关于煤矿通风稳定性的

【摘 要】矿井通风系统是矿井生产系统的重要辅助系统,为生产系统的安全运行提供保证.文章对影响通风系统稳定性的因素进行了分析,并对风阻变化对风流的影响进行了探讨.

【关 键 词】煤矿通风；稳定性；影响因素；风阻

1煤矿对通风系统稳定性的要求

煤矿通风管理中,需要确保煤矿各分支保持稳定的能力,当通风系统网络分支的风阻大小发生变化时,稳定的通风系统将保持各用风地点质量和数量达到安全生产标准的足够风量.通风系统网路中的风流稳定性将作为主要研究内容,其主要含义包括分支风量大小的变化和分支风流方向的改变.当通风系统的风阻发生变化,普通分支则仅会发生风量大小的变化,而角联分支不仅发生风量大小变化,风流方向也会改变.当煤矿井下用风地点的风量满足要求且状态保持不变,那么该通风系统的状态可认为是稳定的.

煤矿通风系统是由井下纵横交错的巷道构成的一个复杂系统,利用图论理论将通风系统描述为一个由点、线及其属性组成的系统,统称为通风网络.由于许多煤矿开采的自然条件恶劣,地质条件构造复杂,瓦斯涌出量变化大,因巷道及通风构筑物的变化使通风系统成为一个复杂的系统.我国大型煤矿通风系统网络节点近千个,网络分支可达上千条,角联分支占总分支数的比率可达15%～45%,全矿巷道长度约为50～200km,矿井通风设施数目几十个,用风地点一般有15～40个,甚至上百个.

2影响矿井通风系统稳定性的因素

矿井通风系统是一个复杂的、随机的、非稳定的动态系统.影响通风系统稳定性因素很多,主要表现为通风动力装置、通风网络结构和自然风压等.

2.1通风机动力变化

矿井风网内主要通风机、辅助通风机数量和性能的变化,不仅会引起风机所在巷道的风量变化,而且会使风网内其他分支风量也发生变化,并影响风网内其他风机的工况点.而在其他通风部分改动困难、不经济或改动无法满足需要时,由于局部通风机在通风网络的某个分支上加上了一定的动力,可明显改变网络中风流的分布状况,使矿井通风系统保持稳定.

2.2通风网络结构

空气在生产或通风及其他特殊用途而掘出的井巷中流动,以满足生产和安全的需要,空气流过的井巷就组成了矿井通风系统的通风网络.通风网络由通风巷道、通风构筑物组成.

矿井通风网络是矿井通风系统的重要组成部分,而矿井通风网络图是矿井通风网络分析的重要依据,由点的集合和分支的集合所组成.由于通风巷道的年久老化和失修,尤其是个别地段的地压作用,致使风道断面发生严重缩小、变形,而这些断面缩小、变形的巷道地段大多在采区和矿井的主要回风系统中,缺乏必要的巷道维护条件,难以进行巷道维护,因而导致矿井回风系统阻力增大、矿井供风不足、通风能耗增加,而不得不进行大规模的通风系统改造.

2.3矿井自然风压

由于矿井空气与大气相通,因此大气的变化也影响到井下通风系统,特别是地面空气的温度直接影响矿井空气的温度,从而影响矿井空气的密度.由于进回风侧空气柱的密度不同造成重力差,形成了矿井自然风压.一般情况下,在夏天,自然风压为负,不利于矿井通风；在冬天,自然风压为正,有利于矿井通风.矿井通风系统风流不稳定一般是指井巷中风流质或量发生变化,且其变化幅度超过了允许范围.风流的不稳定现象可分为正常生产时期与灾变时期的不稳定现象.正常生产时期风流的不稳定现象按其产生原因又可以分为由于通风动力工作不稳定引起的不稳定和由于通风网络引起的不稳定现象.在生产矿井中,除上述影响因素外,风流稳定性还受通风构筑物的非正常工作状况、巷道的贯通与封闭、工作面的推进与转移、采区接替、生产水平过渡、巷道中的行人、行车和堆积物等因素影响.

3风阻变化对风流稳定的影响分析

风阻对风流的影响主要是由于阻力引起,而阻力主要受巷道断面、行车和堆积物等影响,但风路的风阻始终满足风阻、风量和风压之间的关系,即

（1）

当风路的风阻Ri发生变化时,其风压Hi与风量Qi也相应地发生变化.对公式（1）微分：

（2）

式中,为风路的风压对风阻的变化率；为风路的风量对风阻的变化率.

由公式（2）可知：当风阻Ri变化时,其风压Hi、风量Qi均发生变化.

为了分析风阻对风流稳定性的影响,以巷道中行车对风流稳定性影响为例进行数值实验.并检测设边界条件：通风气流为不可压缩流体,可忽略由流体黏性力做功所引起的耗散热,流体的紊流黏性具有各向同性,同时检测设流动为稳态紊流.图1模型中的1表示运输设备；2为巷道.运输设备1以一定的速度在巷道2中运行,运行方向与通风风流方向相反.根据要分析的对象,具体模拟运输设备周围的速度场和压力场,结果如图2和图3所示.

由模拟结果知：运输设备在巷道中行驶时,对周围的风流造成很大影响,运输设备无形增加了巷道中的阻力,阻力变化导致风流不稳定.图2反映了风流速度场的分布情况,在距离运输设备较近位置,风流分布变得很不规则,且离运输设备越近,风流速度减弱,在运输设备前后形成低速区,这是阻力在巷道中影响风流稳定性的一种体现.图3反映了运输设备运动时,压力场发生了变化,在运输设备前方形成一个正压区,后方形成一个负压区,当运输设备运行速度越大时,前后的压差很明显,导致在负压产生卷吸作用,引起了风流的不稳定性.

4结论

煤矿通风系统的安全稳定问题是保障煤矿安全高效生产的重要因素,同时切实搞好煤矿通风安全管理,也是有效遏制煤矿安全事故发生的主要途径之一.通过模拟研究得出,距离运输设备较近位置,风流分布变得很不规则,离运输设备较近时,风流速度减弱,在运输设备前后形成低速区,压力也发生显著变化,甚至出现卷吸区域.这些都是阻力在巷道中影响风流稳定性的一种体现,对研究矿井通风系统的影响因素及其稳定性有重要的现实意义.