第五章 矿井通风网络中风量分配与调节

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第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的一个复杂系统。用图论的方法对通风系统进行抽象描述,把通风系统变成一个由线、点及其属性组成的系统,称为通风网络。 第一节 风量分配基本规律 一、矿井通风网络与网络图 (一)矿井通风网络 通风网络图:用直观的几何图形来表示通风网络。 1. 分支(边、弧):表示一段通风井巷的有向线 段,线段的方向代表井巷中的风流方向。每条分 支可有一个编号,称为分支号。 2. 节点(结点、顶点):是两条或两条以上分支的交点。 3. 路(通路、道路):是由若干条方向相同的分支首尾相连而成的线路。如图中,125、1246和136等均是通路。 4. 回路:由两条或两条以上分支首尾相连形成的闭合线路称为回路。 如图中,243、2563和1367。,3,4,2,1,5,1,2,3,4,5,6,7,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,5、树:是指任意两节点间至少存在一条通路但不含回路的一类特殊图。由于这类图的几何形状与树相似,故得名。树中的分支称为树枝。包含通风网络的全部节点的树称为其生成树,简称树。 (二)矿井通风网络图 特点: )通风网络图只反映风流方向及节点与分支间的相互关系,节点位置与分支线的形状可以任意改变。 )能清楚地反映风流的方向和分合关系,并且是进行各种通风计算的基础,因此是矿井通风管理的一种重要图件。 网络图两种类型: 一种是与通风系统图形状基本一致的网络图,如图5-1-3所示;另一种是曲线形状的网络图,如图5-1-4所示。但一般常用曲线网络图。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,绘制步骤: (1)节点编号:在通风系统图上给井巷的交汇点标上特定的节点号。 (2)绘制草图:在图纸上画出节点符号,并用单线条(直线或弧线)连接有风流连通的节点。 (3)图形整理:按照正确、美观的原则对网络图进行修改。 通风网络图的绘制原则: (1) 用风地点并排布置在网络图中部,进风节点位于其下边;回风节点在网络图的上部,风机出口节点在最上部; (2)分支方向基本都应由下至上; (3) 分支间的交叉尽可能少; (4) 网络图总的形状基本为“椭圆”形; (5)合并节点,某些距离较近、阻力很小的几个节点,可简化为一个节点; (6)并分支,并联分支可合并为一条分支。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,二、风量平衡定律 风量平衡定律是指在稳态通风条件下,单位时间流入某节点的空气质量等于流出该节点的空气质量;或者说,流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等于零,即,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,若不考虑风流密度的变化,则流入与流出某节点的各分支的体积流量(风量)的代数和等于零,即: 如图a,节点4处的风量平衡方程为: 将上述节点扩展为无源回路,则上述风量平衡定律依然成立。如图b所示,回路2-4-5-7-2的各邻接分支的风量满足如下关系:,2,1,7,8,3,5,6,图b,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,三、能量平衡定律 假设:一般地,回路中分支风流方向为顺时针时, 其阻力取“”,逆时针时,其阻力取“”。 (一)无动力源(Hn Hf) 通风网路图的任一回路中,无动力源时,各分支阻力的代数和为零,即: 如图,对回路 -6中有: (二)有动力源 设风机风压Hf ,自然风压HN 。 如图,对回路 -2-3-4-5-1中有: 一般表达式为: 即:能量平衡定律是指在任一闭合回路中,各分支的通风阻力代数和等于该回路中自然风压与通风机风压的代数和。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,第二节 简单网络特性 一、串联风路 由两条或两条以上分支彼此首尾相连,中间没有风流分汇点的线路称为串联风路。如图5-2-1所示,由1,2,3,4,5五条分支组成串联风路。 (一)串联风路特性 1. 总风量等于各分支的风量,即 MS = M1 = M2 = Mn 当各分支的空气密度相等时, QS = Q1 = Q2 = Qn 2. 总风压(阻力)等于各分支 风压(阻力)之和,即:,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,3. 总风阻等于各分支风阻之和,即: 4. 串联风路等积孔与各分支等积孔间的关系,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,(二)串联风路等效阻力特性曲线的绘制 根据以上串联风路的特性,可以绘制串联风路等效阻力特性曲线。方法: 、首先在hQ坐标图上分别作出串联风路1、2的阻力特性曲线R1、R2; 、根据串联风路“风量相等,阻力叠加”的原则,作平行于h轴的若干条等风量线,在等风量线上将1、2分支阻力h1、h2叠加,得到串联风路的等效阻力特性曲线上的点; 、将所有等风量线上的点联成曲线R3,即为串联风路的等效阻力特性曲线。,R1,R2,R1+R2,Q,H,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,二、并联风网 由两条或两条以上具有相同始节点和末节点的分支所组成的通风网络,称为并联风网。如图所示并联风网由5条分支并联。 (一)并联风路特性: 1. 总风量等于各分支的风量之和,即 当各分支的空气密度相等时, 2. 总风压等于各分支风压,即 注意:当各分支的位能差不相等,或分支中存在风机等通风动力时,并联分支的阻力并不相等。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,3. 并联风网总风阻与各分支风阻的关系 又 即: 4. 并联风网等积孔等于各分支等积孔之和,即,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,5. 并联风网的风量分配 若已知并联风网的总风量,在不考虑其它通风动力及风流密度变化时,可由下式计算出分支i的风量。 即 ,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,(二)并联风路等效阻力特性曲线的绘制 根据以上并联风路的特性,可以绘制并联风路等效阻力特性曲线。 方法: 、首先在hQ坐标图上分别作出并联风路1、2的阻力特性曲线R1、R2; 、根据并联风路“风压(阻力)相等,风量叠加”的原则,作平行于Q轴的若干条等风压线,在等风压线上将1、2分支阻力h1、h2叠加,得到并联风路的等效阻力特性曲线上的点; 、将所有等风压线上的点联成曲线R3,即为并联风路的等效阻力特性曲线。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,三、串联风路与并联风网的比较 在任何一个矿井通风网络中,都同时存在串联与并联风网。在矿井的进、回风风路多为串联风路,而采区内部多为并联风网。 并联风网的优点: 、从提高工作地点的空气质量及安全性出发,采用并联风网具有明显的优点。 、在同样的分支风阻条件下,分支并联时的总风阻小于串联时的总风阻。 例如:若R1=R2=0.04 kg/m7, 串联:Rs= R1+ R2= 0.08 kg/m7 并联: Rs :Rs: 即在相同风量情况下,串联的能耗为并联的 8 倍。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,四、角联风网 (一)几个概念 角联风网:是指内部存在角联分支的网络。 角联分支(对角分支):是指位于风网的任意两条有向通路之间、且不与两通路的公共节点相连的分支,如图。 简单角联风网:仅有一条角联分支的风网。 复杂角联风网:含有两条或两条以上角联分支的风网。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,(二)角联分支风向判别 原则:分支的风向取决于其始、末节点间的压能值。风流由能位高的节点流向能位低的节点;当两点能位相同时,风流停滞;当始节点能位低于末节点时,风流反向。 判别式(以简单角联为例): 1、 分支5中无风 Q5 = 0 Q1 = Q3 , Q2 = Q4 由风压平衡定律: h1 = h2 , h3 = h4 由阻力定律: 两式相比得: 即 或写为:,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,、当分支5中风向由23 节点的压能高于节点,则 hR2 hR1 即: 即 同理, hR3 hR4 即 又 即: 或写为:,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,、分支5中的风向由32 同理可得: 或写为: 改变角联分支两侧的边缘分支的风阻就可以改变角联分支的风向。对图示简单角联风网,可推导出如下角联分支风流方向判别式:,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,第三节 通风网络动态特性分析 一、井巷风阻变化引起风流变化的规律 1. 变阻分支本身的风量与风压变化规律 当某分支风阻增大时,该分支的风量减小、风压增大;当风阻减小时,该分支的风量增大、风压降低。 2. 变阻分支对其它分支风量与风压的影响规律 1)当某分支风阻增大时,包含该分支 的所有通路上的其它分支的风量减小, 风压亦减小;与该分支并联的通路上的 分支的风量增大,风压亦增大;当风阻 减小时与此相反。 2)对于一进一出的子网络,若外部分支调阻引起其流入(流出)风量变化,其内部各分支的风量变化趋势相同。 3)风网内,某分支风阻变化时,各分支风量、风压的变化幅度,以本分支为最大,邻近分支次之,离该分支越远的分支变化越小。,4,9,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,4)风网内,不同类型的分支风阻变化引起的风量变化幅度和影响范围是不同的。一般地说,主干巷道变阻引起的风量变化幅度和影响范围大,末支巷道变阻引起的风量变化幅度和影响范围小。 5)风网内某分支增阻时,增阻分支风量减小值比其并联分支风量增加值大;某分支减阻时,减阻分支风量增加值比其并联分支风量减小值大。 3巷道密闭与贯通对风流的影响 巷道密闭相当于该分支的风阻增大至,故本分支风量减少到趋近于0;对其它分支的影响规律与分支增阻相同。 巷道贯通时要修改网络图,即在网络图中增加贯通后的分支。风流方向取决于巷道两端点间压能差;对其它分支的影响规律与分支减阻相同。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,二、风流稳定性分析 (一)稳定性的基本概念 稳定性是指当系统受到外界瞬时干扰,系统状态偏离了平衡状态后,系统状态自动回复到该平衡状态的能力。 按照这种稳定性的概念,除非在主要通风机不稳定运行(工作在轴流式风机风压特性曲线的驼峰区)等特殊情况下,矿井通风系统一般都是稳定的。 通风管理中所说的风流稳定性,一般是指井巷中风流方向发生变化或风量大小变化超过允许范围的现象;且多指风流方向发生变化的现象。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,(二)影响风流稳定性的因素 1. 风网结构对风流稳定性的影响 仅由串、并联组成的风网,其稳定性强;角联风网,其对角分支的风流易出现不稳定。 2. 风阻变化对风流稳定性的影响 在角联风网中,边缘分支的风阻变化可能引起角联分支风流改变。 在实际生产矿井,大多数采掘工作面都是在角联分支中。应采取安装调节风门的措施,保证风流的稳定性。 3. 通风风动力变化对风流稳定性的影响 矿井风网内主要通风机、辅助通风机数量和性能的变化,不仅会引起风机所在巷道的风量变化,而且会使风网内其他分支风量也发生变化,并影响风网内其他风机的工况点。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,(三)具体如下: 1) 单主要通风机风网,当主要通风机性能发生变化时,风网内各分支风量按主要通风机风量变化的趋势和比率而变化。 2) 多主要通风机风网内,当某主要通风机性能发生变化时,整个风网内各分支风量不按比例变化。 3) 多主要通风机风网内,即使风网结构和分支风阻不变,当某主要通风机性能发生变化时,由于风网总风量和各主要通风机风量配置发生了变化,因此,各主要通风机的工作风阻与风网总风阻也有所变化。 4) 风网内,某巷道安设辅助通风机后,不仅该巷道本身风流发生变化,其他巷道风流也变化。当某辅助通风机风量增大时,辅助通风机所在巷道风量增加,包含辅助通风机在内的闭合回路中,与辅助通风机风向一致的各巷风量增加,与其风向相反的各巷风量减小。 当辅助通风机风压过高或风量过大时,可引起其并联分支风量不足、停风、甚至反向。引起并联分支风流反向的条件是辅助通风机风量大于回路的总风量或辅助通风机风压大于回路内其同向分支的风压损失。 5) 自然风压引起的风流变化,与辅助通风机相似。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,第四节 矿井风量调节 随着生产的发展和变化,工作面的推进和更替,巷道风阻、网络结构及所需的风量均在不断变化,要求及时进行风量调节。 从调节设施来看,有通风机、射流器、风窗、风幕和增加并联井巷或扩大通风断面等。按其调节的范围,可分为局部风量调节与矿井总风量调节。从通风能量的角度看,可分为增能调节、耗能调节和节能调节。 一、局部风量调节 局部风量调节是指在采区内部各工作面间,采区之间或生产水平之间的风量调节。调节方法:增阻法、减阻法及辅助通风机调节法。 (一) 增阻调节法 增阻调节法是在通过在巷道中安设调节风窗等设施,增大巷道中的局部阻力,从而降低与该巷道处于同一通路中的风量,或增大与其关联的通路上的风量。增阻调节是一种耗能调节法 主要措施:(1)调节风窗;(2)临时风帘;(3)空气幕调节装置等。使用最多的是调节风窗。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,风窗调节法原理分析 如图 ,分支风阻分别 为 R1和R2,风量分别为Q1,Q2。 则两分支的阻力为:h1=R1Q12 h2=R2Q22,且 h1= h2 若分支风量不足。可在 分支中设置调节窗。设调节风 窗产生的局部风阻为R。 (R1+ R)Q12= R2Q22 但增阻后,并联系统总风阻增大。使QQ,由于Q未知,实际计算过程中,假设QQ。已知, R后,可计算调节风窗面积。 使用条件:增阻分支风量有富余。 特点:增阻调节法具有简单、方便、易行、见效快等优点;但增阻调节法会增加矿井总风阻,减少总风量。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,调节风窗开口面积计算: 当 Sc/S0.5 时, 当 Sc/S 0.5 时, Sc调节风窗的断面积,m2;S巷道的断面积,m2;Q通达风量,m3/s;hc调节风窗阻力,Pa;Rc调节风窗的风阻,Ns2/m8;Rchc /Q2。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,(二)减阻调节法 减阻调节法是在通过巷道中采取降阻措施,降低巷道的通风阻力,从而增大与该巷道处于同一通路中的风量,或减小与其关联通路上的风量。 主要措施:(1)扩大巷道断面;(2)降低摩擦阻力系数;(3)清除巷道中的局部阻力物;(4)采用并联风路;(5)缩短风流路线的总长度等。 特点:可以降低矿井总风阻,并增加矿井总风量;但降阻措施的工程量和投资一般都较大,施工工期较长,所以一般在对矿井通风系统进行较大的改造时采用。 (三)增能调节法 增能调节法主要是采用辅助通风机等增加通风能量的方法,增加局部地点的风量。 主要措施:(1)辅助通风机调节法。(2)利用自然风压调节法。 特点:增能调节法的施工相对比较方便,不须降低矿井总风阻,增加矿井总风量,同时可以减少矿井主通风机能耗。但采用辅助通风机调节时设备投资较大,辅助通风机的能耗较大,且辅助通风机的安全管理工作比较复杂,安全性较差。,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,二、矿井总风量的调节 当矿井(或一翼)总风量不足或过剩时,需调节总风量,也就是调整主通风机的工况点。采取的措施是:改变主通风机的工作特性,或改变矿井风网的总风阻。 (一) 改变主通风机工作特性 改变主通风机的叶轮转速、轴流式风机叶片安装角度和离心式风机前导器叶片角度等,可以改变通风机的风压特性,从而达到调节风机所在系统总风量的目的。,R,M1,M2,M3,Q,H,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,(二) 改变矿井总风阻值 1. 风硐闸门调节法 如果在风机风硐内安设调节闸门,通过改变闸门的开口大小可以改变风机的总工作风阻,从而可调节风机的工作风量。 2. 降低矿井总风阻 当矿井总风量不足时,如果能降低矿井总风阻,则不仅可增大矿井总风量,而且可以降低矿井总阻力。,M1,R1,R2,M2,R3,M3,Q,H,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,第五节 应用计算机解算复杂通风网络 目的:已知风网各分支风阻和主通风机的特性,求算主要通风机的工况点,各分支的风量和风向,以便验算各用风地点的风量和风整速是否符合规程要求。 原理:依据风量平衡定律、风压平衡定律、阻力定律 方法:回路法 假设风网中每一回路内各分支的风向和风量开始,逐渐修正风量,使之满足风压平衡定律。 节点法 假设风网中每一回路内各分支节点压力值开始,逐渐修正压力分布,使之满足风量平衡定律。 一、改进的斯考德恒斯雷试算法回路法 回路风量:把风流在风网中的流动看成是在一些互不重复的独立的闭合回路中各有一定的风量在循环,这种风量称为回路风量。 如图:回路:ABDEF(风量q1)、BCDB(q2)、DCED(q3) 独立分支:只属于一个回路的分支。反之,为非独立分支。且满足:独立分支(M)分支总数(B)节点数(J) 如:BC、CE、 EFAB独立分支, BD、DE、CD非独立分支,第五章 矿井通风网络中风量分配与调节,基本思路:初拟风网中各回路风量 (如q1 q2 q3),使其满足风网中节 点风量风量平衡定律,然后利用 风压平衡定律对其逐一进行修正, 从而得各分支假设风量,经把迭 代计算修正,各回路风压逐渐趋 于平衡,这样各分支风量逐渐接真实值。 回路风量修正值(Q): 回路中各分支阻力代数和,当分支流向与回路流向一致时,取“”,反之,取“”。 当回路中有 Hf 和 Hn 时: 故分支风量为
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