張建偉，汪 洋，馬瑞峰

（1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)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(guó)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(jiàn)》（發(fā)改能源〔2020〕283 號(hào)）和《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 版）》對(duì)煤礦智能化建設(shè)提出要求[1-2]，極大促進(jìn)了煤礦智能化發(fā)展的進(jìn)度。

通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)智能化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)主要通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)、自動(dòng)化風(fēng)門(mén)風(fēng)窗、井下環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程控制和參數(shù)自動(dòng)化采集分析[4-12]。但是煤礦通風(fēng)還需對(duì)災(zāi)變后通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制和管理。反風(fēng)作為災(zāi)變后通風(fēng)系統(tǒng)管控的手段，災(zāi)變后能快速反風(fēng)，可以有效地避免災(zāi)害的擴(kuò)大和降低損失[13-15]。為此，通過(guò)研究某煤礦3105 綜放工作面反風(fēng)技術(shù)和設(shè)備技術(shù)需求，得出綜放工作面智能化反風(fēng)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(jí)鑒定報(bào)告》：研究對(duì)象絕對(duì)瓦斯涌出量為3.83 m3/min，礦井相對(duì)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(zhǎng)度300 m，推進(jìn)長(zhǎng)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(jìn)二回”“U”型全風(fēng)壓通風(fēng)方式，配風(fēng)量2 195 m3/min。目前，3105 綜放工作面區(qū)域有4 組風(fēng)門(mén)、2 道調(diào)節(jié)風(fēng)墻、2 處精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)。正常通風(fēng)系統(tǒng)圖如圖1。

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

通風(fēng)路線：地面→主井、副井→井底車場(chǎng)→（3-1 煤輔運(yùn)大巷→3103 工作面輔運(yùn)巷、3103 工作面主運(yùn)巷→3103 工作面回撤通道→3105 工作面主運(yùn)巷→3105 綜采工作面→3105 工作面回風(fēng)巷、3105工作面泄水巷→3105 工作面回風(fēng)通道→3103 工作面泄水巷）→集中回風(fēng)巷→3-1 煤輔助回風(fēng)大巷→一號(hào)回風(fēng)立井→地面。

2 反風(fēng)理論技術(shù)

通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)理論技術(shù)研究的前提是流體數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)。目前，模型主要分為靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜多變，因此本次技術(shù)理論的模型采用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。通風(fēng)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(fēng)理論技術(shù)研究的要求，本次反風(fēng)理論技術(shù)選擇4 種解算方法結(jié)合，同時(shí)遵守節(jié)點(diǎn)流量平衡和回路風(fēng)壓平衡定律。

2.1 反風(fēng)理論模型

3105 綜放工作面通風(fēng)系統(tǒng)中各通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)：ADF 風(fēng)門(mén)為常閉，B 風(fēng)門(mén)為常開(kāi)。為滿足本工作面反風(fēng)的要求，需要對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和整改，將構(gòu)筑物E 改為調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，增加進(jìn)風(fēng)巷道的控風(fēng)G 構(gòu)筑物。通風(fēng)系統(tǒng)改造、反風(fēng)范圍劃定、節(jié)點(diǎn)、通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、控制室等內(nèi)容，通風(fēng)系統(tǒng)改造圖如圖2，節(jié)點(diǎn)及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖3。

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

圖3 節(jié)點(diǎn)及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Diagram of nodes and ventilation network

3105 綜放工作面通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)的必要條件是反風(fēng)災(zāi)害區(qū)域劃分點(diǎn)之前發(fā)生災(zāi)害。反風(fēng)災(zāi)害區(qū)域劃分點(diǎn)之后發(fā)生的災(zāi)害，通風(fēng)系統(tǒng)無(wú)需反風(fēng)。

研究對(duì)象共有節(jié)點(diǎn)13 個(gè)，風(fēng)路支路共有16 條，正常通風(fēng)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(fēng)和快速控制災(zāi)害范圍的擴(kuò)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(duì)象劃分為2 個(gè)模型：模型1 為3105 工作面進(jìn)風(fēng)巷入口之前發(fā)生災(zāi)害，避免有毒有害氣體進(jìn)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(fēng)控制災(zāi)害范圍；模型2 為3105 工作面進(jìn)風(fēng)巷入口之后至反風(fēng)災(zāi)害區(qū)域劃分點(diǎn)之前發(fā)生災(zāi)害，避免有毒有害氣體進(jìn)入新風(fēng)側(cè)，即9→10 巷道內(nèi)發(fā)生災(zāi)害。

2.2 反風(fēng)理論技術(shù)

3105 綜放工作面通風(fēng)系統(tǒng)作為反風(fēng)理論技術(shù)研究對(duì)象，因采用通風(fēng)構(gòu)筑物變化控制工作面區(qū)域內(nèi)的反風(fēng)，所以主要通風(fēng)機(jī)無(wú)需進(jìn)行反風(fēng)。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)風(fēng)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分析，采用迭代法。修正后節(jié)點(diǎn)流量平衡公式如式（1）：

式中：k1為動(dòng)態(tài)修正系數(shù)；j 為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖中節(jié)點(diǎn)數(shù)；N 為分支數(shù)目；Qj為第j 條支路風(fēng)量，m3/s；aij為風(fēng)流方向的符號(hào)函數(shù)（aij=1，i 節(jié)點(diǎn)為j 分支的端點(diǎn)且Qj流向該節(jié)點(diǎn)；aij=-1，i 節(jié)點(diǎn)為j 分支的端點(diǎn)且Qj背離該節(jié)點(diǎn)；aij=0，i 節(jié)點(diǎn)不是j 分支的端點(diǎn)）。

修正后回路風(fēng)壓平衡公式如式（2）：

式中：k2為動(dòng)態(tài)修正系數(shù)；fi為沿i 回路阻力或風(fēng)壓代數(shù)和，Pa；Qj為j 分支的風(fēng)量，m3/s；Rj為j 分支的風(fēng)壓，Pa；pi為i 回路自然風(fēng)壓代數(shù)和，Pa；Fj（Qj）為第i 個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，Pa，研究對(duì)象區(qū)域內(nèi)無(wú)風(fēng)機(jī)，所以Fj（Qj）=0；bij為分支風(fēng)流方向的符號(hào)函數(shù)（bij=1，i 節(jié)點(diǎn)為j 分支的端點(diǎn)且Qj流向該節(jié)點(diǎn)；bij=-1，i 節(jié)點(diǎn)為j 分支的端點(diǎn)且Qj背離該節(jié)點(diǎn)；bij=0，i 節(jié)點(diǎn)不是j 分支的端點(diǎn)）。

自然風(fēng)壓如式（3）：

動(dòng)態(tài)修正系數(shù)與反風(fēng)后的巷道壓力關(guān)系為：

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

無(wú)論模型1 還是模型2，構(gòu)筑物E 都會(huì)開(kāi)啟，構(gòu)筑物B 都會(huì)關(guān)閉，會(huì)改變區(qū)域內(nèi)的壓力分布，需要根據(jù)風(fēng)量平衡和壓力平衡計(jì)算得到構(gòu)筑物C 風(fēng)窗的調(diào)節(jié)范圍。

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

圖4 模型1 通風(fēng)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(kāi)啟G→開(kāi)啟E→開(kāi)啟A 和F，過(guò)程中C 控制風(fēng)量。反風(fēng)路線：1→7→8→12→9→5→4→13→6→2。根據(jù)風(fēng)量和壓力平衡要求以及風(fēng)窗尺寸變化要求，計(jì)算得出構(gòu)筑物C 風(fēng)窗的控制壓力差200 Pa 到（1 200±30）Pa 及風(fēng)窗開(kāi)口大小縮?。?.5±0.05）m2。

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

圖5 模型2 通風(fēng)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(kāi)啟G→開(kāi)啟E→開(kāi)啟A，過(guò)程中C 控制風(fēng)量。反風(fēng)路線：1→7→8→12→11→工作面→10→9→5→4→13→6→2。根據(jù)風(fēng)量和壓力平衡要求以及風(fēng)窗尺寸變化要求，計(jì)算得出構(gòu)筑物C 風(fēng)窗的控制壓力差200～（1 000±20）Pa 及風(fēng)窗開(kāi)口大小縮小（0.4±0.05）m2。

3 工作面反風(fēng)智能化設(shè)備

工作面智能化通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)能真正實(shí)現(xiàn)，還需硬件設(shè)備支持，才能保證工作面通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)的順利進(jìn)行。

工作面通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)涉及的設(shè)備包括：風(fēng)門(mén)、風(fēng)窗、數(shù)據(jù)采集傳感器、語(yǔ)音廣播設(shè)備、避災(zāi)指揮設(shè)備等。風(fēng)門(mén)要求具備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、能解除機(jī)械閉鎖、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、漏風(fēng)量管理；風(fēng)窗具備遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)或特性曲線調(diào)節(jié)、能監(jiān)測(cè)風(fēng)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(gè)區(qū)域的風(fēng)量不變，保證其他區(qū)域的通風(fēng)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(zhǔn)確和完整性；語(yǔ)音廣播具備通信功能和與反風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的功能，廣播要完善無(wú)死角；救災(zāi)指揮設(shè)備或指路銘牌懸掛明顯且無(wú)死角，路線指示正確并與反風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)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(dòng)及時(shí)和穩(wěn)定。

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

4 反風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成及通用邏輯

通過(guò)技術(shù)和研究對(duì)象分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備技術(shù)要求，得出工作面通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)構(gòu)成和系統(tǒng)通用邏輯。適用范圍：區(qū)域內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)、主要通風(fēng)機(jī)不參與反風(fēng)、總進(jìn)風(fēng)和總回風(fēng)之間存在調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)。

4.1 反風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成

工作面通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)系統(tǒng)基本構(gòu)成：地面集控平臺(tái)、反風(fēng)區(qū)域控制器（一主一備）、區(qū)域通信環(huán)網(wǎng)、自動(dòng)化風(fēng)門(mén)和調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)、自動(dòng)化風(fēng)窗、精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)、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?jǐn)?shù)傳感器及溫度傳感器等）、語(yǔ)音廣播系統(tǒng)、避救災(zāi)用裝備及反風(fēng)配套設(shè)備等。

4.2 反風(fēng)系統(tǒng)通用邏輯

研究對(duì)象存在工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)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(jìn)風(fēng)大巷內(nèi)的風(fēng)量方向，因影響范圍擴(kuò)大，此時(shí)就需要主要通風(fēng)機(jī)進(jìn)行反風(fēng)配合，反風(fēng)風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)邏輯。首先設(shè)計(jì)工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷之間聯(lián)巷，并安裝帶調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，其次設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的進(jìn)風(fēng)巷和主回風(fēng)巷之間聯(lián)巷，并安裝帶調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，其次安裝其他自動(dòng)化風(fēng)門(mén)和精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)傳感器安裝，最后安裝區(qū)域內(nèi)主要調(diào)節(jié)風(fēng)窗，并進(jìn)行井下實(shí)地測(cè)試，獲得風(fēng)窗三維調(diào)節(jié)特性曲線?？刂祈樞颍菏紫雀魯嘣锌偦仫L(fēng)巷和反風(fēng)后回風(fēng)巷之間風(fēng)門(mén)，其次改變回風(fēng)巷風(fēng)流方向，并將工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷之間聯(lián)巷中的風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)開(kāi)啟，然后打開(kāi)區(qū)域內(nèi)的進(jìn)風(fēng)巷和主回風(fēng)巷之間聯(lián)巷中的調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，控制總回風(fēng)巷風(fēng)流方向，最后調(diào)節(jié)風(fēng)窗自主完成風(fēng)量。整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，所有的傳感器和設(shè)備需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，保證整個(gè)反風(fēng)過(guò)程的安全。

2）模型2 反風(fēng)系統(tǒng)邏輯。首先設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的進(jìn)風(fēng)巷和主回風(fēng)巷之間聯(lián)巷，并安裝帶調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，其次安裝其他自動(dòng)化風(fēng)門(mén)和精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)傳感器安裝，最后安裝區(qū)域內(nèi)主要調(diào)節(jié)風(fēng)窗，并進(jìn)行井下實(shí)地測(cè)試，獲得風(fēng)窗三維調(diào)節(jié)特性曲線?？刂祈樞颍菏紫雀魯嘣锌偦仫L(fēng)巷和反風(fēng)后回風(fēng)巷之間風(fēng)門(mén)，其次改變回風(fēng)巷風(fēng)流方向，然后打開(kāi)區(qū)域內(nèi)的進(jìn)風(fēng)巷和主回風(fēng)巷之間聯(lián)巷中的調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，控制總回風(fēng)巷風(fēng)流方向，最后調(diào)節(jié)風(fēng)窗自主完成風(fēng)量。整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，所有的傳感器和設(shè)備需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，保證整個(gè)反風(fēng)過(guò)程的安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

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

2）區(qū)域內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)應(yīng)在總回巷和進(jìn)風(fēng)巷之間，需建設(shè)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，保證區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)分工作面和進(jìn)風(fēng)巷2 種，也便于對(duì)進(jìn)風(fēng)巷火災(zāi)的范圍控制。

3）工作面通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)需要進(jìn)行“一面一策”設(shè)計(jì)，控制反風(fēng)時(shí)間和流程，不能簡(jiǎn)單地理解為風(fēng)流反向即可。

4）風(fēng)門(mén)需具備自動(dòng)解除機(jī)械閉鎖，完成雙門(mén)同時(shí)開(kāi)啟，并能監(jiān)測(cè)風(fēng)門(mén)漏風(fēng)，漏風(fēng)傳感器安裝在回風(fēng)測(cè)風(fēng)門(mén)間。風(fēng)窗需現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試，獲得風(fēng)窗的三維調(diào)節(jié)特性曲線，將風(fēng)窗墻體漏風(fēng)考慮進(jìn)可控范圍內(nèi)。

5）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工和管控流程，需要對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)開(kāi)始到風(fēng)向反轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行控制，不得超過(guò)5 min。