优化风量分配优化的指导思想是在满足通风技术要求的条件下，使通风网络的功耗N（Kw）为最小：式中：第I条风路的风阻NS2/m8qi第I条风路的风量，m3/s。7.3.1 直接优化方法就是直接采用非线性规划的方法来优化。目标函数： 约束条件：即遵守风压平衡定律即满足风量平衡定律即满足规程的风量，风速要求即ri可调，在技术上可行，符合实际。文献6、7对此作了较深入的研究，但由于该数学模型是大型非线性问题，受计算方法等的限制，现尚处于研究阶段。7.3.2 关键路径法（即通路法）关键路径法，是美国学者Wang.Y.J首先提出的8，它属于一

15、种间接优化方法，即在计算过程中，需要用自然分风的算法预先确定除固定风量风路外的其他风路的风量与风流方向，然后再进行优化的方法。对于矿井通风网络，当已知网络中nf个分支风量（固定风量和由此而推得的风量）时，剩下的不能确定风量的分支必然构成一个自然分风子网路，用求解自然分风的方法求出这些分支的风量，则网络中所有分支的风量都成为已知：故得到风量矩阵：Q=（q1,q2，qn）。有了风量矩阵Q，由可得到风压矩阵：H=（h1,h2,hn）根据通路距阵P和风压矩阵H，可得到通路风压矩阵HP：式中HZ自然风压（或热风压）矩阵根据通路阻力hpi由大小的顺序重新排列通路P，则P1就是阻力最大的通路，称P1为关键路

16、径。（1）当调节只能采用增阻法时以关键路线P1为基准，则其他通路的调节量为： （i=2,3,w）待调通路Pi上的某条调节风路eK应满足：即ek仅属于Pi（2）调节可采用降阻时若在关键路线P1上某条风路ek满足：其中：L=Pg划归为高阻力通路的最后一条，即P1Pg均划为高阻力道路。且（即eK的阻力值，是L中各边的阻力最大者）。则eK称为主导边。只要关键路线上主导边ek的功耗降下来，即可使通风网路功耗降下来。因此，可以看出：对于采用增阻调节的优化，以最大阻力道路为准，对其它通路进行增阻调节，就可使通风网络的功耗为最小。Nmin=h1q总对于采用降阻手段的优化，只有对最大阻力通路进行降阻，才能使通风

17、网路的功耗下降，达到优化目的。V6V5e799.0e8P4V3e2V1e1V2P3e5e3e4e6P2V468.12588.7521.334.65282.9574.031.8P3例如图所示通风网路已知：m=6,n=8r1=0.142(NS2/m8),r2=0.109 r3=0.213r4=0.318 r5=0.124 r6=0.185r7=0.231 r8=0.44q1=25m3/S q2=25 q3=10q4=10 q5=15 q6=20q7=35 q8=15则h8=99.0将P重新排列：按hpi由大小当只采用增阻法调节时： 网路总功耗当可采用降阻调节时（e7可降阻，其它为增阻）均大于400

18、Pa，这里把它们划为高阻力通路Pg=P3。由上图可看出，关键路线P1上的e7满足：，并为阻力最大者，故e7是主导边。若e7可降阻（清除杂物、扩巷）r7min=0.1 NS2/m8。则采用降阻调节后，在网路风量不变的条件下PaPa这时：其他需增阻的调节量：网路总功耗：7.4 矿井通风系统方案的优化根据矿井通风系统的评价指标，可对矿井通风系统方案进行评价和优化。但矿井通风系统评价指标间存在着不可公度性和矛盾性。所谓指标间的不可公度性，是指各个指标没有统一的度量标准，因而难于进行比较，一般只能根据多个目标所产生的综合效用去估量。指标间的矛盾性则是指当采用一种方法去改进某一指标的值时，可能会使另一指标

19、的值变坏。由于矿井通风系统多个指标之间的矛盾性和不可公度性，因此不能把多个指标归并为单个指标，而不能采用单指标决策方法去优化矿井通风系统方案，以及采用单指标决策方法去优化矿井通风系统方案，必须采用多目标决策法。多目标决策法是利用专家集体智慧，对某些复杂的命题进行决策方法，主是依靠专家的经验，知识和综合分析能力进行直观判断的方法。当进行多因素，多目标问题的决策时，由于众多因素或目标各有不同的比重，因而最优决策的结果并不是唯一的。因此，在方案优选之前，必须由专家首先确定各影响因素或各目标函数在本决策问题中的重要程度，即确定“权值”。“权值”确定以后，根据各方案定量指标的具体数值，即可计算出每个指标

20、的评价值；对于定性指标，可利用“专家评议法”确定其“评价值”。根据各指标的“权值”和“评价值”，进行综合分析，即可确定出最优方案。下面介绍多目标决策中简便的最高积分法47.4.1 最高积分法优化思想设被评价的方案数目为n个，对矿井通风系统影响较大的重要评价指标为m个，则每个方案的评判结果都由指标具体值构成。则n个方案的评价指标具体值便构成了mn阶预选方案评判指标矩阵A，A=式中：i=1,2,m，评判指标序号j=1,2,，n，方案序号fiJ第j方案第I指标值。在拟定方案前，由专家评定出各评判指标的“权值”，记为W1，W2Wm。由fij指标值，计算得出的评价值同样组成mxn阶矩阵B：每个方案的各项

21、评价值与“权值”的乘积之和构成综合性指标M其中mj最大者为最优方案，即：7.4.2 基本步骤（1）确定矿井通风系统方案评判指标及权值（2）计算各方案的指标值，根据拟定的通风系统方案，确定风道的各参数值，用风地点风量及风机有关参数，计算出各方案的技术，经济、安全等的各项评判指标值。定量的指标，上机解网可直接计算得到，定性的指标，采用专家评议法获得，给予定量化。（3）将fiJ转化为评价值EiJ。由于fij中各项指标的量纲不统一，其中有些指标值（如等积孔）是越大越好，而有些指标值（如矿井风压，吨煤电费）是越小越好。为了便于用统一的综合指标计算，采用如下处理方法；当指标值为越小越好时，令各方案中同一指

22、标的最小值为最好值fibj,即：minfiJ=fibj (I=1,2,，m，1jn)则：（最好值给10分，十分之十）当指标值为越大越好时令各方案中同一指标的最大值为最好值fibJ,即：则：当方案中任一方案的工程费为0时，工程的评价值计算为：（4）按最高积分确定最优方案。7.4.3 计算示例某矿利用多目标决策法对矿井19902000年10年间的通风系统，提出了多个方案，去掉技术上不合理的方案，剩下的4个案各有优点，需进行多目标决策优化。（1）根据各方案的通风系统图绘出通风网络图，并进行了计算机解网依据解算结果得出的各方案的评价指标值见下表。其中定性指标由专家根据各方案的实际评定。评判指标值 表7

23、-2序号评判指标指标值方案I方案II方案III方案1矿井风压（Pa）12731441126414262矿井风量（m3/min）109201044610644103923矿井等积孔m26.075.55.95.54矿井风量供需比1.091.051.071.045通风方式2151181502176通风机功率kw350.8417.3407.3351.47通风机效率%64.5605570.48吨煤主要风机电费元/t0.240.290.280.249通风井巷工程费万元84.76133.3013.3013.3010风机运转稳定性16515414118011用风地点风流稳定性2096920821412矿井抗灾

24、能力1906555190(2)计算评判指标的评价值（作统一性处理）各方案评判指标的评价值 表7-3序号评判指标评价值方案I方案II方案III方案1矿井风压9.98.8108.92矿井风量109.69.79.53矿井等积孔109.19.79.14矿井风量供需比109.69.89.55通风方式9.95.46.9106通风机功率108.48.6107通风机效率9.28.57.8108吨煤通风机电费108.38.6109通风井巷工程费1.610101010风机运转稳定性9.28.67.81011用风地点风流稳定性9.83.29.71012矿井抗灾能力103.42.910表中数据计算示例：如矿井风压是越小越好。取方案III1264为最好值，即minfij=fibj=1264则：（3）根据权值W，计算各方案指标的积分（E