矿井智能通风技术 · 项目七 矿井通风网络及风量分配

项目七矿井通风网络及风量分配【项目描述】矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的一个复杂系统。用图论的方法对通风系统进行抽象描述，把通风系统变成一个由线、点及其属性组成的系统，称为通风网络。风量分配是矿井通风网络设计和优化的核心内容。课时分配：任务一通风网络及智能通风网络解算2课时

|任务二矿井风量调节4课时【知识目标】1.了解矿井通风网络、网络图的基本概念；2.理解矿井通风网络中风流流动的基本规律；3.掌握通风网络动态解算的方法。【能力目标】1.能够根据矿井通风系统图绘制矿井通风网络图；2.能够应用通风网络解算软件对矿井通风网络进行模拟解算。任务一通风网络及智能通风网络解算【思政目标】培养勤学善思、能够深入现场一线，求真务实、严谨细致的科学态度。【任务分析】矿井通风系统是由众多井巷组成的一个复杂系统。为了深入分析通风系统内部的风量分配、通风阻力以及风流稳定性，需要将通风系统抽象为通风网络图，并依据通风阻力定律、风量平衡定律、风压平衡定律对通风网络进行解算，从而掌握通风网络中的风量分配规律，为矿井通风设计、通风管理以及灾变处理提供理论依据。任务一通风网络及智能通风网络解算一

、矿井通风网络与网络图（一）矿井通风网络的基本术语矿井风流按照生产要求在井巷中流动时，有分、有合，通常把风流分岔、汇合的路线结构形式，叫做通风网路。矿井通风网络：用直观的几何图形来表示通风网络就得到通风网络图。图7-1简单通风网路图节点：分支交点（编号唯一）；不同断面/支护方式的分界点也可视为节点。分支：节点间的连线（有方向，箭头始→末）；虚拟连接（如地面大气）称伪分支（虚线表示）。路：方向相同的分支首尾相接形成的线路。回路/网孔：分支方向不完全相同的闭合线路；回路含内部分支，网孔无内部分支。生成树：包含全部节点且无回路的子图（树枝）；剩余分支为余树（余树枝）。节点数

m，分支数

n

→余树枝数=

n−m+1（二）通风网络图的绘制方法1.

绘制原则（1）用风地点并排布置在网络图中部，进风节点位于其下边；回风节点在网络图的上部，扇风机出口节点在最上部；（2）分支方向（除地面大气分支）基本都应由下至上；（3）分支间的交叉尽可能少；（4）网络图总的形状基本为“椭圆”形。（5）合并节点，某些距离较近、阻力很小的几个节点，可简化为一个节点。（6）同标高的各进风井与回风井可视为一个节点。（7）阻力相同的并联分支可合并为一条分支。2.绘制步骤（1）节点编号。在通风系统图上，沿风流方向对所有风流交汇点、分岔点以及用风地点的进、回风口等关键点进行编号。（2）绘制草图。在图纸上用圆圈画出节点位置，用线段连接节点，风流方向用箭头标出。（3）检查修正。检查风流方向是否与通风系统一致，节点连接有无遗漏，确认无误后，对网络图进行美化调整，使线条平顺、节点分布均匀。（4）标注。在网络图上标注分支的风向、风量、风阻、风压等参数。例7-1如图7-2所示为某矿通风系统示意图，试绘出该矿的通风网路图。图7-2矿井通风系统示意图通风网络图绘制步骤标注节点系统图上标节点，近处无设施可合并进/回风井口视为一个节点确定用风点方框表示（采掘面、硐室等）在图中部“一”字排开布置进风节点：位于用风点下方，按远近排列布置回风节点：位于用风点上方，按远近排列连线先连：进风节点→用风点；再连：回风节点→用风点最后连：进、回风节点间线路；方向自下向上草图检查与调整检查分合关系无误调整节点位置使布局合理标注主要通风设施图7-3矿井通风网路图二、通风网络中风流流动的基本规律风流在通风网络中流动时，遵循以下三个基本规律：通风阻力定律、风量平衡定律和能量平衡定律。（一）通风阻力定律

井巷中的正常风流一般均为紊流。因此，通风网路中各分支都遵守紊流通风阻力定律，即（二）风量平衡定律是指在稳态通风条件下，单位时间流入某节点的空气质量等于流出该节点的空气质量；或者说，流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等于零。若不考虑风流密度的变化，则流入与流出某节点的各分支的体积流量（风量）的代数和等于零，即：Qi—通风网络流入（取正号）或流出（取负号）第i节点的各分支体积流量，m3/s。图7-4简单风量平衡网络图图7-5特殊风量平衡网络图如图7-4所示，各分支的风量满足：如图7-5所示，回路2-4-5-7-2的各邻接分支的风量满足：（三）能量平衡定律一般地，回路中各分支风流方向为顺时针时，其通风阻力取“＋”，逆时针时，其通风阻力取“－”。1.无动力源（即不存在通风机风压或自然风压）。无动力源时，通风网络的任一回路中，各分支阻力的代数和为零。即如图7-6，对回路2－3－4－6中就有有动力源（即存在通风机风压或自然风压）。如图7-6，在回路1－2－3－4—5—1中就有图7-6与通风系统图形状基本一致的通风网络图三、基本通风网络及其特性（一）串联通风网络由两条或两条以上分支首尾相连构成的网络称为串联通风网络，简称串联网络。1.串联网络的总风阻2.串联网络的总风阻特性串联网络中，总风阻大于任一分支的风阻，且随着分支数增加，总风阻急剧增大。图7-7串联风路（二）并联通风网络由两条或两条以上分支从同一节点分开，到另一节点汇合的网络称为并联通风网络，简称并联网络。并联通风网络并联的风道越多，总风阻就越小，且并联通风网络的总风阻永远小于并联通风网络中任一巷道的风阻。例7-2矿井通风系统如图7-9所示。进入该矿井的总风量为Q总=50m³/s。已知各段井巷风阻为：RAB=0.134，RBC=0.385，RCD=0.1887，RDE=0.654，RBF=0.443，RFG=0.1845，RGE=0.742，REM=0.2164，N.s2/m8。计算矿井总风阻RAM，通风总阻力hAM，总等积孔A总，自然分配风量Q左与Q右为多少？图7-9通风系统图（三）角联通风网络在简单并联网络的某条分支上，再增加一条或多条分支，使得网络中存在对角分支，这种网络称为角联网络。角联网络的特点是对角分支的风流方向不稳定，可能正向、反向或无风，取决于相邻分支的风阻比例。角联网络的分析常用斯考德-恒斯雷法。图7-10简单角联网路

图7-11复杂角联网路角联网路的特性是：角联分支的风流方向是不稳定的。主要取决于角联分支始末两端的风压差。如图7-13所示的单角联通风网络，分支1、2、3和4的风阻分别为R1、R2、R3和R4。对角分支BC的风流方向是不稳定的，它随着其它四条分支风阻的不同，BC的风流方向可能出现B→C、无风和C→B。图7-12单角联通风网络（四）串联、并联和角联通风网络的比较1.并联总风阻小，总等积孔大，通风容易，通风动力费用少。2.并联各分支的风量可根据生产需要进行调节；而串联各风路的风量则不能进行调节。3.并联各分支独立通风，风流新鲜；而串联前面风路的出风是后面风路的入风，风流不新鲜。4.并联的某一分支风路中发生事故，易于控制与隔离，便于人员撤离；而串联的某一风路发生事故，容易波及整个风路，使事故范围扩大。5.角联通风风流具有不稳定性，井下巷道避免出现角联，以免出现风流混乱。四、矿井通风网络解算通风网络解算是依据网络拓扑结构、分支风阻、风机特性等，求解各分支风量和节点风压的过程。其本质是求解一组非线性方程组（风量平衡、风压平衡、阻力定律）。解算方法有解析法、图解法、数值迭代法等。目前广泛采用计算机数值解算，如斯考德-恒斯雷迭代法、牛顿法等。（一）通风网络解算的基本方程1.节点风量平衡方程（线性）2.

回路风压平衡方程（非线性）3.分支阻力定律（非线性）（二）通风网络解算的步骤1.建立通风网络数学模型：确定节点、分支、风阻、风机特性、自然风压等。2.拟定初始风量：给各分支赋初值（通常按需分配或均分）。3.迭代计算：利用计算机算法修正风量，直至满足精度要求。4.输出结果：各分支风量、阻力、节点风压等。（三）常用通风网络解算软件简介目前国内外常用的通风网络解算软件有：VENTS

IM、3DCanvent、MineVent、Mfire、CFD（计算流体力学）软件等。这些软件可进行稳态解算、动态模拟、火灾模拟、污染物扩散分析等。智能通风网

络解算软件还具有动态解算功能，能实时监测井下风量、风压变化，自动调节风机或风窗，实现按需供风和灾变应急控风。五、智能通风网络解算与动态调节智能通风系统通过布置在井下的各类传感器（风速、风压、瓦斯浓度等）实时采集数据，传输到地面控制中心，利用智能解算软件对通风网络进行动态解算，预测风流变化，并通过远程控制手段（如调节风窗、风机变频）及时调整风量，实现通风系统的智能化运行。缪智能通风网络动态解算示意图【知识目标】1.了解矿井风量调节的目的和意义；2.掌握增阻调节法、减阻调节法和辅助通风机调节法的原理及适用条件；3.理解风量调节对通风网络的影响。【技能目标】1.能够根据矿井实际需要选择合适的调节方法；2.能够进行简单的风量调节计算。任务二矿井风量调节【思政目标】培养勤学善思、深入现场一线，求真务实、精益求精的工匠精神。【任务分析】矿井通风系统随着采掘工作面的推进和更替，巷道风阻、瓦斯涌出量等不断变化，要求风量也随之调整，以保证各用风地点风量满足需求且经济合理。风量调节是矿井通风技术管理的重要内容，按调节范围分为局部风量调节和矿井总风量调节。本任务重点介绍局部风量调节的三种主要方法：增阻调节法、减阻调节法和辅助通风机调节法。一

、增阻调节法增阻调节法是在并联通风网络中以阻力最大风道的阻力值为依据，在阻力小的风道中增加一个局部阻力，从而降低阻力小的风道中的风量，相应增大与其并联的其它风道上的风量，以实现各风道的风量按需供给。图7-23

增阻调节一、局部风量调节局部风量调节是指在采区内部各工作面间、采区之间或生产水平之间的风量调节。调节方法有增阻法、减阻法及增能调节法。1.通风网络基本情况2.风量要按需分配3.增阻调节4.增阻调节法的使用条件。增阻分支风量有富余。5.增阻调节法的特点6.增阻调节法使用时的注意事项图7-24

调节风窗二

、减阻调节法减阻调节法是通过降低风阻较大的分支的阻力，使该分支风量增加，而并联的其他分支风量相应减少。减阻措施包括扩大巷道断面、缩短巷道长度、改变支护形式、清除杂物等。（一）调节原理如图7-5中，若分支2需要增加风量，可通过降低其风阻实现。降低R2至R2'，则分支2风量增大，分支1风量减小。减阻调节不增加总风阻，有时还能降低总风阻，有利于节能。（二）调节参数计算类似于增阻，利用并联网络特性求解。（三）减阻调节法的优缺点优点：不增加甚至降低总风阻，有利于节能；调节幅度大。缺点：工程量大，投资高，施工周期长，适用于长期性调节。三

、辅助通风机调节法辅助通风机调节法是在需要增加风量的分支中安设辅助通风机（辅扇），利用辅扇提供的能量克服部分阻力，从而增加该分支的风量。（一）调节原理在分支中安装辅扇，相当于在该分支中增加了一个风压源，分支的总阻力方程变为hi

=Ri

Qi2-Hf，其中Hf为辅扇风压（与风流方向一致时取正）。辅扇工作后，该分支风量增大。（二）调节参数计算根据所需增加的风量，选择辅扇，并考虑辅扇与主扇的相互影响。

一般需通过网络解算确定。（三）辅助通风机调节法的优缺点优点：调节幅度大，灵活，适用于长期调节。缺点：投资大，能耗高，管理复杂；辅扇安装地点需符合安全规定（如必须设在新鲜风流中，避免循环风）。四

、矿井总风量调节当矿井总风量不足或过剩时，需调节主要通风机的工作点，方法有：改变风机转速、改变风机叶片安装角、改变前导器角度、改变风硐闸门开度（增阻调节总风量，不经济）等。总风量调节往往结合局部调节进行。五

、智能通风与风量自动调节现代智能通风系统通过实时监测风量、风压、瓦斯浓度等，由控制中心根据需风量自动决策，通过远程控制调节风窗开度、风机变频等，实现风量的智能调节。二、矿井总风量调节矿井总风量调节主要是调整主要通风机的工作点。其方法是改变主要通风机的特性曲线，或是改变主要通风机的工作风阻。（一）改变主要通风机工作风阻调节法如图7-28所示的通风机工况，通风机特性曲线为n，当矿井风阻特性曲线R增大为R1时，通风机的工作点由a变到b，矿井总风量由Q减到Q1；反之，工作点由a变到b，矿井总风量由Q增至Q2。图7-28改变主通风机的工作风阻调节风量因此，当矿井要求的通风能力超过主要通风机最大潜力又无法采用其它调节法时，就必须降低矿井总风阻，以满足矿井通风要求。如果主要通风机的风量大于矿井实际需要，可以增加主要通风机的工作风阻，使总风量下降。由于离心式通风机的输入功率随风量的减少而降低，所以，对于离心式风机，当所需风量变小时，可利用风硐中的闸门增加风阻，减小风量；对于轴流式风机，通风机的输入功率随风量的减小而增加，故一般不用闸门调节而多采用改变通风机的叶片安装角度，或降低风机转速进行调节；对于有前导器的通风机，当需风量变小时，可用改变前导器叶片角度的方法来调节，但其调节幅度比较小。（二）改变主要通风机特性调节法1.离心式通风机对于矿井使用中的一台离心式通风机，其实际工作特性曲线主要决定于风机的转数。改变通风机转速是改变离心式通风机特性曲线的主要方法如图7-29所示。其具体做法是：如果通风机和电动机之间是间接传动，可以改变传动比或改变电动机的转数；如果通风机和电动机是直接传动，则可改变电动机的转数或更换电动机。图7-29改变通风机的转数调节风量2.轴流式通风机轴流式通风机特性曲线的改变，主要决定于通风机动轮叶片安装角和通风机转数两个因素。在矿井生产中，常采用改变轴流式通风机叶片安装角的方法实施调节。如图7-30所示，正常运转时，叶片安装角为θ1（27.50），运转工况点为特性曲线Ⅰˊ上的a点；由于生产需要，矿井总阻力增加，为保证原有的风量，主通风机运转工况点移至b点，此时，则把叶片安装角调整到θ2（300），才能使风压特性曲线Ⅰ通过b点，从而保证矿井总风量的需要。图7-30改变轴流式通风机的叶片安装角【任务训练】一、任务名称

根据设定条件进行局部风量增阻调节技术训练二、训练目标及要求通过训练要求学生能够：根据在通风网络图上选择局部调节风量地点，并正确设置局部增阻调节设施。三、训练工具与器材1.训练工具某一采区的通风系统图及通风测量数据、计算器、记录本、铅笔、钢笔等。2.训练课题某一选定的需要调节风量的分支。四、训练内容与方法步骤

1.根据设定条件进行增阻风量调节；

2.根据提供的某一采区的通风系统图及通风测量数据进行网络解算；

3.选择增阻调节风窗设置位置；

4.计算调节风窗的断面积的大小。五、注意事项

1.调节风窗应尽量安设在回风巷道中，以免妨碍运输。在总回风巷和主要进风巷中禁止设置调节风窗。当非安设在运输巷道时，则可以采用多段调节，用若干面积较大的调节风门来代替一个面积较小的调节风窗；

2.在采区内安设调节风窗时，应安装在风桥之后，以防止风桥漏风加大；

3.安设调节风窗的地点要求围岩完好，尽量避免设在煤巷中，以防止引起煤炭自燃发火；

4.在复杂通风网络中调节风量时，需对通风网络进行综合分析，防止重复设置风窗，以避免增大通风阻力和无益的电耗；

5.风窗的窗口应靠在巷道的上部，以利于排放瓦斯。复习思考题7-1：什么叫通风网路图？绘制通风网路图的一般步骤与一般原则分别是什么？7-2：什么叫串联通风、并联通风和角联通风？各有何特性？7-3：比较串联通风与并联通风的特点。7-4：为什么风量调节是矿井通风管理的主要内容？7-5：什么是局部风量调节？什么是矿井总风量调节？二者有什么不同？7-6：增阻调节法的实质是什么？增阻调节法对矿井通风网路有什么影响？7-7：降阻调节法的实质是什么？使用降阻调节法时应注意哪些问题？7-8：辅助通风机调节法的实质是什么？使用辅助通风机调节法时应注意哪些问题？7-9：矿井总风量调节的方法主要有哪些？7-10：一组串联巷道，各巷道的风阻分别是：R1为0．588kg／m7，R2为0．411kg／m7，R3为0.147kg／m7，R4为0．255kg／m7，R5为0．392kg／m7，通过的风量为25m3／s，试求该串联系统的总风阻、总阻力和总等积孔。复习思考题7-11：如题图7-1所示并联网路，已知各分支风阻为R1=1.03，R2=1.68，R3=1.27，R4