循環風流

礦井循環風分為外部循環風和內部循環風2種。深井通風循環風主要為內部循環風，內部循環風的本質是通風系統中存在2 種漏風風流。在我國煤礦瓦斯爆炸事故總次數中,巷道掘進時發生爆炸的次數高達70%以上,其發生的原因多與通風管理不善,存在大量循環風和漏風等因素有關。

基本介紹

• 中文名：循環風流
• 外文名：Circulation wind
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 類型：外部循環風和內部循環風
• 問題：漏風風流

簡介

隨著礦井開採強度的增加，通風網路變得越來越複雜，工作面逐漸遠離主扇，導致風流路線增長，遠離主扇的工作面風量嚴重不足。將風機安裝至井下，伴隨著局部循環風的出現，通風系統出現循環風將嚴重影響風機對深部通風的控制能力，深井開採通風技術中循環風流是困擾複雜礦井開採的主要問題。

一般情況下，礦井通風系統中存在著許多廢棄的通風巷道和採空區等。這些風道中，一部分巷道的存在會導致循環風流的產生，造成系統漏風，屬於漏風通道，是有害的；另一部分巷道的存在則不會形成循環風流，可以降低通風系統的阻力，減少風機通風功耗，是有利的。通過分析漏風的本質，套用自主開發的通風網路最佳化分析軟體———VentNetLab 來甄別這 2 種巷道，利用有利通道控制不利通道，減少通風系統內部漏風，改善深部通風效果。

循環風的本質

礦井循環風分為外部循環風和內部循環風2種。深井通風循環風主要為內部循環風，內部循環風的本質是通風系統中存在2 種漏風風流。一種是當風機安裝在地表時，空氣自地表進入礦井後，未流經作業面，從進風部分直接漏入迴風部分的循環風流；另一種則是當風機安裝在井下時，迴風道的部分風流未流出地表，從某些漏風通道混入進風通道而形成的循環風流。作業面有效風量也為5.13 m3/s。

如果定義單個循環迴路中風量最小的風路風量為循環風量，則通風網路中各循環迴路的循環風量總和即為該網路內部漏風量。一個循環迴路的循環風量越大，說明它造成的漏風就越大，在處理漏風時就越應該優先得到處理。

內部循環風量化評價

通風最佳化的目標是用最小的通風動力消耗將一定的新鮮風流送到指定的作業地點，滿足生產需求。由於通風系統中漏風的存在會消耗額外的風機功率，漏風越嚴重，額外動力消耗就越大。

為剔除循環風量後需風點實際獲得的新鮮風流量，由於套用國際單位制進行計算時調節效率數值較小，這裡暫不考慮風機效率。

通過計算可以發現此時網路中會出現3 個循環風流，礦井工作面新鮮風量只有5.13 m3/s，而通風功耗為45.94 kW，此時調節效率為6.7 m3（/ min·kW）。

在同一個通風網路下，不同的通風調節方案，其調節效率是不同的。循環風量越大即礦井漏風量越大時，調節效率越低。一個通風網路，在需風點位置和風量一定的條件下，當循環風量為0 時，理論上調節效率最大。但由於生產條件的限制，通風網路調節方案只可能接近最大調節效率而無法真正達到最大。一個礦山通風網路的最大調節效率可用於評價一個礦山通風調節的難易程度，而其實際達到的調節效率則反映了該礦的漏風嚴重程度。

內部循環風的控制

內部漏風的實質是通風系統中存在循環迴路。實現內部漏風的控制就要控制通風系統中存在的循環迴路。因此，首先要確定系統中存在的循環迴路，並明確循環迴路的位置。

1 循環迴路的查找

實際生產中的礦井通風網路是極其複雜的，是一種非線性的複雜系統。目前，理論上並沒有通用的方法來確定循環迴路的存在與否，更無法明確循環迴路存在時其所在具體位置。但對於具體的通風網路，可以通過數字試驗的方法來確定其循環迴路的實際情況，基於此開發了一款通風網路分析軟體———VentNetLab，稱之為通風網路實驗室。其運行的基本思路是，先進行通風網路解算，確定各分支的風流方向，再對網路進行深度搜尋以確定循環迴路位置。

2 內部循環風的控制措施

井下循環風的實質為通風系統的內部漏風，控制循環風即需要控制內部漏風通道。因此，必須對內部漏風通道加以控制，使得漏風通道風量為零，具體措施包括密閉漏風通道、減少漏風通道兩端風壓差。

（1）密閉漏風通道。

一般情況下，礦山生產中的許多穿脈、天井及廢棄的作業面都是需要密閉的。

然而，在某些情況下，這些通道作為進風道，使風流能夠流經這些風道到達作業面，縮短了風流路線長度，減少礦井總風阻。在一定情況下，保留這些通道是有必要的。如果這些巷道是作為某個循環風流的分支，形成了循環風時，則這些巷道屬於漏風通道，造成了系統的內部漏風。因此，必須對其進行密閉處理，即封閉該巷道，簡化通風網路，則該循環風流的單向迴路被破壞，循環風流因此不存在了。

（2）改變壓力關係。

由前面的分析可知，機站位置和風機特性的改變能大大改變通風網路的調節特性，究其原因，其實就是改變了井下存在的各漏風通道兩端之間的壓差。在複雜通風網路中，需風點固定後，通過模擬試驗控風點位置布置及其風量大小的分配，即通過不斷改變風機位置和特性，改變壓力關係，可以減少漏風通道兩端風壓差，從而減少系統內部循環風流。

某有色金屬礦礦井通風內部漏風問題研究

1 通風存在的問題

某有色金屬礦井下需要通風的中段主要有+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 個，井筒最大深度近900 m，較長中段的巷道走向長度近2 000 m，同時作業的採掘作業面約120 個，該礦通風網路複雜程度可謂“世界之最”。

該礦由安裝在地表的3 台主扇進行抽出式通風，每個主扇都控制其對應的中段。3 個迴風井風量相當，分別為197.03，198.42，212.8 m3/s，平均每箇中段需風量為27.64 m3/s。3 台主扇通風總功耗達1 755 kW，通風系統內部漏風率高達30%，導致深部通風效果並不理想，-680 m、-710 m、-750 m中段風量僅分別為0.66，4.06，2.18 m3/s，風量根本無法達到礦山安全生產標準。

為解決深部工作面供風量不足的問題，保證-680、-710、-750 m 中段供風量符合安全生產標準，採用增加3 台主扇風量和風壓的方法，使得3個迴風井的迴風量均為400 m3/s，暫且不考慮迴風井風速超標的問題，礦井通風壓力將大幅增加，3 台主扇通風總功耗高達7 442 kW。然而，深部中段風量增加甚微，-680、-710、-750 m 中段風量仍然僅為2.54，7.86，4.88 m3/s。

2 解決問題的方法

單純依靠增加3 台主扇風量和風壓的方法無法解決深部供風不足的問題，因此，必須採用井下安裝風機的方法。井下安裝風機往往是根據用風地點需風量由里向外進行風量分配。因此，需要在系統中確認哪些巷道是用風點，並通過需風點計算原則，計算其需風量。由於生產需要，井下風機基本安裝在進、迴風井石門處。需要計算各風機安裝位置處的需風量，然後固定風機風量，完成在這些需風點環境下整個礦井的風量分配。

風機安裝在需風點後，由於安裝位置以及風量的分配不合理，導致網路里出現循環迴路數較多。相較簡單通風網路，複雜通風網路由於其風道多且網路拓撲關係複雜等原因，只能藉助於通風仿真軟體對循環迴路所在位置以及產生原因進行分析。

某有色金屬礦目前深部開採工作面主要分布在-500，-550，-600，-650 m 中段，獅嶺南采場分布在-400 和-450 m，淺部位分別是-280，-320，-360 m，東區采場主要分布在淺部-240，-280，-320 m，南盤區采場主要分布在-360 和-400 m 等中段。根據礦山開採現狀以及需風量計算原則進行計算，初步設定需風點17 個，各中段需風量確定後，套用VentNetLab 通風模擬軟體設定需風點，基本設定在各箇中段總迴風道處，控制各箇中段的風量。

需風點設定完成後，套用VentNetLab 通風模擬軟體進行數位化模擬，使用軟體的風量計算、查找循環迴路以及統計等功能，並套用軟體的查找功能對循環迴路進行查找。

在需風點設定環境下，總需風量為590 m3/s，風機總功耗為1 535.33 kW，然後各需風點總有效風量卻只有36.94 m3/s，系統中存在的循環迴路數總計多達564 個。

大部分風流在井下形成循環風，內部漏風極其嚴重，漏風風流未能從地表排出，導致井下有效風量大大減少。

3 解決方案

對天井進行密閉處

理，套用VentNetLab 通風模擬軟體進行查找，該循環迴路消除了。將系統中存在的循環迴路查找出來，對相應巷道進行密閉處理，總計密閉30 處，含上部閉坑中段的石門、迴風巷，以及部分主巷、天包井等，使得各需風點總有效風量達到78.9 m3/s。

將風機安裝在井下，改變其壓力關係，是為了增強風機控制力，本身對系統的調控是有利的。井下風機可以採用自動監控實現無人值守，災變情況下井下風機未癱瘓前可以提供系統控制力，即使癱瘓也不會給系統控制帶來危害。

由於礦井通風系統是一個複雜多變的系統，並非簡單的數學模型，因此，難以完全控制系統內部漏風，只能通過不斷模擬最佳化，使得內部漏風風量減少，保證調節效率儘可能達到最大。

總結

通過分析井下通風系統漏風原因，進行通風網路最佳化實踐，可以得出如下結論。

（1）從本質上對循環風進行解釋，提供了尋找循環風流線路的具體方法；

（2）有效風量與通風動力消耗量之比即調節效率可用於評價通風系統的漏風嚴重程度，礦山最大調節效率可用於評價其通風調節難易程度；

（3）對於深井通風，不管是單純將風機安裝在地表還是井下，都無法實現有效通風，只有地表和井下聯合安裝風機即多級機站通風才能實現有效通風。