局部通風機實際特性的近似處理方法及應用研究（安全）

              李雨成^1,2，周  磊^1,2，劉天奇^1,2，李  智^1,2，趙曉濤^1,2

（1．遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧阜新123000；2．礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧阜新123000）

摘要：針對目前局部風機特性曲線很難得到或應用而導致局部通風研究受限問題，提出一種根據局部風機風量及風壓范圍近似求解風機特性曲線的方法。該方法采用一次線性插值函數代替風機特性曲線函數，結合風阻特性曲線得到風機工況?；�于該方法可進行局部風機選型或預測既定型號風機工況點及風筒出口風量，同時可確定長距離掘進通風中鉆孔通風有效風量與鉆孔長度、直徑的關系，也可確定風庫中轉位置與風筒長度的關系。應用分析結果表明：

用一次函數代替穩定區域風機特性曲線函數不僅簡單方便，結果較精確，且方法可靠、實用性高。

關鍵詞：局部通風；特性曲線；風量預測；一次插值

中圖分類號：X936   doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 06. 004

0  引言

    掘進巷道是一個獨頭巷，通風回路不完整，稀釋和排除有害氣體和粉塵依靠局部風機和風筒組成的局部通風系統。隨著掘進巷道長度、巷道斷面積等因素發生變化，掘進巷道局部需風量也發生變化，為滿足工作面需風量，須在局部通風系統中選取合理通風方式及局部風機，而局部風機性能高低決定風機選擇是否合理，若想了解局部風機性能，則須掌握局部風機實際特性曲線。

    目前對風機特性曲線的處理方法主要有最小二乘擬合法與插值函數逼近法。采用正交函數、正反相切拋物線法等方法對風壓曲線、功率曲線及效率曲線進行整體擬合?；�于最小二乘原理對風機特性曲線進行擬合，從相關系數等角度對擬合曲線進行檢驗，說明擬合次數并非越高越好。目前研究大多集中在對局部風機數據的精確性檢驗上或在局部風機整體曲線的處理方式上，對如何處理風機穩定運行狀態下實際特性曲線的研究較少，對選取局部風機型號及預測局部通風達到工作面風量的研究更少，說明本文具有一定創新性。

    鑒于此，本文針對僅了解局部風機風量及風壓范圍這一現狀，提出使用拉格朗日一次線性函數代替局部風機穩定運行區域內實際特性曲線的方法，再結合風阻曲線得到風機工況，并論述了這種方法在局部通風方式中的應用。

1  局部風機特性曲線的近似解法

1.1  特性曲線近似解法處理原則

    在實際應用中，局部風機穩定工作需滿足兩個條件：①工作效率需在60%以上，如圖1中效率曲線IV與風機特性曲線I交點所示以上部分；②風機工作風壓應低于額定風壓的90%，如圖1中風機特性曲線I上的 點。

    在此區域（風機穩定工作區）內，風機特性曲線能夠近似看成一條直線，因此可采用一次函數替代。由于圖1中和點處的坐標值不方便準確給出，因此使用廠家提供的技術參數m和n來代替，同時采用曲線III與直線II交點（h _f，Q _f）代替曲線III與I的交點(，)，接下來在已知風壓的條件下求解風量并判斷風量是否滿足要求。

1.2近似解法精度檢驗

    與處理整段風機曲線不同，本文僅處理風機穩定運行區域內曲線。提出風機特性曲線最佳擬合次數為五次，根據表1中三臺風機原始數據，擬合得到風機1的五次函數（限于篇幅，風機2、3擬合函數不再列舉，且在不影響結果的前提下適當處理方程有效數字）為：

    上述風機均穩定運行，風壓滿足在額定風壓最大值的90%內。根據風機1風量及風壓起始點，計算得到一次插值方程為（風機2、3插值函數不再例舉）：

    已知風量可根據式(2)與式(3)分別算得兩組風壓值，為衡量兩方程算得數據的吻合程度，求出各自結果的判定系數R²，結果如表2。

    由表2可知，一次插值函數與五次擬合函數的判定系數較為接近，且都很接近l（說明擬合效果好）。針對完整風機曲線進行擬合，結果雖更精確，但避免

不了高次曲線容易發生振蕩的現象。這里使用一次函數來代替風機特征曲線，僅針對風機穩定工作區域進行擬合，既簡單快速又較為準確，實用性較高，且避免了高次擬合曲線出現振蕩的缺陷。

1.3  局部通風機工況確定及選型原則

    基于式(1)所述近似原理，對一獨頭掘進巷道中局部風機做實際研究，確定風機工況及給出判斷風機型號是否滿足條件原則。設獨頭掘進巷道長度為L，滿足工作面需風量下的風機風壓為，對應工況點為(，)則

2  既定型號局部風機風量預測方法

2.1  風筒出口風量預測

    由圖1可知當風機穩定工作時，采用一次拉格朗日插值函數代替局部風機特性曲線，同樣與阻力曲線存在

    按照該法可以對既定風機的供風能力進行評估，在現有風機滿足工作面用風需要的條件下，選擇經濟有效的風機，從而節約設備資源。

2.2  局部風機風量預測效果檢驗

    現有某礦局部通風系統，風筒全長為490 m，風簡直徑為800 mm，每節10 m，共48個接頭，風筒有兩處900拐彎，FBDN06/2×15 kW型局部通風機主要技術參數如表3。

者較為接近。因此，該風量預測方法較為可靠，可用來估測風機送達工作面的有效風量，且能夠根據式(6)近似確定風機工況。

3  一次插值在長距離掘進通風中的應用

    在目前的長距離掘進通風中，避免不了粉塵、污風循環等問題（煤礦井下存在瓦斯等危害性氣體），單純增加礦用主通風機能力并不能解決這些問題。因此，鉆孔通風、風庫中轉通風等方式開始用于長距離掘進通風中，如圖2所示，其中兩種通風方式均涉及到局部風機的存在。

而采用一次線性插值代替風機穩定運行區曲線，對于鉆孔通風與風庫中轉通風中技術參數的確定均具有啟發性作用。

3.1  鉆孔位置對通風有效性的影響

    為實現通風有效，即保證底部中轉風機到達工作面的有效風量Q₁能夠滿足工作面的風量需求Q₂，在對鉆孔位置進行調整時，應對各級風量進行估計，至少應保證Q₁=Q₂，（一般為1.2~1.5，這里取1.2）。在鉆孔通風方式中，鉆孔的長度、直徑均為影響送達用風地點有效風量的重要因素，在式(7)的基礎上，可推論出鉆孔通風上級風機有效風量隨鉆孔長度、直徑的變化關系式(8)（上、下級相似，不再贅述）：

    分析式(8)可知，相對于提高風機能力和縮短通風距離，調整鉆孔直徑、長度更能有效的改變鉆孔通風效果，更容易滿足風量需求。

3.2風庫中轉位置確定方法

    對于風庫中轉合理位置的確定，前人提出在總掘進長度的2/5處構筑風庫，將風庫中的中轉風通過局部風機送到工作面，該說法并沒有給出風庫位置選定的嚴格證明過程。為保證利用風庫進行有效通風中轉，上、下級風機工作風量應滿足

為上、下級風機工作風量，取1.2）。在式(7)的基礎上，得出風庫上、下級風機風量與風筒長度關系如式(9)所示（上、下級相似，不再贅述）：

    分析式(9)可知，若已知長距離掘進巷道總長度，為滿足上、下級風機風量通過風庫合理中轉，根據上、下級風量比，能夠得出上、下級風筒的長度，即得出風庫（風機）的合理布置位置。

4  結論    

    1)對于局部風機的選型，利用一次線性插值函數代替局部風機穩定工作區域的特性曲線，在滿足根據需風量計算得到的理論風壓須大于該需風量對應風筒阻力值的基礎上，對插值結果進行檢驗，結果較為精確。

    2)對于既定局部風機的風量預測，經實際驗證，計算得到的理論風量與實測風量相差較小，表明本文的預測方法比較可靠，可以用于已有局部風機的送風效果預測。

    3)本文提出的掘進面局部風機選型及風量預測方法對于礦井局部風機通風動力的選擇具有實際參考價值，特別是長距離掘進通風中的鉆孔通風（直徑、長度）以及風庫中轉通風（上、下級風筒長度），通過調整鉆孔直徑、長度及上、下級風筒長度等參數以達到滿足通風條件下的經濟最優化。