YY 矿井基于电算的风流调控方案研究

张 帅 胡章地 胡雅文 赵 洋 胡文军 胡大顺

（1、武汉工程大学资源与安全工程学院，湖北 武汉430073 2、黄冈市安全生产执法支队，湖北 黄冈438000 3、湖北大楚注册安全工程师事务所有限公司，湖北 武汉430070）

1 矿山概况

根据相关资料及现场踏勘的情况，YY 矿井通风系统采用副井进风- 主井回风的对角式通风系统，但现场部分区域存在通风混乱，通风不畅等问题，主要表现在以下几个方面:

1.1 混合井作为-280m 水平以下回采主要的人员上下及矿石提升竖井，未明确其是进风井还是回风井，在-280m 中段主运输巷设置常关风门后，形成一个独头巷道，既不能进风也不能回风。

1.2 新鲜风流通过-280m～-380m 盲竖井进入-380m 中段后，通过回风天井及斜坡道进入上一分段，导致-380m 水泵房和配电硐室通风不畅，同时配电硐室为独头巷道，仅靠一局扇通风，硐室内温度较高。

1.3 副井-180m 中段水平新风和污风隔断门距-180 米马头门太近，导致-180 米中段回风巷道有一处回风巷道为独头巷道，该巷道内通风较差。

1.4 井下部分中段通风不畅，部分通往采空的巷道未及时封闭，漏风严重。

2 YY 矿井通风结构改造

针对矿山通风系统存在的上述问题，对现有通风系统进行变更:

2.1 副井作为进风井，主井作为回风井。保持原有的副井进风线路不变，将从盲竖井进入-380m 中段的新鲜风流一部分引入水泵房和配电房，通过箕斗斜井回风至-345m～-304m 的溜井口，利用-345m～-304m 的溜井兼作回风井，在-304m 水平安装一台局扇，将污风抽至-304m 分段回风巷，最后汇入-292m 回风斜坡道。副井通风线路为: 地表→副井→-180m～-280m 盲斜井→-280m 中段→-280m～-380m 盲竖井→-380m中段平巷→水泵房→-380m～-280m 箕斗斜井（-345m）→-345m～-304m 溜井→-304 回风巷道→-304m～-292m 斜坡道→各分段斜坡道→-180m 回风巷→主井石门（主风机）→地表。

地表→副井→-180m～-280m 盲斜井→-280m 中段→-280m～-380m 盲竖井→-380m 中段平巷→-373m～-316m 各分段斜坡道→各分段平巷→采场→天井→上一分段→-304 回风巷道→-304m～-292m 斜坡道→各分段斜坡道→-180m 回风巷→主井石门（主风机）→地表。

2.2 本次变更将混合井作为辅助进风井，主要为-280m 中段行人和水泵房提供新鲜风流。混合井通风线路为：地表→混合井→-280m 中段运输平巷→-280m～-271m 通风天井→-271m 分段平巷→各分段回风斜坡道→-180m 回风巷→主井石门（主风机）→地表。

3 风网解算方法及分析软件

对于风网解算方法常用的有 Scott-Hinsley 法和Newton-Raphson 法[1]。本文风网解算方法采用Scott-Hinsley 法。该法是一种迭代法[2]，虽然其收敛速度受所圈划回路的影响，但其算法简单，内存要求不大，每次迭代运算速度较快，收敛性较好。其实质是将回路风压平衡方程式按Taylor 级数展开，略去二阶以上的高阶微分项。利用方程式中一个已知的根(即初拟风量)的近似值(前提是满足节点风量平衡条件)逐次迭代计算，并校正其风量值，当迭代校正误差达到规定精度时，就求出了近似的真实值。其算法步骤如下[3]：

3.1 列出节点风量平衡方程和回路风压平衡方程；

3.3 根据风压方程的Taylor 展开式求风量校正值；

3.4 对风网回路中各分支的初拟风量进行校正；

3.5 对所有的独立回路，判断是否满足收敛条件；

3.6 当第3.5 步不满足时转3.3 ，重复计算直到满足收敛条件为止，即得风网解算结果。

自主设计风网的分析软件Mvnet Version1.6 简介：

软件开发语言: C#

使用的基础类框架技术: DXperience-10.2.3

IDE: Microsoft Visual Studio 2012

操作系统平台: Windows

操作系统: Microsoft Windows 7 /8（推荐Microsoft Windows 8）

内存: 推荐1G 以上

Microsoft Office Excel: 2003 及以上版本（推荐2010）

由于实际风网分支数较多，数据量很庞大，为适应技术人员很多方便地进行数据管理，设计本软件支持.xml 和.xls 两种数据输入输出格式。

其中，xml 是一种轻量级通用的数据交换格式，非常适合与其他程序进行交换；xls (.xlsx)是用户比较习惯的数据格式，利用excel 强大的编辑功能可以方便实现数据的批量处理。

风网分支数据可以通过工作表的形式输入，也可通过Excel文档直接导入。输入或导入的原始数据可以进行修改，可以导出保存为Excel 文档。

风网的分析软件Mvnet Version1.6 有两种不同的输入方式——GUI 方式输入和解析XML 配置文件方式输入。选择GUI方式输入后进行相应的GUI 操作，通过增加、删除、编辑对风算实例进行调整，运行核心风网计算程序，生成输出实例，以GUI方式展现计算结果。

风网解算软件功能如下：主程序MVNET 完成风网数据输入和子程序的调用；子程序SORT 完成风网分支风阻排序；子程序MESH 用加边法圈划独立网孔（以主扇、固定风量、高风阻分支为弦）；子程序CVFT 完成主扇性能曲线拟合计算；子程序IRT 完成风网解算迭代计算和计算数据的输出；函数FANH 为风机性能特性曲线函数。

4 通风方案网络解算

根据矿山井巷布置，画出通风解算网络拓扑图，在图上标明风机的安装位置并进行节点编号。

按作业场所校核计算矿井需风量：回采采场（3 个）、备用采场（1 个）、掘进工作面（2 个）、维修硐室（1 个）、水泵房（1 个）、卷扬机房（1 个）、卸矿点（2 个）设计选取风量分别为2.6、1.3、2.6、2.0、2.0、2.0、2.0m3/s。

根据通风方案和通风解算网络图以及相关基础资料，编制巷道风阻、网孔、风机及机站原始参数文件，网分支数NB=21，风网节点数NJ=13，主扇数NFC=1，固定风量分支数LXQ=8，迭代最大次数MIT=10000，迭代限E=0.0001，利用矿井通风系统解算软件MVNET1.6 进行网络解算，得出YY 矿风网解算分支数据。

根据解算数据设置不同的调节方式，调节阻力HR 大于0时布置调节风窗；HR 小于0 时采取降阻措施或设置辅扇增压。风窗的面积与需要增加的阻力和巷道的断面面积有关[4]。

5 YY 矿井风流调控方案

经通风结构调整及风网解算，YY 矿井风流调控方案如下：封堵墙的位置：（-180m 水平）-180m～-174m 斜坡道口、至Ⅲ号矿体联络道、回风巷至Ⅲ号矿体联络道、疏水巷道口、西大巷；（-190m 水平）至Ⅱ号矿体联络道；（-210m 水平）至Ⅱ号矿体联络道；（-221m 水平）至Ⅱ号矿体联络道；（-238m 水平）至Ⅱ号矿体联络道；（-249m 水平）至Ⅱ号矿体联络道；（-260m 水平）至Ⅱ号矿体联络道；-380m 水平）泄水井口、盲斜井口对面溜井。

风门的位置：（-180m 水平）主运输巷与回风巷连接处、-180m～-100m 斜坡道口；（-188m 水平）至Ⅲ号矿体联络道；（-210m 水平）至Ⅲ号矿体斜坡道口；（-230m 水平）至进风斜井口；（-280m 水平）主巷道与斜坡道交汇处；（-330m 水平）盲竖井马头门、-345m～-304m 溜井口；（-342m 水平）盲竖井马头门。调节风窗（风门）具体位置如表1 所示。

表1 调节风窗（风门）汇总表

增阻调节一般安装调节风窗，但调节风窗的安装会影响巷道的通行运输能力，矿山生产实践中常常采用调节风门。

下面以在-342m 水平安装双扇平开调节风门为例，说明调节风门开启角度 θ的计算。

根据YY 矿山的实际生产情况，采用Unigraphics NX 建立巷道风门的几何模型，利用ANSYS 中的ICEM进行网格划分。在导入巷道风门几何模型后，创建入口、出口、巷道壁面，并进行拓扑几何操作。井下空气认为是不可压缩紊流流体。选择k-ε两方程湍流模型的计算模型，其它参数按照缺省值默认计算。

首先模拟研究调节风门角度固定时的局部风阻与风量的关系图，再模拟研究当风量不变时，调节风门局部风阻R 与风门开启角度 θ的关系。参数取值为：入口风量2.04 m3/s，平均风速0.2m3/s，调节风门开启角度分别取20°、30°、45°、60°、70°。根据基本数据模拟计算得到局部风阻与风门角度的关系图（30°之前为下降曲线，30°之后下降曲线趋平）。对结果进行曲线拟合，得到偏差R2为0.99996 的拟合公式，利用matlab 求得调节风门的角度 θ为19.4°。因此，在-342m 水平安装调节风门，风门开启角度目前为19.4°。

6 结论

本文研究YY 矿井风流调控方案，在充分调研的基础上，对通风系统网络结构进行改造；采用Scott-Hinsley 风网解算方法，运用Mvnet Version1.6 风网分析软件对通风系统网络进行风网解算；根据解算结果采取增阻、减阻、增压等方式调节风流。

考虑矿山生产实践中常常采用调节风门代替调节风窗，本文还对调节风门开启角度的计算进行了研究。

本文通过电算得到风流调节方案，使YY 矿井井下各需风点的新鲜空气风量达到规范要求。