2018, Vol. 9引用本文 |
| 区域受控循环通风机布置方式及其对主通风系统影响分析 |  [PDF全文] |
2. 昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093
2. Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China
矿山井下局部生产区域，因为主扇系统通风能力问题，无法提供足够的新鲜风流，此时，需要将局部区域范围内的污风进行处理后进行再利用.同一风流通过同一地点的次数超过一次，就叫循环通风[1].对风流反复净化循环使用，可以增加工作地点的有效风量[2].叶镇杰教授得出了循环风的应用可以改善采场通风的结论[3].开展循环风利用研究将会更加丰富我国金属非金属矿山有关通风安全理论方面的内容[4].红透山矿业有限公司实践了循环通风，大大改善了区域作业环境质量，同时有较好的经济效益[5]，合理的通风系统是搞好矿井通风的基础，它对矿井通风具有长期的影响[6].对于一个矿山的某些局部区域而言，需探求新的通风技术[7].这种将污风再利用的通风技术叫做矿井区域受控循环通风[8].该技术的适用前提及基本条件是对污风能够进行有效的净化处理，特别是污风中的有毒有害成分，如果通过处理后，能够满足井下工作面新鲜风流的基本条件，则矿山区域生产中完全可采用循环通风技术[9].该技术是20世纪70年代首先在英国兴起的一项矿井通风新技术.对于区域受控循环通风中再循环区域大小的确定、再循环连接点的选择、再循环风机的安装位置等的研究是该项技术应用的基础.利用好循环风，对矿井生产、节能、安全十分有利[10].
1 区域受控循环通风系统的确定原则再循环区域大小的确定取决于再循环的规模，这种规模可能是一个矿房甚至一个中段或是若干采区(中段)更或是整个矿井系统，决定再循环规模大小的主要因素是循环风机的性能及其布置方式.对于再循环连接点的选择，再循环连接点是指循环污风开始进入循环区的那一位置，连接点选在不同地方其对于区域循环通风的应用效果也不一样，就矿山粉尘而言，根据其自身沉降特性，回风越接近地表其污染物浓度越低，这样看来似乎连接点越接近地表愈好，但是越接近地表，回风流中所含的热能却越少(途中损失)，如果要利用回风中的热能来预热进风效果就越差.因此在选择连接点时就需要充分考虑连接点的工程布置情况及其所承担的其他功能后最终确定.
对于循环风机位置的确定.就一个已确定的再循环区域而言，其位置可以选择在不同地点，如循环风路入口、循环风路出口或循环联道中.位于循环风路入口或出口处，风机的风量和风压相同，但压力分布不一样.当循环联道与工作面之间有漏风分布时，其通风效果不一样[11].风机安在循环联道，通过的风量与风压都与安在循环干线不同.因此，如何选择循环风机的位置需要综合考虑循环区的大小、循环联道的布置情况等因素后最终确定.循环风机的位置选择对区域循环通风的经济性影响较大.
2 区域受控循环通风机的布置方式及其特征分析受控循环通风方式的布置形式，决定于循环风机的布置，相对主扇而言，循环系统内可将循环风机布置于循环联道、循环区进风道、循环区回风道内[12].
2.1 循环风机布置于循环联道循环风机安装在循环联道内，是为了提高回风流的能量，让回风重新返回到循环系统进风流中，循环风机的作用与主扇相反，循环风机的存在，增加了系统阻力，称之为增阻循环风，于循环联道布置风机而言：可以布置一台风机在循环联道中；也可布置一台在循环联道中，另一台在进风道或回风道中.
2.1.1 一台风机布置于循环联道就整个区域循环系统而言，系统内仅布置了1台风机，布置于循环联道内，见图 1，循环区域内的通风网络可用等效风阻路线代替，即循环系统风路的风量与整个通风系统的总风量相等，阻力为整个区域网络的总阻力.一旦总的风量发生了变化，循环区域的风路也将随之发生变化，该变化满足等比定律，图 1中F为整个通风系统的主扇，A-B-C-D-A为循环区域，AB为循环联道，其阻力为Rr，风量为Qr；B-C-D-A为循环区域内部网络的等效风路，风量为Qc，风阻为Rc，1-B为进风路线，风阻R1，风量Q1，A-F为回风路线，风阻R0，风量Q0，以hF、QF表示主扇的风压和风量，以hf、Qf表示循环风机的风压和风量.
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| 图 1 单台风机循环联道布置示意 Fig. 1 Arrangement plan for a single ventilatoron circulating joint-roadway |
2.1.2 两台循环风机中的一台布置于循环联道
就整个区域循环系统而言，系统内布置了2台风机，一台布置于循环联道内，提高了回风流的能量，增加了系统阻力；另一台布置于循环区的进/回风道中，补偿压力损失，见图 2，系统的良好运行取决于2台循环风机的合理匹配，较优的匹配情况是获得期望的循环率而不改变该区域的总进风量.
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| 图 2 两台循环风机中的一台布置于循环联道示意 Fig. 2 Arrangement plan for one of two circulating fans arranged on circulating joint-roadway |
2.2 循环风机布置于循环区进风道或回风道
于循环区进风道、回风道安装循环风机而言：可将一台循环风机安装于循环区进/回风道内；可在循环区进/回风道内安装一台循环风机的基础上，在系统总回风道内设置一个调节风门；还可在循环区进/回风道内安装一台循环风机的基础上，在系统总回风道内再安装一台循环风机.循环风机安装于循环区进/回风道内，在循环风机的作用下，回风流的总能量发生了增加，从而使风流产生循环，就循环风机的作用而言，其增大了系统的风压，实为增压循环风.循环风量的大小取决于整个系统风量的变化.
2.2.1 一台循环风机安装于循环区进/回风道循环系统内只有一台循环风机，安装于循环系统回风道中，如图 3.
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| 图 3 一台循环风机安装于循环区进/回风道示意 Fig. 3 Arrangement plan for one circulating fan installed in air inlet of circulation area |
2.2.2 一台循环风机安装于循环区进/回风道和一个调节风门组合
循环系统内只有一台循环风机，安装于循环系统回风道中，在总回风系统中，于总回风道内设置一个风门，假设风门风阻为R.如图 4.
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| 图 4 一台循环风机安装于循环区进/回风道和一个调节风门组合示意 Fig. 4 Arrangement plan for one circulating fan jointly installed in air inlet of circulation area and a controlling air door |
2.2.3 两台循环通风机布置于总通风系统
循环系统内只有一台循环风机，安装于循环系统回风道中，在总回风系统中，于总回风道内设置一台风机，形成串联通风.如图 5.
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| 图 5 两台循环通风机布置于总通风系统 Fig. 5 Two circulating fans arranged in main ventilation system |
2.3 循环通风方式分析
根据上面分析，循环通风依据循环风机的布置方式，大致可以分为5种，这5种不同的布置方式，循环系统内的各项参数计算如表 1所列，通过计算公式可以发现，不同的布置方式对循环系统循环率、循环风量、工作面风量和循环风机风压的影响取决于循环率F和总通风系统新鲜风量Q1.
| 表 1 受控循环通风方式参数计算公式对比 Table 1 Correlation of parameters' calculation formulas for ways of controlled circulation ventilation |
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第Ⅰ种循环方式：只有一台风机安装于循环联道内，于主扇而言，属于增阻调节，循环率为0时，即为常规通风；随着循环风机的运行，循环率增大，进入循环系统的新鲜风减小，工作面的风量增量减少，由此可知，该种布置方式，工作面的风量增加是有限的.同时，这种布置形式也是最常见、最简单的布置.
第Ⅱ种循环方式：为了保证循环系统的新鲜风量，在循环区的进/回风道中增加一台风机，补偿压力损失，循环率增大，工作面风量也增大，该布置方式的有效运行前提是布置于循环联道内风机的风压大于进/回风道中风机的风压，风机功率受循环率增加而增大.
第Ⅲ种循环方式：在循环风机的作用下，帮助系统主扇进行工作，提高了循环区的新鲜风流供给量，随着循环率增大，工作面的新鲜风流量也增加.就此布置形式而言，循环风量需要大于循环系统新鲜风量，也就是说循环风机的供风能力需要大一些，循环风机的选择取决于循环系统新鲜风量及循环率，在实际生产中，通过这种布置方式来增加整个系统的风量，反而会形成一种浪费.
第Ⅳ种循环方式：循环风机与系统主扇的工况点一定时，循环系数增大，调节风门的风阻值增大，这就导致进入区域循环系统的新鲜风流量减小.有鉴于此，此种布置形式会制约循环率的大小.
第Ⅴ种循环方式：当循环系统内新鲜风流不能保证将循环系统内的有害物浓度稀释到符合安全规程时，在总回风道内设置一台风机，是为了提高循环系统新鲜风量供给.此时，区域循环系统内有2台风机，一台是为了增加区域循环通风量，另一台是将更多的新鲜风送入循环区域.一般情况下，在主扇一定、区域循环率已知的条件下，提高总回风道内风机的能力，可以降低工作面有害物的浓度，但是，循环联道内的风机能力也需提高[13].
2.4 区域循环系统对主扇的影响分析对于井下风路较长，通风网络上分散分布着多个用风区域的通风系统，或是通过增加主扇风量来解决矿井通风问题存在困难的矿山，应用受控循环风解决通风困难是一种有效的方法.循环风机的全压不仅用于克服循环区总阻力，同时还要克服反向的矿井自然风压、循环风机装置的通风阻力以及风流动压损失[14-15].
2.4.1 循环率对主通风系统的影响不同的循环通风系统布置形式，对矿山主扇的影响是不一样的，这就需要开展区域循环通风系统对矿山主通风系统影响研究.因为循环率是受控循环通风系统的核心参数，下面以一台风机布置于循环联道为模型，即以图 6为例进行分析，这是因为该种布置方式，循环率对主扇的影响较为典型，由于循环风的加入，BC段风量加大，压降也增大，这种对循环系统外部的影响可以看作是图 6(c)所示的增阻后的影响.
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| 图 6 通风示意 Fig. 6 Ventilation sketch map |
设R为ABCD段的风阻，R′为应用循环风后该段的等效风阻，即有：
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(1) |
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(2) |
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(3) |
式(1)、式(2)、式(3)中，Q′为应用循环风后BC段的风量；Q′为应用循环风后AB段(或DC)段的风量.
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(4) |
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(5) |
此值相当于与循环风对外部系统影响相同的增阻值，称为当量风阻.显然，随着循环系数的增大，当量风阻也随之增大，且增大幅度越来越大.当量风阻与循环系数的关系曲线图如图 7所示.
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| 图 7 当量风阻与循环系数的关系曲线 Fig. 7 Graph of the relation between equivalent wind resistance and circulation coefficient |
对于图 6(b)所示循环通风系统，有了循环风，用风区的风量增大，压降与风量平方成正比，此时区域循环系统新鲜风量Q减少至Q"(Q" < Q)，由式(4)，循环系数的增加导致当量风阻增加，从而引起循环系统内新鲜风量大幅降低，应用循环风将变得没有实际意义.因此，当循环率到达某一数值后，随意提高循环率将使得循环风不受控制，反而会加剧混合进风的污染程度，采用合理调节与应用受控循环风相结合的方法是解决矿井通风困难问题的一条新途径[16].因此，合理选取符合循环系统需求的循环率是减少循环系统对主通风系统影响的关键.为了进一步分析循环风的影响，针对循环系统内参数变化情况来分析其给矿井主扇带来的一系列变化.下面就增阻循环风和增压型循环风分别进行分析[17].
2.4.2 循环系统对主扇工况的影响表 1所列是增阻型、增压型循环风对主扇风量、风压的影响情况分析表，通过分析得出：
1) 第Ⅰ、Ⅱ种循环方式，井下通风系统阻力增加，导致系统风量减小，循环区域的风阻会制约循环风的运行.
2) 第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ种循环方式，区域循环风系统对整个通风系统而言，作用如同辅扇，辅助主扇运转，使主扇风量增加.
3) 第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ种循环方式，系统中循环风机功率大，能耗高，同时，由安装位置可以看出，这几种布置方式，循环风机安装于通风网路中，一旦网路内需要进行运输作业，将会使该布置方式受到制约，故现场多采用增阻型循环系统，而少采用增压型循环风系统.
4) 通过通风系统影响分析，对主扇工况的影响主要取决于循环区域风阻在整个矿井风阻中所占的比例，比例越大，影响越大.就区域受控循环风对主扇工况的影响分析而言，一般其对主扇的影响都是比较小的.
5) 第Ⅰ~Ⅴ种循环方式中的任意一种，只要循环率大于零，主扇的风压随循环率的增加而增加，这是因为循环率增加，循环区域内混合风量增加，局部压力与其平方成正比，所以矿井总阻力增加，致使主扇风压随循环率的增大而增加[17].
6) 单台辅助通风机循环联道循环增阻通风系统，可以有效增加循环工作面的风量，能够满足矿井生产要求，还不影响主通风系统的正常运行生产[18-20].
3 结论1) 分析的5种循环系统，都可以提高有效风量率，关键是看主通风系统能否供给该循环区域必要的新鲜风流以确保能够有效稀释循环区内有害物达到安全生产所需；
2) 区域循环通风的关键是循环区域内的新鲜风量供给，当区域循环系统内需要新鲜风量较小时，可以采用第Ⅳ种循环方式，这种调节方式受到运输作业的制约会使通风费用不必要地增加；
3) 第Ⅰ种循环方式，实现方式简单，但随着循环率增加，主扇供给循环区的新鲜风量将会减少，因此，存在着循环率优化问题；
4) 合理计算选取符合循环系统需求的循环率是安全应用受控循环通风技术的关键.
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