張建偉，汪 洋，馬瑞峰

（1.中天合創(chuàng)能源有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.湖南平安礦井安全技術(shù)有限公司，湖南 湘潭 411100）

國家發(fā)展改革委等8 部委《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源〔2020〕283 號）和《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 版）》對煤礦智能化建設(shè)提出要求[1-2]，極大促進了煤礦智能化發(fā)展的進度。

通風系統(tǒng)作為煤礦主要系統(tǒng)之一，起到供給井下新鮮空氣、沖淡井下有毒有害氣體和粉塵、調(diào)節(jié)井下氣候的作用，為礦井工人創(chuàng)造良好的工作環(huán)境和保障礦井安全[3]。目前，煤礦通風系統(tǒng)智能化已經(jīng)實現(xiàn)主要通風機、局部通風機、自動化風門風窗、井下環(huán)境參數(shù)的遠程控制和參數(shù)自動化采集分析[4-12]。但是煤礦通風還需對災(zāi)變后通風系統(tǒng)進行智能化控制和管理。反風作為災(zāi)變后通風系統(tǒng)管控的手段，災(zāi)變后能快速反風，可以有效地避免災(zāi)害的擴大和降低損失[13-15]。為此，通過研究某煤礦3105 綜放工作面反風技術(shù)和設(shè)備技術(shù)需求，得出綜放工作面智能化反風系統(tǒng)構(gòu)成和管理邏輯。

1 礦井概況

根據(jù)《礦井瓦斯等級鑒定報告》：研究對象絕對瓦斯涌出量為3.83 m3/min，礦井相對瓦斯涌出量為0.26 m3/t，屬于低瓦斯礦井。3105 綜放工作面位于某礦井田3-1 煤11 采區(qū)，工作面長度300 m，推進長度3 870 m。煤層傾角1°～3°，平均采高4.88 m。3105綜放工作面采用“一進二回”“U”型全風壓通風方式，配風量2 195 m3/min。目前，3105 綜放工作面區(qū)域有4 組風門、2 道調(diào)節(jié)風墻、2 處精準測風。正常通風系統(tǒng)圖如圖1。

圖1 正常通風系統(tǒng)圖Fig.1 Normal ventilation system of object

通風路線：地面→主井、副井→井底車場→（3-1 煤輔運大巷→3103 工作面輔運巷、3103 工作面主運巷→3103 工作面回撤通道→3105 工作面主運巷→3105 綜采工作面→3105 工作面回風巷、3105工作面泄水巷→3105 工作面回風通道→3103 工作面泄水巷）→集中回風巷→3-1 煤輔助回風大巷→一號回風立井→地面。

2 反風理論技術(shù)

通風系統(tǒng)反風理論技術(shù)研究的前提是流體數(shù)學模型的設(shè)計。目前，模型主要分為靜態(tài)數(shù)學模型和動態(tài)數(shù)學模型，通風系統(tǒng)復(fù)雜多變，因此本次技術(shù)理論的模型采用動態(tài)數(shù)學模型。通風系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算分析的方法有解析法、圖解法、模擬解法和數(shù)值解法（也稱近似解法）[16]。根據(jù)工作面反風理論技術(shù)研究的要求，本次反風理論技術(shù)選擇4 種解算方法結(jié)合，同時遵守節(jié)點流量平衡和回路風壓平衡定律。

2.1 反風理論模型

3105 綜放工作面通風系統(tǒng)中各通風設(shè)備的運行狀態(tài)：ADF 風門為常閉，B 風門為常開。為滿足本工作面反風的要求，需要對通風系統(tǒng)進行優(yōu)化和整改，將構(gòu)筑物E 改為調(diào)節(jié)風門，增加進風巷道的控風G 構(gòu)筑物。通風系統(tǒng)改造、反風范圍劃定、節(jié)點、通風系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、控制室等內(nèi)容，通風系統(tǒng)改造圖如圖2，節(jié)點及通風網(wǎng)絡(luò)圖如圖3。

圖2 通風系統(tǒng)改造圖Fig.2 Modification drawing of ventilation system

圖3 節(jié)點及通風網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Diagram of nodes and ventilation network

3105 綜放工作面通風系統(tǒng)反風的必要條件是反風災(zāi)害區(qū)域劃分點之前發(fā)生災(zāi)害。反風災(zāi)害區(qū)域劃分點之后發(fā)生的災(zāi)害，通風系統(tǒng)無需反風。

研究對象共有節(jié)點13 個，風路支路共有16 條，正常通風路線：1→3→4→5→9→10→工作面→11→12→8→7→6→2。其中3→4、4→5、5→9、9→10 4 條巷道為主要研究巷道，不同巷道災(zāi)變后需快速反風和快速控制災(zāi)害范圍的擴大，保證系統(tǒng)安全。

根據(jù)災(zāi)害發(fā)生的巷道位置不同，將研究對象劃分為2 個模型：模型1 為3105 工作面進風巷入口之前發(fā)生災(zāi)害，避免有毒有害氣體進入工作面，即3→4、4→5、5→9 3 條巷道內(nèi)發(fā)生災(zāi)害，需要反風控制災(zāi)害范圍；模型2 為3105 工作面進風巷入口之后至反風災(zāi)害區(qū)域劃分點之前發(fā)生災(zāi)害，避免有毒有害氣體進入新風側(cè)，即9→10 巷道內(nèi)發(fā)生災(zāi)害。

2.2 反風理論技術(shù)

3105 綜放工作面通風系統(tǒng)作為反風理論技術(shù)研究對象，因采用通風構(gòu)筑物變化控制工作面區(qū)域內(nèi)的反風，所以主要通風機無需進行反風。

根據(jù)節(jié)點風量平衡和壓力平衡等定律，考慮到空氣壓縮、溫度變化造成的密度變化、外部有可能存在的匯入等原因，增加修正系數(shù)k，實現(xiàn)動態(tài)分析，采用迭代法。修正后節(jié)點流量平衡公式如式（1）：

式中：k1為動態(tài)修正系數(shù)；j 為通風網(wǎng)絡(luò)圖中節(jié)點數(shù)；N 為分支數(shù)目；Qj為第j 條支路風量，m3/s；aij為風流方向的符號函數(shù)（aij=1，i 節(jié)點為j 分支的端點且Qj流向該節(jié)點；aij=-1，i 節(jié)點為j 分支的端點且Qj背離該節(jié)點；aij=0，i 節(jié)點不是j 分支的端點）。

修正后回路風壓平衡公式如式（2）：

式中：k2為動態(tài)修正系數(shù)；fi為沿i 回路阻力或風壓代數(shù)和，Pa；Qj為j 分支的風量，m3/s；Rj為j 分支的風壓，Pa；pi為i 回路自然風壓代數(shù)和，Pa；Fj（Qj）為第i 個風機的風壓，Pa，研究對象區(qū)域內(nèi)無風機，所以Fj（Qj）=0；bij為分支風流方向的符號函數(shù)（bij=1，i 節(jié)點為j 分支的端點且Qj流向該節(jié)點；bij=-1，i 節(jié)點為j 分支的端點且Qj背離該節(jié)點；bij=0，i 節(jié)點不是j 分支的端點）。

自然風壓如式（3）：

動態(tài)修正系數(shù)與反風后的巷道壓力關(guān)系為：

式中：B 為動態(tài)修正系數(shù)；pj2為第j 條支路反風后的巷道壓力，Pa；pj1為第j 條支路正常通風巷道壓力，Pa；Qj為第j 條支路風量，m3/s；A 為調(diào)節(jié)通風斷面，m2。

無論模型1 還是模型2，構(gòu)筑物E 都會開啟，構(gòu)筑物B 都會關(guān)閉，會改變區(qū)域內(nèi)的壓力分布，需要根據(jù)風量平衡和壓力平衡計算得到構(gòu)筑物C 風窗的調(diào)節(jié)范圍。

模型1 是A/E/F/G 開啟、B 關(guān)閉、D 不變、C 配合壓力調(diào)節(jié)范圍，反風風量和正常風量一樣，模型1 通風網(wǎng)絡(luò)圖如圖4。

圖4 模型1 通風網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Ventilation network diagram of model 1

模型1 控制順序：先關(guān)閉B→開啟G→開啟E→開啟A 和F，過程中C 控制風量。反風路線：1→7→8→12→9→5→4→13→6→2。根據(jù)風量和壓力平衡要求以及風窗尺寸變化要求，計算得出構(gòu)筑物C 風窗的控制壓力差200 Pa 到（1 200±30）Pa 及風窗開口大小縮?。?.5±0.05）m2。

模型2 是A/E/G 開啟、B 關(guān)閉、D/F 不變、C 配合壓力調(diào)節(jié)范圍，反風風量和正常風量一樣，模型2 通風網(wǎng)絡(luò)圖如圖5。

圖5 模型2 通風網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 Ventilation network diagram of model 2

模型2 控制順序：先關(guān)閉B→開啟G→開啟E→開啟A，過程中C 控制風量。反風路線：1→7→8→12→11→工作面→10→9→5→4→13→6→2。根據(jù)風量和壓力平衡要求以及風窗尺寸變化要求，計算得出構(gòu)筑物C 風窗的控制壓力差200～（1 000±20）Pa 及風窗開口大小縮?。?.4±0.05）m2。

3 工作面反風智能化設(shè)備

工作面智能化通風系統(tǒng)反風能真正實現(xiàn)，還需硬件設(shè)備支持，才能保證工作面通風系統(tǒng)反風的順利進行。

工作面通風系統(tǒng)反風涉及的設(shè)備包括：風門、風窗、數(shù)據(jù)采集傳感器、語音廣播設(shè)備、避災(zāi)指揮設(shè)備等。風門要求具備遠程自動控制、能解除機械閉鎖、狀態(tài)監(jiān)測、漏風量管理；風窗具備遠程自動調(diào)節(jié)或特性曲線調(diào)節(jié)、能監(jiān)測風窗兩側(cè)壓力，保證區(qū)域內(nèi)其他構(gòu)筑物調(diào)節(jié)后，整個區(qū)域的風量不變，保證其他區(qū)域的通風系統(tǒng)不受影響；傳感器具備自查自檢功能，并能保證數(shù)據(jù)的準確和完整性；語音廣播具備通信功能和與反風系統(tǒng)聯(lián)動的功能，廣播要完善無死角；救災(zāi)指揮設(shè)備或指路銘牌懸掛明顯且無死角，路線指示正確并與反風系統(tǒng)聯(lián)動等。各設(shè)備之間控制器需具備通信功能，并能形成通信環(huán)網(wǎng)，保證通信的穩(wěn)定和設(shè)備之間聯(lián)動及時和穩(wěn)定。

系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備需具備自我實驗和測試功能，做到無人值守及故障診斷，保證各部件設(shè)備真用時的可靠。

4 反風系統(tǒng)構(gòu)成及通用邏輯

通過技術(shù)和研究對象分析，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備技術(shù)要求，得出工作面通風系統(tǒng)反風構(gòu)成和系統(tǒng)通用邏輯。適用范圍：區(qū)域內(nèi)通風系統(tǒng)反風、主要通風機不參與反風、總進風和總回風之間存在調(diào)節(jié)風門。

4.1 反風系統(tǒng)構(gòu)成

工作面通風系統(tǒng)反風系統(tǒng)基本構(gòu)成：地面集控平臺、反風區(qū)域控制器（一主一備）、區(qū)域通信環(huán)網(wǎng)、自動化風門和調(diào)節(jié)風門、自動化風窗、精準測風、災(zāi)害環(huán)境采集傳感器（如：一氧化碳傳感器、甲烷傳感器、氧氣體積分數(shù)傳感器及溫度傳感器等）、語音廣播系統(tǒng)、避救災(zāi)用裝備及反風配套設(shè)備等。

4.2 反風系統(tǒng)通用邏輯

研究對象存在工作面進風巷和回風巷之間聯(lián)巷，需要分2 種模型。如果不存在聯(lián)巷，適用模型2。

如果需要改變主要進風大巷內(nèi)的風量方向，因影響范圍擴大，此時就需要主要通風機進行反風配合，反風風量不低于60%，才能保證快速完成有毒有害氣體的排除，不在研究范圍內(nèi)。

1）模型1 反風系統(tǒng)邏輯。首先設(shè)計工作面進風巷和回風巷之間聯(lián)巷，并安裝帶調(diào)節(jié)風門，其次設(shè)計區(qū)域內(nèi)的進風巷和主回風巷之間聯(lián)巷，并安裝帶調(diào)節(jié)風門，其次安裝其他自動化風門和精準測風傳感器安裝，最后安裝區(qū)域內(nèi)主要調(diào)節(jié)風窗，并進行井下實地測試，獲得風窗三維調(diào)節(jié)特性曲線?？刂祈樞颍菏紫雀魯嘣锌偦仫L巷和反風后回風巷之間風門，其次改變回風巷風流方向，并將工作面進風巷和回風巷之間聯(lián)巷中的風門調(diào)節(jié)開啟，然后打開區(qū)域內(nèi)的進風巷和主回風巷之間聯(lián)巷中的調(diào)節(jié)風門，控制總回風巷風流方向，最后調(diào)節(jié)風窗自主完成風量。整個通風系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，所有的傳感器和設(shè)備需要實時監(jiān)測和預(yù)警，保證整個反風過程的安全。

2）模型2 反風系統(tǒng)邏輯。首先設(shè)計區(qū)域內(nèi)的進風巷和主回風巷之間聯(lián)巷，并安裝帶調(diào)節(jié)風門，其次安裝其他自動化風門和精準測風傳感器安裝，最后安裝區(qū)域內(nèi)主要調(diào)節(jié)風窗，并進行井下實地測試，獲得風窗三維調(diào)節(jié)特性曲線?？刂祈樞颍菏紫雀魯嘣锌偦仫L巷和反風后回風巷之間風門，其次改變回風巷風流方向，然后打開區(qū)域內(nèi)的進風巷和主回風巷之間聯(lián)巷中的調(diào)節(jié)風門，控制總回風巷風流方向，最后調(diào)節(jié)風窗自主完成風量。整個通風系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，所有的傳感器和設(shè)備需要實時監(jiān)測和預(yù)警，保證整個反風過程的安全。

5 結(jié) 語

1）工作面存在聯(lián)巷且區(qū)域內(nèi)通風系統(tǒng)反風，模型分為工作面內(nèi)災(zāi)害通風系統(tǒng)反風和聯(lián)巷外進風側(cè)通風系統(tǒng)反風2 種模型。

2）區(qū)域內(nèi)通風系統(tǒng)反風應(yīng)在總回巷和進風巷之間，需建設(shè)調(diào)節(jié)風門，保證區(qū)域通風系統(tǒng)反風分工作面和進風巷2 種，也便于對進風巷火災(zāi)的范圍控制。

3）工作面通風系統(tǒng)反風需要進行“一面一策”設(shè)計，控制反風時間和流程，不能簡單地理解為風流反向即可。

4）風門需具備自動解除機械閉鎖，完成雙門同時開啟，并能監(jiān)測風門漏風，漏風傳感器安裝在回風測風門間。風窗需現(xiàn)場性能測試，獲得風窗的三維調(diào)節(jié)特性曲線，將風窗墻體漏風考慮進可控范圍內(nèi)。

5）根據(jù)現(xiàn)場施工和管控流程，需要對通風系統(tǒng)反風開始到風向反轉(zhuǎn)時間進行控制，不得超過5 min。