CN102953745B - 一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统，在矿井进风段设置进风机站（1），在回风段设置回风机站（2），在用风段设置用风机站（3），在矿井地表设置了矿井地面总监控室（4），开发多级机站通风网络解算程序，进行通风系统通风阻力、机站风机风量、风压、效率、总功率等通风参数的数值计算；确定机站级数和位置；风机选型与风量调节；建立多级机站远程集中监控系统和井下大气环境在线监测系统。可实现矿井各通风网络段的均压通风，减少漏风，对井下进风机站、回风机站、用风机站风机启停进行远程控制、风机变频调速以及系统反风，对风机运行状态、风机风量风压、电机轴承温度、功率因素等参数实时监测，对井下通风环境实时在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下矿山矿井通风技术，尤其是涉及一种矿井多级机站通风系统技术，可广泛应用于地下矿山开采的矿井通风系统。
背景技术
矿井多级机站通风技术是运用风压平衡原理对矿井通风系统实行均压通风，其基本特点是：在保持各风路所需风量的前提下，通过对井下多机站多风机的设置及调控（风机的启停、风机运转转速），实现各分支风路风压平衡，各漏风风路两个端点的风压相等，即外部漏风点保持差压为零，内部漏风点保持风压相等。
与大主扇通风系统相比，多级机站通风系统能使通风压力分布均匀、漏风量减少、有效风量率提高、通风能耗降低，且风流控制简单、风量调节灵活，能根据生产对通风的需要开启或停止某些风机或某些机站，可采用变频调速器实现对系统风机工况的调节，从而在满足生产需风的同时最大限度地节约通风能耗，降低通风费用。
由于多级机站通风系统需要的机站与风机数量较多，而且各机站分布在整个通风网络的广大区域内，对矿井多级机站通风系统存在以下几个主要问题：⑴复杂通风网络下通风阻力、风量分配问题；（2）机站级数和位置的确定；（3）风机选型与风量调节；（4）多机站多风机的管理及井下通风监控。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的通风阻力计算、风量分配、机站级数和位置及风机选型以及多机站多风机管理难的问题，而提供一种可实现矿井各通风网络段的均压通风、风流控制及调节灵活、有效风量率高、通风效果预计性强、通风节能效果显著的高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统。
为实现本发明的上述目的，本发明一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统采用以下技术方案：
本发明一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统，在矿井进风段设置进风机站（1），在回风段设置回风机站（2），在用风段设置用风机站（3），在矿井地表设置了矿井地面总监控室（4），采用以下技术方案：
1）开发多级机站通风网络解算程序，进行通风系统通风阻力、机站风机风量、风压、效率、总功率等通风参数的数值计算
为节省计算机内存，多级机站通风网络将风机曲线拟合、巷道风阻的计算以及自然风压的计算均编制独立的程序，并把计算结果输入数据文件供主程序运行时调用。所述的多级机站通风网络解算程序由5个数据文件，1个主程序，7个分程序，3个次分程序组成：
5个数据文件：文件1-风机参数数据文件—输入选用的几种风机类型、风机的基本参数、计算风机的风压特性方程（三次曲线及抛物线）和风机的效率特性方程系数；文件2-机站参数数据文件—输入机站的基本参数；文件3-网路参数数据文件—输入有关网路结构参数；文件4-巷道风阻数据文件—输入巷道的特性参数，根据巷道的摩阻系数以及局阻系数，计算巷道的风阻；文件5-自然风压数据文件—计算巷道的自然风压。以上5个数据文件，都具有存储、修改、增减、显示各种参数的多种功能。对机站风机类型、风机并联数（运行风机）、风机闸门开闭状态直接在主程序运行时输入。根据计算需要，可以直接输入风机的出、入口局部风阻，以及改变迭代的精度。
1个主程序；
7个分程序：机站特性分程序，自圈网孔分程序，初始风量分程序，风量迭代计算分程序，调节计算分程序，计算巷道、风机、机站参数分程序，计算节点压力分程序。
3个次分程序：机站局阻计算次分程序，排列风阻大小次分程序，风机风压及风机特性曲线斜率计算次分程序。
主程序顺序打开各数据文件，输入全部数据，并调用各分程序。各分程序的计算结果，均在各分程序内输出。
因为多级机站系统通风阻力计算量大，不仅需要计算最大阻力路线各路线的阻力，而且要计算各级通风机站阻力。除计算摩擦阻力外，还要计算巷道拐弯、分流、汇合等局部阻力。多级机站通风系统中，存在按需分风网、自然分风网和漏风风路。按需分风网各风路的风量应根据各作业点排烟、排尘的要求，通过风量的计算首先确定；自然通风网中各风路的风量则按巷道风阻进行自然分配解算求出；漏风风路的漏风量可根据经验进行估算。通风网络中各巷道风量确定之后，各机站的风量随之确定。单井口排风的通风系统，可能全网中只构成一个按需分风网，其风量分配比较简单。多井口入风、多井口排风的复杂通风网络系统，各采掘作业区多属于按需分风网，而排风、进风系统多属于自然分风网。利用多级机站通风网络解算程序可快速、准确的进行通风阻力、风量分配等通风参数的计算。
程序总体运行时按照设计要求，选择性打开5个数据文件，选择性调用7个分程序、3个次分程序，可得到通风网络下通风阻力、巷道风量大小、巷道风阻、节点绝对压力、机站及机站风机效率、风量、风压、功率参数分布；程序具体运行如下：
（1）首先启动主程序，开始程序运行，分别打开文件1-风机参数数据文件、文件2-机站参数数据文件、文件3-网路参数数据文件，然后判断是否输入巷道风阻，若需要输入则打开文件4-巷道风阻数据文件，否则直接判断是否考虑自然风压；若需要考虑自然风压，则打开文件5-自然风压数据文件；
（2）继续在主程序中输入机站风机类型、并联风机数及闸门开闭情况，主程序自动输出风机各参数；
（3）继续调入机站特性分程序，判断是否直接输入机站局阻，若需要程序计算机站局阻，在机站特性分程序中调用机站局阻计算次分程序，计算机站局阻并输出，然后输出机站特性；
（4）主程序继续调用自圈网孔分程序，网孔分程序中再调用排列风阻大小次分程序，输出巷道风阻；
（5）调入自圈网孔分程序后，判断是否计算初始风量；若直接输入初始风量，主程序直接继续调入风量迭代计算分程序；若需要自动计算初始风量，则需要调入初始风量分程序，直到风量迭代收敛，并输出迭代次数；
（6）主程序调用初始风量迭代分程序后，继续判断是否固定风量巷道数；若不固定风量巷道数，则调入调节计算分程序计算固定风量巷的调节风压及风阻并输出风阻；若固定风量巷道数，则直接调入计算巷道、风机、机站参数分程序；
（7）主程序调用调入计算巷道、风机、机站参数分程序，计算巷道阻力、机站风机风量、风压、效率、总功率参数，在计算巷道、风机、机站参数分程序中调入风机风压及风机特性曲线斜率计算次分程序，进行风机风压、风机特性曲线斜率的计算；
（8）主程序继续调用节点压力分程序，计算网路各节点相对压力，压力结果以绝对气压形式输出；
（9）主程序结束运行。
2）机站级数和位置确定
对全矿通风系统，根据风流线路可分为进风段、用风段、回风段三段；在进风段、用风段和回风段内分别设置一级通风机站，每级机站可有一个或若干个并联机站组成，每个机站可并联安装1～3台风机，各级机站之间串联；对于通风系统内部漏风点，必须在与漏风点相通的通风线路上前、中、后各设置一级通风机站；对外部漏风点主要是空区与地表构成自然通风通道，为减少漏风，在进风段、回风段设置通风机站，可使得外部漏风点为零压。
机站位置的确定，一方面要考虑通风系统中压力分布状况利于控制矿井污风，同时也要考虑井下各系统间的互相影响和在生产管理上是否方便。
3)风机选型与风量调节
因为多级机站安装的扇风机一般所负担的风压较低，选用中低压轴流扇风机；用风区域对风机运转的稳定性要求较高，故选用没有明显驼峰区的扇风机；对于风量固定的机站使用单台风机，需风量变化较大的机站采用2～3台风机并联；多风机台并联采用同型号、同尺寸、同转数的扇风机联合运转，有利于保持运转的稳定性。目前，国产扇风机中可供选用的有K和FS系列，其中K系列风机使用较多，在效率和稳定性上基本上能满足设计要求。对于特定的矿井来说，在满足设计的条件下，尽量减少风机类型与型号，以利互换使用，方便维修与管理。
根据风机频率与风机转速、风机风量、风机功率关系，通过调节风机频率以改变风机转速，达到改变风机排风量及风机能耗；采用变频调速器电机转速可从0－N r/min（N为风机额定最高转速）任意调控，从而达到改变机站的排风量和系统风压的目的，利于系统的调节与控制，因此在机站内风机安装时可根据实际需要配置变频调速装置。
4）建立多级机站远程集中监控系统和井下大气环境在线监测系统
由于多级机站通风系统的风机数量多，而且分布在井下的广大区域内，所以存在着风机控制和管理难的问题。为了充分发挥多级机站通风系统的优越性，在矿井地表设置的矿井地面总监控室4中建有多级机站远程集中监控系统和井下大气环境在线监测系统，并与井下机站、风机及通风环境相联系。多级机站控制系统应考虑风量调节和发生事故时的反风要求。本发明中建立多级机站的远程集中控制及通风监测系统，可实现进风机站、用风机站、回风机站的远程启动、停止、变频调速（风机配套变频器）、反转控制及电机电流电压、轴承温度、功率因素等风机运行状态监测，可对机站风机风量、风压、井下大气环境（矿井空气温湿度、含氧量、有毒有害气体等）通风参数在线实时动态监测。
本发明一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统，采用本技术方案后具有以下积极效果：
（1）强化系统风流控制，降低通风能耗
大主扇通风时，按设计手册规定通风系统的内部漏风系数为1.3～1.5，外部漏风系数为1.1～1.2，即主扇的风量约为需风量的1.4～1.8倍。实践证明多级机站通风系统设计的内部漏风系数可取1.2～1.25，外部漏风系数为1.0～1.1，即最大的机站的风机风量为需风量的1.2～1.38倍。根据风量与风机功率关系，减少漏风一项可使通风功率减少37%～55%。
当风流在网络中按井巷风阻大小自然分配时，其通风压力最小。当矿井为多井口多风机通风时或风机设于井下采区时各并联机站的风机风压应该相当且等于自然分风时的风压，其通风功率才最省。采用多级机站通风系统，可平衡分区风压，代替调节风窗调节系统风流，通风系统更加节能。
（2）简化机站的结构形式，且便于系统风量调节
在多级机站通风系统中，大都采用单级的节能风机，叶轮与电机直接联结，并可反向运行。因此可以省去单一大主扇系统的反风道、双弯曲风硐、扩散塔等，而上述通风装置的通风阻力占全矿阻力很大比例。采用节能风机后，可简化机站结构，降低通风阻力。多级机站系统则由于每个机站可以由几台风机并联工作或采用变频控制，就有可能根据生产作业要求，开动不同的风机数或对风机实现变频调速来调节供风量。
（3）通风效果预计性强
多级机站通风网络解算软件不仅能进行通风阻力计算及风量分配，而且能预见通风设计的效果，分析矿井当前通风系统的状况，找出通风薄弱环节及通风能耗最大的区段。当矿井通风系统有局部变化（如巷道的开凿或封闭）或采用局部调节措施（如开、停风机或增减阻力）时，可进行通风网络模拟结算，预见其通风效果。
（4）多级机站通风系统在线监测监控
建立多级机站通风系统在线监测监控系统，可对井下机站风机启停进行远程控制、风机变频调速以及系统反风，对风机运行状态、风机风量风压、电机轴承温度、功率因素等参数实时监测，同时对井下通风环境（空气温湿度、风速、风压、有毒有害气体）实时在线监测。
附图说明
图1为本发明一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统采用的通风网络程序结构前半部分框图；
图2为本发明一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统采用的通风网络程序结构后半部分框图；
图3为本发明一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统示意图。
附图标记为：1-进风机站；2-回风机站；3-用风机站；4-矿井地面总监控室。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统作进一步详细说明。
由图1所示的本发明一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统采用的通风网络程序结构前半部分框图、图2所示的本发明一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统采用的通风网络程序结构后半部分框图看出，多级机站通风网络程序由5个数据文件，1个主程序，7个分程序，3个次分程序组成。具体组成如下：
5个数据文件：文件1：风机参数数据文件—输入选用的几种风机类型、风机的基本参数、计算风机的风压特性方程（三次曲线及抛物线）和风机的效率特性方程系数；文件2：机站参数数据文件—输入机站的基本参数；文件3：网路参数数据文件—输入有关网路结构参数；文件4：巷道风阻数据文件—输入巷道的特性参数，根据巷道的摩阻系数以及局阻系数，计算巷道的风阻；文件5：自然风压数据文件—计算巷道的自然风压。
1个主程序：MACMVN；
7个分程序：1、FSC-机站特性分程序；2、MESH-自圈网孔分程序；3、IQC-初始风量分程序；4、QITC-风量迭代计算分程序；5、REGC-调节计算分程序；6、HC-计算巷道、风机、机站参数分程序；7、PC-计算节点压力分程序。
3个次分程序：1、RPFAN-机站局阻计算次分程序；2、AR-排列风阻大小次分程序；3、FHED-风机风压及风机特性曲线斜率计算次分程序。
程序总体运行时按照设计要求，选择性打开5个数据文件，选择性调用各分程序、次分程序，可得到通风网络下通风阻力、巷道风量大小、巷道风阻分布、节点绝对压力、机站及机站风机效率、风压、风机功率参数分布。程序具体运行如下：
（1）首先启动主程序，开始程序运行，分别打开文件1-风机参数数据文件、文件2-机站参数数据文件、文件3-网路参数数据文件，然后判断是否输入巷道风阻。若需要输入则打开文件4-巷道风阻数据文件，否则直接判断是否考虑自然风压；若需要考虑自然风压，则打开文件5-自然风压数据文件；
（2）继续在主程序中输入机站风机类型、并联风机数、及闸门开闭情况，主程序自动输出风机各参数；
（3）继续调入FSC-机站特性分程序，判断是否直接输入机站局阻，若需要程序计算机站局阻，在FSC分程序中调用RPFAN-机站局阻次分程序，计算机站局阻并输出，然后输出机站特性；
（4）主程序继续调用MESH-自圈网孔分程序。自圈网孔分程序中再调用AR-排列风阻大小次分程序，输出巷道风阻；
（5）调入MESH-自圈网孔分程序后，判断是否计算初始风量，若直接输入初始风量，主程序直接继续调入风量迭代分程序；若需要程序计算自动计算初始风量，则需要调入IQC-初始风量分程序，直到风量迭代收敛，并输出迭代次数；
（6）主程序调用初始风量迭代分程序后，继续判断是否固定风量巷道数。若不固定风量巷道数，则调入REGC-调节计算分程序计算固定风量巷的调节风压及风阻并输出风阻；若固定风量巷道数，则直接调入HC分程序；
（7）主程序调用调入HC分程序，计算巷道阻力、机站风机风量、风压、效率、总功率，在HC分程序中调入FHED次分程序，进行风机风压、风机特性曲线斜率的计算；
（8）主程序继续调用PC-节点压力分程序，计算网路各节点相对压力，压力结果以绝对气压形式输出；
（9）主程序结束运行。
在图3所示的本发明一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统示意图中，矿井通风系统设置了进风机站1、回风机站2、用风机站3、矿井地面总监控室4。
进风井与图3中三个中段即-50m中段、-100m中段、-150m中段相联通。地表新鲜风流沿进风井下到-50m中段、-100m中段、-150m中段。为了调节各中段风量，在三个中段的进风口、出风口设置了进风机站1、回风机站2，在需风段即用风段设置用风机站3。风机数量、型号可根据多级机站通风网络程序计算后确定。进风机站1、回风机站2、用风机站3串联布置。因为矿井机站及级数的设置以合理分配矿井风阻、提高系统有效风量率、减少内部漏风、节能降耗为原则。进风机站1主要供给矿井或一个区域的新鲜风流，可服务于一个矿井或一个区域的进风。在图3中进风机站1服务于各中段的进风。在回风道上设立矿井回风机站2，排出矿井或一个区域的污风，图3中回风机站2服务各中段的回风。用风机站3主要调节生产区域的需风流，该级机站可服务于一个中段或一个区域。在图3中用风机站3服务于各中段用风。其中，各机站之间根据通风线路的不同可并联布置多级通风机站。-50m中段的AB、ＩC、HD段为均为用风分风风路，在HD段通风线路上存在漏风点E、E’,即存在漏风线路EFGE’。在漏风点EE’前、中、后分别设置一级通风机站，使得漏风点E、E’风压相等，即保持EFGE’漏风量为零，在AB、ＩC段出风口分别设置用风机站3。在-100m中段、-150m中段无漏风风路的线路上，在用风段的出口设置一级用风机站3。经用风机站3后的污浊空气经回风机站2，沿回风井排出地表。为了加强多级机站通风系统的管理，在矿井地表建立矿井地面总监控室4，对井下多机站多风机进行远程集中控制，实现井下通风系统实时动态监测监控。
Claims (2)
1.一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统，在矿井进风段设置进风机站（1），在回风段设置回风机站（2），在用风段设置用风机站（3），在矿井地表设置了矿井地面总监控室（4），其特征在于采用以下技术方案：
1）开发多级机站通风网络解算程序，进行通风系统通风阻力、机站风机风量、风压、效率、总功率的数值计算；所述的多级机站通风网络解算程序由5个数据文件，1个主程序，7个分程序，3个次分程序组成：
5个数据文件：文件1-风机参数数据文件，文件2-机站参数数据文件，文件3-网路参数数据文件，文件4-巷道风阻数据文件，文件5-自然风压数据文件；
1个主程序；
7个分程序：机站特性分程序，自圈网孔分程序，初始风量分程序，风量迭代计算分程序，调节计算分程序，计算巷道、风机、机站参数分程序，计算节点压力分程序；
3个次分程序：机站局阻计算次分程序，排列风阻大小次分程序，风机风压及风机特性曲线斜率计算次分程序；
程序总体运行时按照设计要求，选择性打开5个数据文件，选择性调用7个分程序、3个次分程序，可得到通风网络下通风阻力、巷道风量大小、巷道风阻、节点绝对压力、机站及机站风机效率、风量、风压、功率参数分布；程序具体运行如下：
（1）首先启动主程序，开始程序运行，分别打开文件1-风机参数数据文件、文件2-机站参数数据文件、文件3-网路参数数据文件，然后判断是否输入巷道风阻，若需要输入则打开文件4-巷道风阻数据文件，否则直接判断是否考虑自然风压；若需要考虑自然风压，则打开文件5-自然风压数据文件；
（2）继续在主程序中输入机站风机类型、并联风机数及闸门开闭情况，主程序自动输出风机各参数；
（3）继续调入机站特性分程序，判断是否直接输入机站局阻，若需要程序计算机站局阻，在机站特性分程序中调用机站局阻计算次分程序，计算机站局阻并输出，然后输出机站特性；
（4）主程序继续调用自圈网孔分程序，网孔分程序中再调用排列风阻大小次分程序，输出巷道风阻；
（5）调入自圈网孔分程序后，判断是否计算初始风量；若直接输入初始风量，主程序直接继续调入风量迭代计算分程序；若需要自动计算初始风量，则需要调入初始风量分程序，直到风量迭代收敛，并输出迭代次数；
（6）主程序调用初始风量迭代分程序后，继续判断是否固定风量巷道数；若不固定风量巷道数，则调入调节计算分程序计算固定风量巷的调节风压及风阻并输出风阻；若固定风量巷道数，则直接调入计算巷道、风机、机站参数分程序；
（7）主程序调用调入计算巷道、风机、机站参数分程序，计算巷道阻力、机站风机风量、风压、效率、总功率参数，在计算巷道、风机、机站参数分程序中调入风机风压及风机特性曲线斜率计算次分程序，进行风机风压、风机特性曲线斜率的计算；
（8）主程序继续调用节点压力分程序，计算网路各节点相对压力，压力结果以绝对气压形式输出；
（9）主程序结束运行；
2）机站级数和位置确定
对全矿通风系统，根据风流线路可分为进风段、用风段、回风段三段；在进风段、用风段和回风段内分别设置一级通风机站，每级机站可有一个或若干个并联机站组成，每个机站可并联安装1～3台风机，各级机站之间串联；对于通风系统内部漏风点，必须在与漏风点相通的通风线路上前、中、后各设置一级通风机站；对外部漏风点，在进风段、回风段设置通风机站，使得外部漏风点为零压；
3)风机选型与风量调节
多级机站安装的扇风机选用中低压轴流扇风机；用风区域选用没有明显驼峰区的扇风机；对于风量固定的机站使用单台风机，需风量变化较大的机站采用2～3台风机并联；多风机台并联采用同型号、同尺寸、同转数的扇风机联合运转；
根据风机频率与风机转速、风机风量、风机功率关系，通过调节风机频率以改变风机转速，达到改变风机排风量及风机能耗；采用变频调速器电机转速可从0－N r/min任意调控，其中N为风机额定最高转速；
4）建立多级机站远程集中监控系统和井下大气环境在线监测系统
在矿井地表设置的矿井地面总监控室4中建有多级机站远程集中监控系统和井下大气环境在线监测系统，并与井下机站、风机及通风环境相联系。
2.如权利要求1所述的一种高效节能的矿井多级机站通风监控技术系统，其特征在于：所述的多级机站远程集中监控系统可实现对井下进风机站、回风机站、用风机站风机启停进行远程控制、风机变频调速以及系统反风，对风机运行状态、风机风量风压、电机轴承温度、功率因素的实时监测；所述的井下大气环境在线监测系统对对井下通风环境包括空气温湿度、风速、风压、有毒有害气体的实时在线监测。
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