[科普中国]-循环风流

简介

随着矿井开采强度的增加，通风网络变得越来越复杂，工作面逐渐远离主扇，导致风流路线增长，远离主扇的工作面风量严重不足。将风机安装至井下，伴随着局部循环风的出现，通风系统出现循环风将严重影响风机对深部通风的控制能力，深井开采通风技术中循环风流是困扰复杂矿井开采的主要问题。

一般情况下，矿井通风系统中存在着许多废弃的通风巷道和采空区等。这些风道中，一部分巷道的存在会导致循环风流的产生，造成系统漏风，属于漏风通道，是有害的；另一部分巷道的存在则不会形成循环风流，可以降低通风系统的阻力，减少风机通风功耗，是有利的。通过分析漏风的本质，应用自主开发的通风网络优化分析软件———VentNetLab 来甄别这 2 种巷道，利用有利通道控制不利通道，减少通风系统内部漏风，改善深部通风效果1。

循环风的本质矿井循环风分为外部循环风和内部循环风2种。深井通风循环风主要为内部循环风，内部循环风的本质是通风系统中存在2 种漏风风流。一种是当风机安装在地表时，空气自地表进入矿井后，未流经作业面，从进风部分直接漏入回风部分的循环风流；另一种则是当风机安装在井下时，回风道的部分风流未流出地表，从某些漏风通道混入进风通道而形成的循环风流。作业面有效风量也为5.13 m3/s。

如果定义单个循环回路中风量最小的风路风量为循环风量，则通风网络中各循环回路的循环风量总和即为该网络内部漏风量。一个循环回路的循环风量越大，说明它造成的漏风就越大，在处理漏风时就越应该优先得到处理。

内部循环风量化评价通风优化的目标是用最小的通风动力消耗将一定的新鲜风流送到指定的作业地点，满足生产需求。由于通风系统中漏风的存在会消耗额外的风机功率，漏风越严重，额外动力消耗就越大。

为剔除循环风量后需风点实际获得的新鲜风流量，由于应用国际单位制进行计算时调节效率数值较小，这里暂不考虑风机效率。

通过计算可以发现此时网络中会出现3 个循环风流，矿井工作面新鲜风量只有5.13 m3/s，而通风功耗为45.94 kW，此时调节效率为6.7 m3（/ min·kW）。

在同一个通风网络下，不同的通风调节方案，其调节效率是不同的。循环风量越大即矿井漏风量越大时，调节效率越低。一个通风网络，在需风点位置和风量一定的条件下，当循环风量为0 时，理论上调节效率最大。但由于生产条件的限制，通风网络调节方案只可能接近最大调节效率而无法真正达到最大。一个矿山通风网络的最大调节效率可用于评价一个矿山通风调节的难易程度，而其实际达到的调节效率则反映了该矿的漏风严重程度。

内部循环风的控制内部漏风的实质是通风系统中存在循环回路。实现内部漏风的控制就要控制通风系统中存在的循环回路。因此，首先要确定系统中存在的循环回路，并明确循环回路的位置。

1 循环回路的查找

实际生产中的矿井通风网络是极其复杂的，是一种非线性的复杂系统。目前，理论上并没有通用的方法来确定循环回路的存在与否，更无法明确循环回路存在时其所在具体位置。但对于具体的通风网络，可以通过数字试验的方法来确定其循环回路的实际情况，基于此开发了一款通风网络分析软件———VentNetLab，称之为通风网络实验室。其运行的基本思路是，先进行通风网络解算，确定各分支的风流方向，再对网络进行深度搜索以确定循环回路位置。

2 内部循环风的控制措施

井下循环风的实质为通风系统的内部漏风，控制循环风即需要控制内部漏风通道。因此，必须对内部漏风通道加以控制，使得漏风通道风量为零，具体措施包括密闭漏风通道、减少漏风通道两端风压差。

（1）密闭漏风通道。

一般情况下，矿山生产中的许多穿脉、天井及废弃的作业面都是需要密闭的。

然而，在某些情况下，这些通道作为进风道，使风流能够流经这些风道到达作业面，缩短了风流路线长度，减少矿井总风阻。在一定情况下，保留这些通道是有必要的。如果这些巷道是作为某个循环风流的分支，形成了循环风时，则这些巷道属于漏风通道，造成了系统的内部漏风。因此，必须对其进行密闭处理，即封闭该巷道，简化通风网络，则该循环风流的单向回路被破坏，循环风流因此不存在了。

（2）改变压力关系。

由前面的分析可知，机站位置和风机特性的改变能大大改变通风网络的调节特性，究其原因，其实就是改变了井下存在的各漏风通道两端之间的压差。在复杂通风网络中，需风点固定后，通过模拟试验控风点位置布置及其风量大小的分配，即通过不断改变风机位置和特性，改变压力关系，可以减少漏风通道两端风压差，从而减少系统内部循环风流2。

某有色金属矿矿井通风内部漏风问题研究1 通风存在的问题

某有色金属矿井下需要通风的中段主要有+55，0，-45，-85，-125，-160，-200，-245，-285，-325，-365，-390，-410，-425，-455，-500，-550，-610，-655，-685，-710，-720 及-750 m 共23 个，井筒最大深度近900 m，较长中段的巷道走向长度近2 000 m，同时作业的采掘作业面约120 个，该矿通风网络复杂程度可谓“世界之最”。

该矿由安装在地表的3 台主扇进行抽出式通风，每个主扇都控制其对应的中段。3 个回风井风量相当，分别为197.03，198.42，212.8 m3/s，平均每个中段需风量为27.64 m3/s。3 台主扇通风总功耗达1 755 kW，通风系统内部漏风率高达30%，导致深部通风效果并不理想，-680 m、-710 m、-750 m中段风量仅分别为0.66，4.06，2.18 m3/s，风量根本无法达到矿山安全生产标准。

为解决深部工作面供风量不足的问题，保证-680、-710、-750 m 中段供风量符合安全生产标准，采用增加3 台主扇风量和风压的方法，使得3个回风井的回风量均为400 m3/s，暂且不考虑回风井风速超标的问题，矿井通风压力将大幅增加，3 台主扇通风总功耗高达7 442 kW。然而，深部中段风量增加甚微，-680、-710、-750 m 中段风量仍然仅为2.54，7.86，4.88 m3/s。

2 解决问题的方法

单纯依靠增加3 台主扇风量和风压的方法无法解决深部供风不足的问题，因此，必须采用井下安装风机的方法。井下安装风机往往是根据用风地点需风量由里向外进行风量分配。因此，需要在系统中确认哪些巷道是用风点，并通过需风点计算原则，计算其需风量。由于生产需要，井下风机基本安装在进、回风井石门处。需要计算各风机安装位置处的需风量，然后固定风机风量，完成在这些需风点环境下整个矿井的风量分配。

风机安装在需风点后，由于安装位置以及风量的分配不合理，导致网络里出现循环回路数较多。相较简单通风网络，复杂通风网络由于其风道多且网络拓扑关系复杂等原因，只能借助于通风仿真软件对循环回路所在位置以及产生原因进行分析。

某有色金属矿目前深部开采工作面主要分布在-500，-550，-600，-650 m 中段，狮岭南采场分布在-400 和-450 m，浅部位分别是-280，-320，-360 m，东区采场主要分布在浅部-240，-280，-320 m，南盘区采场主要分布在-360 和-400 m 等中段。根据矿山开采现状以及需风量计算原则进行计算，初步设置需风点17 个，各中段需风量确定后，应用VentNetLab 通风模拟软件设置需风点，基本设置在各个中段总回风道处，控制各个中段的风量。

需风点设置完成后，应用VentNetLab 通风模拟软件进行数字化模拟，使用软件的风量计算、查找循环回路以及统计等功能，并应用软件的查找功能对循环回路进行查找。

在需风点设置环境下，总需风量为590 m3/s，风机总功耗为1 535.33 kW，然后各需风点总有效风量却只有36.94 m3/s，系统中存在的循环回路数总计多达564 个。

大部分风流在井下形成循环风，内部漏风极其严重，漏风风流未能从地表排出，导致井下有效风量大大减少。

3 解决方案

对天井进行密闭处

理，应用VentNetLab 通风模拟软件进行查找，该循环回路消除了。将系统中存在的循环回路查找出来，对相应巷道进行密闭处理，共计密闭30 处，含上部闭坑中段的石门、回风巷，以及部分主巷、天包井等，使得各需风点总有效风量达到78.9 m3/s。

将风机安装在井下，改变其压力关系，是为了增强风机控制力，本身对系统的调控是有利的。井下风机可以采用自动监控实现无人值守，灾变情况下井下风机未瘫痪前可以提供系统控制力，即使瘫痪也不会给系统控制带来危害。

由于矿井通风系统是一个复杂多变的系统，并非简单的数学模型，因此，难以完全控制系统内部漏风，只能通过不断模拟优化，使得内部漏风风量减少，保证调节效率尽可能达到最大2。

总结通过分析井下通风系统漏风原因，进行通风网络优化实践，可以得出如下结论。

（1）从本质上对循环风进行解释，提供了寻找循环风流线路的具体方法；

（2）有效风量与通风动力消耗量之比即调节效率可用于评价通风系统的漏风严重程度，矿山最大调节效率可用于评价其通风调节难易程度；

（3）对于深井通风，不管是单纯将风机安装在地表还是井下，都无法实现有效通风，只有地表和井下联合安装风机即多级机站通风才能实现有效通风3。