浅议矿井通风系统优化

杜鹃

关键词：矿井通风系统；系统优化策略；系统优化方法

一、矿井通风系统优化的现状与发展

矿井通风系统优化是个比较受关注的研究领域，国内外不少专家和学者对矿井通风系统优化进行了广泛的研究，并取得了很多成果，在矿井通风网络解算和矿井通风系统图建立等几个方面都有应用软件投入使用，为矿井通风系统优化带来极大方便，80年代初，就开发出一套较完整的矿井通风管理软件，以加拿大、美国、英国、澳大利亚为代表陆续开发出代表性的软件，但由于价格和语言方面的原因，这些软件在国内的应用不广泛。

国内1980年代末才陆续有这方面的软件出现，经过20余年的发展，不少软件成功地投入使用。如国内开发的矿井通风计算机动态管理软件(简称VSM)，能再现通风系统现状，预测网络变化情况，并给出相应的调节对策。中国矿业大学开发的计算机图形系统，专门用于矿井通风系统图形管理和火灾救灾辅助决策，使用该系统能够方便地生成矿井通风系统图。贵州工业大学采矿教研室研究的MVS•MIS系统，提供比较友好的操作界面，数据的录入简单，结果输出多样化，系统安全可靠，资源的共享性强，该系统投入使用，带动了通风安全管理工作的一体化进程，加速了矿山企业管理信息化的发展步伐。但是这些软件只能做矿井通风系统优化的部分工作。在实际的通风系统优化工作中，由于缺乏专门的通风系统优化决策支持软件，工作人员面对大量数据而无法应用科学的方法进行定量计算，例如在方案优选环节上，多依据定性分析和经验。另外，在通风系统优化的不同环节，应用不同的软件，这样不但繁琐，而且也不利信息的处理和集中。加上受当时计算机编程语言的限制，原来开发的软件在系统结构、软件操作、信息输入等方面都存在着缺陷。

矿山通风的基本目标是为井下各作业面提供安全、舒适的环境。实现这一目标最主要的手段是以一定风速提供适量新鲜空气以迅速驱散、稀释井下污染空气。通风系统设计的第二个目标是使通风投资与运行费用最低。

二、优化策略

通风工程师可以采月多种策略维持通风系统的效率。这些策略包括封闭漏风通进安装辅扇或调节风门增加与地而连通的风道。采取各种补救措施引起的投资和运行费用高低不一。但任何时候都必须是安全、可靠和经济的。可以采取的措施包括：改善风门与采场的维护状态以使漏风和失控风流循环小；合适的地方，可以打开与现有运输道平行的辅助风以减少按需要分配风量时的动力耗；选择最优位置安装工况合适的辅扇以便增加特定部位的风量；检查通风刊络中风机的数量、位置和工况；检查通风网络中调节设施的数量、位置和尺寸；利用额外的通达地表的风道例如风井、地表井下测量钻孔以便通过利用井联通道或通过建立直通通风系统控制漏风来改善新风分配；利用自然风压辅助主扇通风。

任何手段均会受到实际条件的限制。应保持相对风速低于4M/S以防止粗尘扬起。有时井下辅扇与调节设施无法安装在指定的主干风道中。上述措施绝非万无一失。如果矿山存在气候问题，则矿井通风还会受到进一步限制。随着矿山生产规模的扩大，开采深度的延深，通风方法亦应相应改变。

三、优化方法

在设计和管理通风系统时越来越趋向于使用以计算机为基础的分析工具。这些工具可会同设计数据和通风测量数据一起用于获得矿山服务期限内安全经济的通风方法。在安装先进的监测传感器后通风技术人员可不断地更新模拟程序所用的输入数据。

为了得到解决特殊通风问题的最佳通风方案开始从现有通风网络获取最新的精确通风监测数据着手或从确定通风设计参数着手。然后将监测数据或设计数据输入到稳态矿井通风模拟程序中从而计算出整个网络的风量与压力平衡值。为了进行有效的通风网络设计，可利用现代的交互式计算机程序，包括市场上买得到的和内部开发的稳态矿井通风莫拟程序。通风技术人员可凭经验“反复试算法逐步迭代法”确定主扇、井下风机、被动调节设施、制冷车问的位置和配置方案，以最小的成本获得满意的新风量分配。一旦计算机对现存网络模拟的结果与可用的通风测量数据相关性很好，则可将新开发矿井的设计数据输入计算机进行模拟。

随后可按照前面详述的通用优化策略，运用其经验和对特定通风系统的有关知识进行调整。研究者可用这种方法产生大量且实用的通风方案。尽管许多方案也许可行，但在选用之前可能出于一定的安全考虑而需进行完善。

对每一可行方案，记下其客观满意度，计划运行成本估算安装费用包括监测设施与失败保护设施的安装。用迭代通近法选择出对于所用方案而言的“最优”解，并为矿山管理部门提出建议性的选择方案。最终选择的方案必须是安全经济的。通风设计人员的客观判断及经验对方案的选择有很大影响这种迭代法对于相对较小的网络向题求解是有效的，但随着工作面距地表的距离不断加大，通风网络渐趋复杂化，这种方法便会到达其应用极限。

四、优化方法的发展

前述稳态迭代法的公式化即是形成一个各通风系统组成部分的工况特性的数学表达式。给定工作面需风量，即定义固定风量分支，并要确定主扇和辅扇及调节装置的位置和工况以满足这些预先给定的风量要求。风机压力和风量特性曲线与风道阻力曲线等可结合起来表达整个通风网络的风量压力分布。也可推导确定整个矿山通风总动力费的表达式。

所以，用于特定矿山通风目标的总动力费可以用这些推导出来的满足实际约束条件的表达式从数学分析的角度进行优化。该法在过去几年中引起了极大的研究兴趣。总的来说，矿井通风网络的数学优化旨在确定辅扇和调节装置的工况和位置以期以最少的动力消耗满足工作面和其它地方预定的风量要求。解的结果受到辅扇与调节风门安装条件的约束。

如果网络中分支不受风量分配的限制，风流本身将会按风道的阻力特性进行分配—即自然分风。但是由于存在最低法定风量例如对适用于工作区的那些法规，故需用辅扇与调节设施控制风流分配。如果指定全部分配风量，网络即为“纯控制”通风系统，这类系统的优化目标将是找出辅扇与调节设施的合适位置以维持期望的新鲜风量。但如果网络中某些风量允许变化而另一些风量为规定风量，则风机和调节设施的引入会改变风流的分布，而求解的间题变成了在维持指定风量的情况下，尽量降低风网中风机的动力消耗。这种网络称为“广义控制”通风网络。

参考文献：

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[2]孟倩等.矿井通风网络数据库的模式优化[J].煤矿自动化,1998

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