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[摘 要]对矿井通风系统优化的具体问题，如矿井通风系统阻力研究、矿井通风网络优化调节研究、矿井通风系统安全可靠性优化、矿井通风系统主通风机工况优化研究、矿井通风系统测量平差优化等进行阐述，并指出具体技术措施。
[关键词]矿井；通风系统；优化；改造
中图分类号：R652 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）29-0034-02
0 引言
矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，它服务于生产系统，同时又制约着生产系统。矿井通风系统的优劣好坏，直接影响着矿井的安全生产、灾害防治和经济效益。在实际生产中，往往由于矿井通风系统的不合理，影响了矿井的正常生产和矿井的抗灾能力，导致矿井经济效益的严重滑坡。为确保矿井安全生产、稳产和高产，提高矿井的抗灾能力，最终提高矿井的经济效益，通风系统必须保持最佳运行状态。因此，建立完善、合理的矿井通风系统是矿井安全生产和提高效益的基本保证。而实行矿井通风系统优化改造正是为这一目的而进行的，它是通风管理工作和矿井设计过程中的一项主要任务和内容。
1 矿井通风系统优化的重要意义
建立完善的矿井通风系统是矿井安全生产的基本保证，生产矿井由于生产布局的变化、自然条件的影响及生产能力的提高，必須进行矿井通风系统的改造。
2 矿井通风系统的优化问题
矿井通风系统的优化问题归纳起来主要包括如下几类：矿井通风系统阻力研究、矿井通风网络优化调节研究、矿井通风系统安全可靠性优化、矿井通风系统主通风机工况优化研究矿井通风系统测量平差优化。
2.1 矿井通风系统阻力优化
降低矿井通风阻力技术措施的研究对于矿井通风系统优化有着至关重要的作用，无论是矿井通风优化设计还是矿井通风技术管理工作，都要尽力降低矿井通风阻力，这项工作的好坏直接关系到矿井的安全生产和经济效益。矿井通风阻力的影响因素较多，归纳起来主要有四个方面。
2.1.1 风量对阻力的影响
（1）根据通风阻力定律可知：通风阻力与风量的平方成正比。当矿井总风阻不变，矿井总风量增加时，通风总阻力按风量的平方的倍数增加；同理，各个分支风量增加时，分支的阻力也相应地随风量的增加按风量平方的倍数增加。
（2）各个分支通过的风量（包括用风地点需风量）越接近自然分风风量，矿井通风阻力越小，各个分支的阻力就越接近平衡。
2.1.2 分支风阻对通风阻力的影响
巷道风阻取决于巷道的长度、断面积、周长、支护形式等参数，它们之间的关系为：
即：风流通过某段井巷所消耗的能量与该井巷风阻成正比。因此井巷风阻越大，风流通过的通风阻力越大。矿井总阻力不仅取决于各分支阻力，更取决于网络结构，应按串联、并联、复杂网路特性解算求得。
2.1.3 网络结构对阻力的影响
矿井通风系统的网络机构不同，即使分支数的风阻、风量相同，系统的总风阻和总阻力也不相同。故在井巷数和参数已确定的情况下，应合理选取風流线路，避免或减少串联，尽量采用并联网络，坚持“早分晚合”的原则（即在总进风附近就分开风路，一直到总回风附近才让风流汇合），力争不进行或少进行增风调风，使矿井总阻力最小。
2.1.4 降低矿井通风阻力的措施
（1）并联通风根据并联风路阻力比串联网路阻力小得多的原理（风量相同），可以通过计算机通风系统模拟或实际通风阻力测定的方法，找出通风系统网络的高阻力区段，采取新掘巷道或者启封旧巷道的方法，实现并联通风，降低通风系统总阻力。
（2）开掘新井巷，缩短通风线路长度。随着生产向边远采区或深水平的发展，或者井田过大，通风线路不断加长，而瓦斯涌出量的增加，将导致需风量和通风阻力的增加。当通风系统无法满足供风要求或利用现有的通风系统不经济时，可以考虑在边远采区或者新水平增掘新风井，以缩短风路，保证经济有效的供风。
（3）改变通风网路，合理调配风机负担。对于生产矿井，当通风系统与生产能力不匹配时，应该合理调整生产布局，改变通风网路，合理调配风机负担、尽量发挥现有风机、巷道的潜力、增设或减少风机（在必要和可能的条件下）等。
（4）适时增减风机，改善矿井通风。
（5）扩大巷道断面，减小局部阻力。矿井通风系统阻力往往比较集中在几个高阻力区段，找出高阻力区段，适当扩大高阻力区段巷道断面面积，往往能够收到比较理想的降阻效果此外，尽量使井巷壁面光滑、巷道平直、避免巷道断面突然扩大或缩小，也能起到减小摩擦阻力和局部阻力的作用。
2.2 矿井通风网络优化调节
矿井通风网络是实际矿井通风系统的数学表达，是矿井风流路线及其有关参数的组合，是一个关联程度很高的复杂系统，其中一条分支的风量可能通过在多条分支中安设调节设施而改变。因此，满足通风需求的调节方案多种多样。如何确定一种既能满足通风需求和生产条件的限制、符合有关规程规定，又能使矿井通风所需费用最小的调节方案，是长期以来研究的热点和难点问题之一。
（1）控制型分风网络。各分支的风阻已知，因一组余树分支的风量已给定，所以其它分支的风量也随之确定，所要确定的是风机所需的最小风压和如何调节才能使整个网络的风压损失平衡，以满足各分支风量的要求。
（2）自然型分风网络。网络的风量是根据各分支风阻大小自行分配而不加任何调节控制设施。
（3）一般型分风网络。网络中部分风量已知，部分风量待求，调节分支和调节量都待求的风量调节，是最一般的网络优化调节。其部分分支风量要按生产需要进行分配而不是听其自然，即存在合理安设调节风窗和风机的问题。
2.3 矿井通风系统安全可靠性优化
目前，矿井通风系统的可靠性研究面临着以下几个问题：①风流分支与通风网络的可靠性概念；②风流分支、通风网络及通风构筑物的可靠性指标计算；③如何利用可靠性参数设计出具有较高可靠性的系统；④生产矿井如何利用可靠性理论来制定出合理的管理、使用与维护措施，保证系统正常工作，提高其可靠性。 已有的研究工作仅局限于前两个问题，即如何计算风流分支的可靠度和网络的可靠性，而且不成熟。矿井通风网络中分支的可靠性与一般网络（如电力网络）中元件的可靠性有本质区别，这正是矿井通风系统可靠性研究的困难之处；对风流稳定性的研究，进展也不大，已有研究工作也局限于某些典型网络。
2.4 矿井通风系统主通风机工况优化
主通风机经过一段时间的运转，由于磨损、腐蚀等各个方面的原因其整体性能会有所下降，有时甚至可能不能正常工作。其次，随着采掘面的结束或矿井的收缩，主通风机能力过大浪费电能，必须及时调整主通风机的工况点。
所谓主通风机工况点优化调节，通常是指主要通风机的能力调节，包括降低主通风机能力和增加主通风机能力。其中降低主通风机能力的措施如下：
（1）利用一前导器调风。一般都在风机进风口处安设有前导器，通过改变前导器的开闭使进入风机的气流方向发生变化，可使风机的性能曲线发生改变；而且利用前导器调节法比放下闸门调节法更节省电能，因此应尽量利用前导器进行调节，而尽量不用放下闸门法进行调节。前导器调节风量的范围比较小，只适合于调节幅度不大的条件下使用；另外关闭一前导器叶片，也要消耗一部分电能。
（2）降低风机转速。由比例定律可知：对于同一台风机，当工作阻力不变时，风量与转速的一次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。因此，在需要减少风量时，可以通过降低风机转速的方法达到减小风量和降低功率而节电的目的。降低风机转速调节法是减风节电最理想的调节方法，该方法既适合于离心式风机，也适合于轴流式风机。降低风机转速的具体措施有：更换电机、采用双速电机、采用液力偶合器调速、采用可控硅串级调速、采用齿轮减速器调速、改变传动比调速。
（3）减小叶片安装角。轴流式风机的能力，随叶片安装角的增减而增减，其耗电量也随叶片安装角的增减而增减，因此当风机能力过大时，可以通过减小叶片安装角的方法，以达到减风节电的目的。
（4）拆除一段动轮。使用两级轴流式风机的矿井，当风机能力过大时，可采用将两段改为一段动轮的方法调节，可以大大节省电耗；但是改为一段运行前，需要做平衡测定，以保持风机的动平衡，否则可能会减少风机的寿命，甚至引起大的轴破坏，造成毁机事故。
（5）拆除部分动叶。对于轴流式风机，可以通过拆除部分动叶的方法来达到减风节电的目的。因为叶片减少，叶栅稠度降低，因而风量减少，风压下降，耗电量也减少。
（6）换用小能力风机。当风机能力过大时，也可以换用小能力风机来达到减风节电的目的。增加主通风机能力的措施有：增大轴流式风机的叶片安装角，增加风机的转速，更换叶片，及时维修主通风机；提高运行效率；改造扩散器，回收部分动压，转化为风机静压，更换新型高效风机或机芯。
2.5 矿井通风系统的测量平差优化
测量平差是测绘科学中的术语。矿井通风测量平差是矿井通风系统分析中的新概念。建立礦井通风测量平差优化理论是实现矿井通风系统优化管理和自动控制的需要。随着计算机的推广应用，矿井通风网络优化研究的日趋深入，同时根据生产的需要，无论是定性的系统分析，还是定量的系统研究，都必然由自然分风的研究转向按需分风的研究，由参数求解转向系统优化与控制。矿井通风系统优化与控制决策的前提是必须知道系统的一部分参数，特别是各风流分支的风阻（即巷道的摩擦阻力系数，断面形状、周长、面积和巷道长度等）。这是建立矿井通风测量平差理论的客观依据。
3 展望
综上所述，为全面提高矿井通风系统优化、控制和环境灾变预测的科学性及手段的先进性，有必要在已有研究的基础上，对矿井通风系统优化控制决策技术的规律性进行更全面、深入的研究，探索更具有普遍意义的矿井通风系统优化控制的综合技术，并建立相应的计算机辅助决策支持系统。
参考文献
[1] 曲宗波，王春耀.矿井通风系统优化[J].煤矿现代化.2006（S1）.
[2] 林晓飞，曹庆贵，刘业娇.矿井通风系统优化调节研究[J].安全与环境学报.2006（S1）.
[3] 周圖文，曹松林.矿井通风系统优化及控制[J].煤矿现代化.2007（04）.
[关键词]矿井；通风系统；优化；改造
中图分类号：R652 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）29-0034-02
0 引言
矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，它服务于生产系统，同时又制约着生产系统。矿井通风系统的优劣好坏，直接影响着矿井的安全生产、灾害防治和经济效益。在实际生产中，往往由于矿井通风系统的不合理，影响了矿井的正常生产和矿井的抗灾能力，导致矿井经济效益的严重滑坡。为确保矿井安全生产、稳产和高产，提高矿井的抗灾能力，最终提高矿井的经济效益，通风系统必须保持最佳运行状态。因此，建立完善、合理的矿井通风系统是矿井安全生产和提高效益的基本保证。而实行矿井通风系统优化改造正是为这一目的而进行的，它是通风管理工作和矿井设计过程中的一项主要任务和内容。
1 矿井通风系统优化的重要意义
建立完善的矿井通风系统是矿井安全生产的基本保证，生产矿井由于生产布局的变化、自然条件的影响及生产能力的提高，必須进行矿井通风系统的改造。
2 矿井通风系统的优化问题
矿井通风系统的优化问题归纳起来主要包括如下几类：矿井通风系统阻力研究、矿井通风网络优化调节研究、矿井通风系统安全可靠性优化、矿井通风系统主通风机工况优化研究矿井通风系统测量平差优化。
2.1 矿井通风系统阻力优化
降低矿井通风阻力技术措施的研究对于矿井通风系统优化有着至关重要的作用，无论是矿井通风优化设计还是矿井通风技术管理工作，都要尽力降低矿井通风阻力，这项工作的好坏直接关系到矿井的安全生产和经济效益。矿井通风阻力的影响因素较多，归纳起来主要有四个方面。
2.1.1 风量对阻力的影响
（1）根据通风阻力定律可知：通风阻力与风量的平方成正比。当矿井总风阻不变，矿井总风量增加时，通风总阻力按风量的平方的倍数增加；同理，各个分支风量增加时，分支的阻力也相应地随风量的增加按风量平方的倍数增加。
（2）各个分支通过的风量（包括用风地点需风量）越接近自然分风风量，矿井通风阻力越小，各个分支的阻力就越接近平衡。
2.1.2 分支风阻对通风阻力的影响
巷道风阻取决于巷道的长度、断面积、周长、支护形式等参数，它们之间的关系为：
即：风流通过某段井巷所消耗的能量与该井巷风阻成正比。因此井巷风阻越大，风流通过的通风阻力越大。矿井总阻力不仅取决于各分支阻力，更取决于网络结构，应按串联、并联、复杂网路特性解算求得。
2.1.3 网络结构对阻力的影响
矿井通风系统的网络机构不同，即使分支数的风阻、风量相同，系统的总风阻和总阻力也不相同。故在井巷数和参数已确定的情况下，应合理选取風流线路，避免或减少串联，尽量采用并联网络，坚持“早分晚合”的原则（即在总进风附近就分开风路，一直到总回风附近才让风流汇合），力争不进行或少进行增风调风，使矿井总阻力最小。
2.1.4 降低矿井通风阻力的措施
（1）并联通风根据并联风路阻力比串联网路阻力小得多的原理（风量相同），可以通过计算机通风系统模拟或实际通风阻力测定的方法，找出通风系统网络的高阻力区段，采取新掘巷道或者启封旧巷道的方法，实现并联通风，降低通风系统总阻力。
（2）开掘新井巷，缩短通风线路长度。随着生产向边远采区或深水平的发展，或者井田过大，通风线路不断加长，而瓦斯涌出量的增加，将导致需风量和通风阻力的增加。当通风系统无法满足供风要求或利用现有的通风系统不经济时，可以考虑在边远采区或者新水平增掘新风井，以缩短风路，保证经济有效的供风。
（3）改变通风网路，合理调配风机负担。对于生产矿井，当通风系统与生产能力不匹配时，应该合理调整生产布局，改变通风网路，合理调配风机负担、尽量发挥现有风机、巷道的潜力、增设或减少风机（在必要和可能的条件下）等。
（4）适时增减风机，改善矿井通风。
（5）扩大巷道断面，减小局部阻力。矿井通风系统阻力往往比较集中在几个高阻力区段，找出高阻力区段，适当扩大高阻力区段巷道断面面积，往往能够收到比较理想的降阻效果此外，尽量使井巷壁面光滑、巷道平直、避免巷道断面突然扩大或缩小，也能起到减小摩擦阻力和局部阻力的作用。
2.2 矿井通风网络优化调节
矿井通风网络是实际矿井通风系统的数学表达，是矿井风流路线及其有关参数的组合，是一个关联程度很高的复杂系统，其中一条分支的风量可能通过在多条分支中安设调节设施而改变。因此，满足通风需求的调节方案多种多样。如何确定一种既能满足通风需求和生产条件的限制、符合有关规程规定，又能使矿井通风所需费用最小的调节方案，是长期以来研究的热点和难点问题之一。
（1）控制型分风网络。各分支的风阻已知，因一组余树分支的风量已给定，所以其它分支的风量也随之确定，所要确定的是风机所需的最小风压和如何调节才能使整个网络的风压损失平衡，以满足各分支风量的要求。
（2）自然型分风网络。网络的风量是根据各分支风阻大小自行分配而不加任何调节控制设施。
（3）一般型分风网络。网络中部分风量已知，部分风量待求，调节分支和调节量都待求的风量调节，是最一般的网络优化调节。其部分分支风量要按生产需要进行分配而不是听其自然，即存在合理安设调节风窗和风机的问题。
2.3 矿井通风系统安全可靠性优化
目前，矿井通风系统的可靠性研究面临着以下几个问题：①风流分支与通风网络的可靠性概念；②风流分支、通风网络及通风构筑物的可靠性指标计算；③如何利用可靠性参数设计出具有较高可靠性的系统；④生产矿井如何利用可靠性理论来制定出合理的管理、使用与维护措施，保证系统正常工作，提高其可靠性。 已有的研究工作仅局限于前两个问题，即如何计算风流分支的可靠度和网络的可靠性，而且不成熟。矿井通风网络中分支的可靠性与一般网络（如电力网络）中元件的可靠性有本质区别，这正是矿井通风系统可靠性研究的困难之处；对风流稳定性的研究，进展也不大，已有研究工作也局限于某些典型网络。
2.4 矿井通风系统主通风机工况优化
主通风机经过一段时间的运转，由于磨损、腐蚀等各个方面的原因其整体性能会有所下降，有时甚至可能不能正常工作。其次，随着采掘面的结束或矿井的收缩，主通风机能力过大浪费电能，必须及时调整主通风机的工况点。
所谓主通风机工况点优化调节，通常是指主要通风机的能力调节，包括降低主通风机能力和增加主通风机能力。其中降低主通风机能力的措施如下：
（1）利用一前导器调风。一般都在风机进风口处安设有前导器，通过改变前导器的开闭使进入风机的气流方向发生变化，可使风机的性能曲线发生改变；而且利用前导器调节法比放下闸门调节法更节省电能，因此应尽量利用前导器进行调节，而尽量不用放下闸门法进行调节。前导器调节风量的范围比较小，只适合于调节幅度不大的条件下使用；另外关闭一前导器叶片，也要消耗一部分电能。
（2）降低风机转速。由比例定律可知：对于同一台风机，当工作阻力不变时，风量与转速的一次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。因此，在需要减少风量时，可以通过降低风机转速的方法达到减小风量和降低功率而节电的目的。降低风机转速调节法是减风节电最理想的调节方法，该方法既适合于离心式风机，也适合于轴流式风机。降低风机转速的具体措施有：更换电机、采用双速电机、采用液力偶合器调速、采用可控硅串级调速、采用齿轮减速器调速、改变传动比调速。
（3）减小叶片安装角。轴流式风机的能力，随叶片安装角的增减而增减，其耗电量也随叶片安装角的增减而增减，因此当风机能力过大时，可以通过减小叶片安装角的方法，以达到减风节电的目的。
（4）拆除一段动轮。使用两级轴流式风机的矿井，当风机能力过大时，可采用将两段改为一段动轮的方法调节，可以大大节省电耗；但是改为一段运行前，需要做平衡测定，以保持风机的动平衡，否则可能会减少风机的寿命，甚至引起大的轴破坏，造成毁机事故。
（5）拆除部分动叶。对于轴流式风机，可以通过拆除部分动叶的方法来达到减风节电的目的。因为叶片减少，叶栅稠度降低，因而风量减少，风压下降，耗电量也减少。
（6）换用小能力风机。当风机能力过大时，也可以换用小能力风机来达到减风节电的目的。增加主通风机能力的措施有：增大轴流式风机的叶片安装角，增加风机的转速，更换叶片，及时维修主通风机；提高运行效率；改造扩散器，回收部分动压，转化为风机静压，更换新型高效风机或机芯。
2.5 矿井通风系统的测量平差优化
测量平差是测绘科学中的术语。矿井通风测量平差是矿井通风系统分析中的新概念。建立礦井通风测量平差优化理论是实现矿井通风系统优化管理和自动控制的需要。随着计算机的推广应用，矿井通风网络优化研究的日趋深入，同时根据生产的需要，无论是定性的系统分析，还是定量的系统研究，都必然由自然分风的研究转向按需分风的研究，由参数求解转向系统优化与控制。矿井通风系统优化与控制决策的前提是必须知道系统的一部分参数，特别是各风流分支的风阻（即巷道的摩擦阻力系数，断面形状、周长、面积和巷道长度等）。这是建立矿井通风测量平差理论的客观依据。
3 展望
综上所述，为全面提高矿井通风系统优化、控制和环境灾变预测的科学性及手段的先进性，有必要在已有研究的基础上，对矿井通风系统优化控制决策技术的规律性进行更全面、深入的研究，探索更具有普遍意义的矿井通风系统优化控制的综合技术，并建立相应的计算机辅助决策支持系统。
参考文献
[1] 曲宗波，王春耀.矿井通风系统优化[J].煤矿现代化.2006（S1）.
[2] 林晓飞，曹庆贵，刘业娇.矿井通风系统优化调节研究[J].安全与环境学报.2006（S1）.
[3] 周圖文，曹松林.矿井通风系统优化及控制[J].煤矿现代化.2007（04）.