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局部通風(fēng)機(jī)實(shí)際特性的近似處理方法及應(yīng)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(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新123000；2．礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧阜新123000）

摘要：針對目前局部風(fēng)機(jī)特性曲線很難得到或應(yīng)用而導(dǎo)致局部通風(fēng)研究受限問題，提出一種根據(jù)局部風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)壓范圍近似求解風(fēng)機(jī)特性曲線的方法。該方法采用一次線性插值函數(shù)代替風(fēng)機(jī)特性曲線函數(shù)，結(jié)合風(fēng)阻特性曲線得到風(fēng)機(jī)工況�；�于該方法可進(jìn)行局部風(fēng)機(jī)選型或預(yù)測既定型號風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)及風(fēng)筒出口風(fēng)量，同時(shí)可確定長距離掘進(jìn)通風(fēng)中鉆孔通風(fēng)有效風(fēng)量與鉆孔長度、直徑的關(guān)系，也可確定風(fēng)庫中轉(zhuǎn)位置與風(fēng)筒長度的關(guān)系。應(yīng)用分析結(jié)果表明：

用一次函數(shù)代替穩(wěn)定區(qū)域風(fēng)機(jī)特性曲線函數(shù)不僅簡單方便，結(jié)果較精確，且方法可靠、實(shí)用性高。

關(guān)鍵詞：局部通風(fēng)；特性曲線；風(fēng)量預(yù)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(jìn)巷道是一個(gè)獨(dú)頭巷，通風(fēng)回路不完整，稀釋和排除有害氣體和粉塵依靠局部風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒組成的局部通風(fēng)系統(tǒng)。隨著掘進(jìn)巷道長度、巷道斷面積等因素發(fā)生變化，掘進(jìn)巷道局部需風(fēng)量也發(fā)生變化，為滿足工作面需風(fēng)量，須在局部通風(fēng)系統(tǒng)中選取合理通風(fēng)方式及局部風(fēng)機(jī)，而局部風(fēng)機(jī)性能高低決定風(fēng)機(jī)選擇是否合理，若想了解局部風(fēng)機(jī)性能，則須掌握局部風(fēng)機(jī)實(shí)際特性曲線。

    目前對風(fēng)機(jī)特性曲線的處理方法主要有最小二乘擬合法與插值函數(shù)逼近法。采用正交函數(shù)、正反相切拋物線法等方法對風(fēng)壓曲線、功率曲線及效率曲線進(jìn)行整體擬合�；�于最小二乘原理對風(fēng)機(jī)特性曲線進(jìn)行擬合，從相關(guān)系數(shù)等角度對擬合曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，說明擬合次數(shù)并非越高越好。目前研究大多集中在對局部風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)的精確性檢驗(yàn)上或在局部風(fēng)機(jī)整體曲線的處理方式上，對如何處理風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)際特性曲線的研究較少，對選取局部風(fēng)機(jī)型號及預(yù)測局部通風(fēng)達(dá)到工作面風(fēng)量的研究更少，說明本文具有一定創(chuàng)新性。

    鑒于此，本文針對僅了解局部風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)壓范圍這一現(xiàn)狀，提出使用拉格朗日一次線性函數(shù)代替局部風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)實(shí)際特性曲線的方法，再結(jié)合風(fēng)阻曲線得到風(fēng)機(jī)工況，并論述了這種方法在局部通風(fēng)方式中的應(yīng)用。

1  局部風(fēng)機(jī)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(shí)際應(yīng)用中，局部風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作需滿足兩個(gè)條件：①工作效率需在60%以上，如圖1中效率曲線IV與風(fēng)機(jī)特性曲線I交點(diǎn)所示以上部分；②風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓應(yīng)低于額定風(fēng)壓的90%，如圖1中風(fēng)機(jī)特性曲線I上的 點(diǎn)。

    在此區(qū)域（風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)）內(nèi)，風(fēng)機(jī)特性曲線能夠近似看成一條直線，因此可采用一次函數(shù)替代。由于圖1中和點(diǎn)處的坐標(biāo)值不方便準(zhǔn)確給出，因此使用廠家提供的技術(shù)參數(shù)m和n來代替，同時(shí)采用曲線III與直線II交點(diǎn)（h _f，Q _f）代替曲線III與I的交點(diǎn)(，)，接下來在已知風(fēng)壓的條件下求解風(fēng)量并判斷風(fēng)量是否滿足要求。

1.2近似解法精度檢驗(yàn)

    與處理整段風(fēng)機(jī)曲線不同，本文僅處理風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)曲線。提出風(fēng)機(jī)特性曲線最佳擬合次數(shù)為五次，根據(jù)表1中三臺風(fēng)機(jī)原始數(shù)據(jù)，擬合得到風(fēng)機(jī)1的五次函數(shù)（限于篇幅，風(fēng)機(jī)2、3擬合函數(shù)不再列舉，且在不影響結(jié)果的前提下適當(dāng)處理方程有效數(shù)字）為：

    上述風(fēng)機(jī)均穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)壓滿足在額定風(fēng)壓最大值的90%內(nèi)。根據(jù)風(fēng)機(jī)1風(fēng)量及風(fēng)壓起始點(diǎn)，計(jì)算得到一次插值方程為（風(fēng)機(jī)2、3插值函數(shù)不再例舉）：

    已知風(fēng)量可根據(jù)式(2)與式(3)分別算得兩組風(fēng)壓值，為衡量兩方程算得數(shù)據(jù)的吻合程度，求出各自結(jié)果的判定系數(shù)R²，結(jié)果如表2。

    由表2可知，一次插值函數(shù)與五次擬合函數(shù)的判定系數(shù)較為接近，且都很接近l（說明擬合效果好）。針對完整風(fēng)機(jī)曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果雖更精確，但避免

不了高次曲線容易發(fā)生振蕩的現(xiàn)象。這里使用一次函數(shù)來代替風(fēng)機(jī)特征曲線，僅針對風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)域進(jìn)行擬合，既簡單快速又較為準(zhǔn)確，實(shí)用性較高，且避免了高次擬合曲線出現(xiàn)振蕩的缺陷。

1.3  局部通風(fēng)機(jī)工況確定及選型原則

    基于式(1)所述近似原理，對一獨(dú)頭掘進(jìn)巷道中局部風(fēng)機(jī)做實(shí)際研究，確定風(fēng)機(jī)工況及給出判斷風(fēng)機(jī)型號是否滿足條件原則。設(shè)獨(dú)頭掘進(jìn)巷道長度為L，滿足工作面需風(fēng)量下的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為，對應(yīng)工況點(diǎn)為(，)則

2  既定型號局部風(fēng)機(jī)風(fēng)量預(yù)測方法

2.1  風(fēng)筒出口風(fēng)量預(yù)測

    由圖1可知當(dāng)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，采用一次拉格朗日插值函數(shù)代替局部風(fēng)機(jī)特性曲線，同樣與阻力曲線存在

    按照該法可以對既定風(fēng)機(jī)的供風(fēng)能力進(jìn)行評估，在現(xiàn)有風(fēng)機(jī)滿足工作面用風(fēng)需要的條件下，選擇經(jīng)濟(jì)有效的風(fēng)機(jī)，從而節(jié)約設(shè)備資源。

2.2  局部風(fēng)機(jī)風(fēng)量預(yù)測效果檢驗(yàn)

    現(xiàn)有某礦局部通風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)筒全長為490 m，風(fēng)簡直徑為800 mm，每節(jié)10 m，共48個(gè)接頭，風(fēng)筒有兩處900拐彎，FBDN06/2×15 kW型局部通風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表3。

者較為接近。因此，該風(fēng)量預(yù)測方法較為可靠，可用來估測風(fēng)機(jī)送達(dá)工作面的有效風(fēng)量，且能夠根據(jù)式(6)近似確定風(fēng)機(jī)工況。

3  一次插值在長距離掘進(jìn)通風(fēng)中的應(yīng)用

    在目前的長距離掘進(jìn)通風(fēng)中，避免不了粉塵、污風(fēng)循環(huán)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(fēng)機(jī)能力并不能解決這些問題。因此，鉆孔通風(fēng)、風(fēng)庫中轉(zhuǎn)通風(fēng)等方式開始用于長距離掘進(jìn)通風(fēng)中，如圖2所示，其中兩種通風(fēng)方式均涉及到局部風(fēng)機(jī)的存在。

而采用一次線性插值代替風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)曲線，對于鉆孔通風(fēng)與風(fēng)庫中轉(zhuǎn)通風(fēng)中技術(shù)參數(shù)的確定均具有啟發(fā)性作用。

3.1  鉆孔位置對通風(fēng)有效性的影響

    為實(shí)現(xiàn)通風(fēng)有效，即保證底部中轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)到達(dá)工作面的有效風(fēng)量Q₁能夠滿足工作面的風(fēng)量需求Q₂，在對鉆孔位置進(jìn)行調(diào)整時(shí)，應(yīng)對各級風(fēng)量進(jìn)行估計(jì)，至少應(yīng)保證Q₁=Q₂，（一般為1.2~1.5，這里取1.2）。在鉆孔通風(fēng)方式中，鉆孔的長度、直徑均為影響送達(dá)用風(fēng)地點(diǎn)有效風(fēng)量的重要因素，在式(7)的基礎(chǔ)上，可推論出鉆孔通風(fēng)上級風(fēng)機(jī)有效風(fēng)量隨鉆孔長度、直徑的變化關(guān)系式(8)（上、下級相似，不再贅述）：

    分析式(8)可知，相對于提高風(fēng)機(jī)能力和縮短通風(fēng)距離，調(diào)整鉆孔直徑、長度更能有效的改變鉆孔通風(fēng)效果，更容易滿足風(fēng)量需求。

3.2風(fēng)庫中轉(zhuǎn)位置確定方法

    對于風(fēng)庫中轉(zhuǎn)合理位置的確定，前人提出在總掘進(jìn)長度的2/5處構(gòu)筑風(fēng)庫，將風(fēng)庫中的中轉(zhuǎn)風(fēng)通過局部風(fēng)機(jī)送到工作面，該說法并沒有給出風(fēng)庫位置選定的嚴(yán)格證明過程。為保證利用風(fēng)庫進(jìn)行有效通風(fēng)中轉(zhuǎn)，上、下級風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量應(yīng)滿足

為上、下級風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量，取1.2）。在式(7)的基礎(chǔ)上，得出風(fēng)庫上、下級風(fēng)機(jī)風(fēng)量與風(fēng)筒長度關(guān)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(jìn)巷道總長度，為滿足上、下級風(fēng)機(jī)風(fēng)量通過風(fēng)庫合理中轉(zhuǎn)，根據(jù)上、下級風(fēng)量比，能夠得出上、下級風(fēng)筒的長度，即得出風(fēng)庫（風(fēng)機(jī)）的合理布置位置。

4  結(jié)論    

    1)對于局部風(fēng)機(jī)的選型，利用一次線性插值函數(shù)代替局部風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)域的特性曲線，在滿足根據(jù)需風(fēng)量計(jì)算得到的理論風(fēng)壓須大于該需風(fēng)量對應(yīng)風(fēng)筒阻力值的基礎(chǔ)上，對插值結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果較為精確。

    2)對于既定局部風(fēng)機(jī)的風(fēng)量預(yù)測，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，計(jì)算得到的理論風(fēng)量與實(shí)測風(fēng)量相差較小，表明本文的預(yù)測方法比較可靠，可以用于已有局部風(fēng)機(jī)的送風(fēng)效果預(yù)測。

    3)本文提出的掘進(jìn)面局部風(fēng)機(jī)選型及風(fēng)量預(yù)測方法對于礦井局部風(fēng)機(jī)通風(fēng)動力的選擇具有實(shí)際參考價(jià)值，特別是長距離掘進(jìn)通風(fēng)中的鉆孔通風(fēng)（直徑、長度）以及風(fēng)庫中轉(zhuǎn)通風(fēng)（上、下級風(fēng)筒長度），通過調(diào)整鉆孔直徑、長度及上、下級風(fēng)筒長度等參數(shù)以達(dá)到滿足通風(fēng)條件下的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。