局部通风机实际特性的近似处理方法及应用研究（安全）

              李雨成^1,2，周  磊^1,2，刘天奇^1,2，李  智^1,2，赵晓涛^1,2

（1．辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新123000；2．矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁阜新123000）

摘要：针对目前局部风机特性曲线很难得到或应用而导致局部通风研究受限问题，提出一种根据局部风机风量及风压范围近似求解风机特性曲线的方法。该方法采用一次线性插值函数代替风机特性曲线函数，结合风阻特性曲线得到风机工况。基于该方法可进行局部风机选型或预测既定型号风机工况点及风筒出口风量，同时可确定长距离掘进通风中钻孔通风有效风量与钻孔长度、直径的关系，也可确定风库中转位置与风筒长度的关系。应用分析结果表明：

用一次函数代替稳定区域风机特性曲线函数不仅简单方便，结果较精确，且方法可靠、实用性高。

关键词：局部通风；特性曲线；风量预测；一次插值

中图分类号：X936   doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 06. 004

0  引言

    掘进巷道是一个独头巷，通风回路不完整，稀释和排除有害气体和粉尘依靠局部风机和风筒组成的局部通风系统。随着掘进巷道长度、巷道断面积等因素发生变化，掘进巷道局部需风量也发生变化，为满足工作面需风量，须在局部通风系统中选取合理通风方式及局部风机，而局部风机性能高低决定风机选择是否合理，若想了解局部风机性能，则须掌握局部风机实际特性曲线。

    目前对风机特性曲线的处理方法主要有最小二乘拟合法与插值函数逼近法。采用正交函数、正反相切抛物线法等方法对风压曲线、功率曲线及效率曲线进行整体拟合。基于最小二乘原理对风机特性曲线进行拟合，从相关系数等角度对拟合曲线进行检验，说明拟合次数并非越高越好。目前研究大多集中在对局部风机数据的精确性检验上或在局部风机整体曲线的处理方式上，对如何处理风机稳定运行状态下实际特性曲线的研究较少，对选取局部风机型号及预测局部通风达到工作面风量的研究更少，说明本文具有一定创新性。

    鉴于此，本文针对仅了解局部风机风量及风压范围这一现状，提出使用拉格朗日一次线性函数代替局部风机稳定运行区域内实际特性曲线的方法，再结合风阻曲线得到风机工况，并论述了这种方法在局部通风方式中的应用。

1  局部风机特性曲线的近似解法

1.1  特性曲线近似解法处理原则

    在实际应用中，局部风机稳定工作需满足两个条件：①工作效率需在60%以上，如图1中效率曲线IV与风机特性曲线I交点所示以上部分；②风机工作风压应低于额定风压的90%，如图1中风机特性曲线I上的 点。

    在此区域（风机稳定工作区）内，风机特性曲线能够近似看成一条直线，因此可采用一次函数替代。由于图1中和点处的坐标值不方便准确给出，因此使用厂家提供的技术参数m和n来代替，同时采用曲线III与直线II交点（h _f，Q _f）代替曲线III与I的交点(，)，接下来在已知风压的条件下求解风量并判断风量是否满足要求。

1.2近似解法精度检验

    与处理整段风机曲线不同，本文仅处理风机稳定运行区域内曲线。提出风机特性曲线最佳拟合次数为五次，根据表1中三台风机原始数据，拟合得到风机1的五次函数（限于篇幅，风机2、3拟合函数不再列举，且在不影响结果的前提下适当处理方程有效数字）为：

    上述风机均稳定运行，风压满足在额定风压最大值的90%内。根据风机1风量及风压起始点，计算得到一次插值方程为（风机2、3插值函数不再例举）：

    已知风量可根据式(2)与式(3)分别算得两组风压值，为衡量两方程算得数据的吻合程度，求出各自结果的判定系数R²，结果如表2。

    由表2可知，一次插值函数与五次拟合函数的判定系数较为接近，且都很接近l（说明拟合效果好）。针对完整风机曲线进行拟合，结果虽更精确，但避免

不了高次曲线容易发生振荡的现象。这里使用一次函数来代替风机特征曲线，仅针对风机稳定工作区域进行拟合，既简单快速又较为准确，实用性较高，且避免了高次拟合曲线出现振荡的缺陷。

1.3  局部通风机工况确定及选型原则

    基于式(1)所述近似原理，对一独头掘进巷道中局部风机做实际研究，确定风机工况及给出判断风机型号是否满足条件原则。设独头掘进巷道长度为L，满足工作面需风量下的风机风压为，对应工况点为(，)则

2  既定型号局部风机风量预测方法

2.1  风筒出口风量预测

    由图1可知当风机稳定工作时，采用一次拉格朗日插值函数代替局部风机特性曲线，同样与阻力曲线存在

    按照该法可以对既定风机的供风能力进行评估，在现有风机满足工作面用风需要的条件下，选择经济有效的风机，从而节约设备资源。

2.2  局部风机风量预测效果检验

    现有某矿局部通风系统，风筒全长为490 m，风简直径为800 mm，每节10 m，共48个接头，风筒有两处900拐弯，FBDN06/2×15 kW型局部通风机主要技术参数如表3。

者较为接近。因此，该风量预测方法较为可靠，可用来估测风机送达工作面的有效风量，且能够根据式(6)近似确定风机工况。

3  一次插值在长距离掘进通风中的应用

    在目前的长距离掘进通风中，避免不了粉尘、污风循环等问题（煤矿井下存在瓦斯等危害性气体），单纯增加矿用主通风机能力并不能解决这些问题。因此，钻孔通风、风库中转通风等方式开始用于长距离掘进通风中，如图2所示，其中两种通风方式均涉及到局部风机的存在。

而采用一次线性插值代替风机稳定运行区曲线，对于钻孔通风与风库中转通风中技术参数的确定均具有启发性作用。

3.1  钻孔位置对通风有效性的影响

    为实现通风有效，即保证底部中转风机到达工作面的有效风量Q₁能够满足工作面的风量需求Q₂，在对钻孔位置进行调整时，应对各级风量进行估计，至少应保证Q₁=Q₂，（一般为1.2~1.5，这里取1.2）。在钻孔通风方式中，钻孔的长度、直径均为影响送达用风地点有效风量的重要因素，在式(7)的基础上，可推论出钻孔通风上级风机有效风量随钻孔长度、直径的变化关系式(8)（上、下级相似，不再赘述）：

    分析式(8)可知，相对于提高风机能力和缩短通风距离，调整钻孔直径、长度更能有效的改变钻孔通风效果，更容易满足风量需求。

3.2风库中转位置确定方法

    对于风库中转合理位置的确定，前人提出在总掘进长度的2/5处构筑风库，将风库中的中转风通过局部风机送到工作面，该说法并没有给出风库位置选定的严格证明过程。为保证利用风库进行有效通风中转，上、下级风机工作风量应满足

为上、下级风机工作风量，取1.2）。在式(7)的基础上，得出风库上、下级风机风量与风筒长度关系如式(9)所示（上、下级相似，不再赘述）：

    分析式(9)可知，若已知长距离掘进巷道总长度，为满足上、下级风机风量通过风库合理中转，根据上、下级风量比，能够得出上、下级风筒的长度，即得出风库（风机）的合理布置位置。

4  结论    

    1)对于局部风机的选型，利用一次线性插值函数代替局部风机稳定工作区域的特性曲线，在满足根据需风量计算得到的理论风压须大于该需风量对应风筒阻力值的基础上，对插值结果进行检验，结果较为精确。

    2)对于既定局部风机的风量预测，经实际验证，计算得到的理论风量与实测风量相差较小，表明本文的预测方法比较可靠，可以用于已有局部风机的送风效果预测。

    3)本文提出的掘进面局部风机选型及风量预测方法对于矿井局部风机通风动力的选择具有实际参考价值，特别是长距离掘进通风中的钻孔通风（直径、长度）以及风库中转通风（上、下级风筒长度），通过调整钻孔直径、长度及上、下级风筒长度等参数以达到满足通风条件下的经济最优化。