通风系统可靠性分析

矿井通风的基本任务是供给矿井新鲜风量，以冲淡并排出井下的毒性、窒息性和爆炸性气体和粉尘，保证井下风流的质量（成分、温度和速度）和数量符合国家安全卫生标准，创造良好的工作环境，防止各种伤害和爆炸事故，保障井下人员身体健康和生命安全，保护国家资源和财产。矿井通风系统可靠性理论研究，主要是针对该领域中存在的一些问题而提出的，其目的是为了提高矿井通风系统的可靠性水平，降低通风系统的建设和维护成本，防止和减少灾害事故发生，保障矿井高产高效的实现。因此，对矿井通风系统可靠性的研究有着十分重要的意义。

矿井通风系统可靠性是指在矿井生产期间，保持系统中各用风单元所需风流稳定的工作能力。如果丧失其工作能力，就可称做故障。具体来说，矿井通风系统的可靠性包括以下内容：

（1）在生产时期，利用通风动力，以最经济的方式向井下各用风地点供给符合《煤矿安全规程》要求的新鲜风流；

（2）保障作业空间有良好的气候条件；

（3）冲淡或稀释有毒有害气体和矿尘；

（4）在发生灾变时，能有效、及时地控制风向及风量，并与其他措施相结合，防止灾害的扩大，进而消灭事故。

5．5．1　风路可靠性分析模型

研究矿井通风网络中某条风路的可靠性时，不仅要考虑该风路的风量是否在合理范围内，还应同时考虑该风路的粉尘浓度、温度、有毒有害气体浓度等指标是否在合理范围内，即该风路风流的数量和质量同在规定的范围内时，才能说该风路是可靠的。

根据上述分析，从通风的角度，风路的可靠度可以定义为：在某一稳定状态S（t）下，在规定的时间内第i条风路的风量值Qi能够保持在一个合理区间范围之内即Qi1≤Qi≤Qi2且风流的质量满足《煤矿安全规程》要求的概率，称为这一风路的可靠度，记为Rr。其中Qi1、Qi2的值和风流质量相关参数由约束条件A来确定。

约束条件就是风路风流发生失效的边界条件，约束条件完全按照《煤矿安全规程》来确定。只要风流的数量和质量符合《规程》的规定，那么从通风的角度来讲，该风路就是可靠的。具体地说，包括以下四种因素：

（1）风速；

（2）有毒有害气体浓度（瓦斯、二氧化碳、氢气、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢和氨气）；

（3）温度；

（4）煤尘、粉尘浓度。

这四个方面只要有一方面不能满足《煤矿安全规程》的规定，风路就会失效；只有这四个方面同时满足《煤矿安全规程》的规定，风路才是可靠的。《煤矿安全规程》所规定的极限风速和矿井有毒有害气体最高允许浓度如表5－1和表5－2所示。

表5－1　《煤矿安全规程》规定的极限风速

表5－2　《煤矿安全规程》规定的矿井有毒有害气体最高允许浓度

瓦斯、二氧化碳和氢气的允许浓度在《煤矿安全规程》中也都有详细规定。

关于温度的规定，在《煤矿安全规程》中规定：进风井口以下的空气温度（干球温度，下同）必须在2℃以上。生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业。

用Q1、Q2分别表示风路风量Q所保持的合理区间边界风量，边界风量主要取决于通风网络的各种通风参数如风速、温度、煤尘与粉尘浓度以及有毒有害气体浓度等。基于约束条件的Q1、Q2值的计算方法为：

式中：v1——风速下限（m／s）；

　　　v2——风速上限（m／s）；

　　　S——断面面积（m2）。

用R表示风路的可靠度，其计算公式为：

式中：Q——风量（m3／s）；

Q1——最低边界风量（m3／s）；

Q2——允许最高边界风量（m3／s）；

Ck——有毒有害气体浓度（%）；

Ck2——有毒有害气体的最高浓度（%）；

nc——有毒有害气体种类；

T——温度（℃）；

T1——最低温度（℃）；

T2——最高温度（℃）；

Dk——粉尘的浓度（mg／m3）；

Dk2——粉尘最高允许浓度（mg／m3）；

nd——粉尘种类，取nd＝3。

风路中的风流不满足约束条件称为风路的风流失效，风路风流失效引起的原因是多种多样的，有可能是自身风阻变化引起的，有可能是其他风路风阻变化引起的，有可能是瓦斯涌出引起的，有可能是自然风压、火风压引起的，有可能是风机工况变化引起的，也有可能是上述各种原因综合引起的。对于某一风路的风流失效要结合实际情况具体分析。另外一种失效是风阻失效，如巷道断面缩小、堆积杂物、过车、通风构筑物破坏等具体体现在其所在巷道的风阻变化上，即其所在巷道风阻发生失效会导致自身甚至其他风路风量的变化乃至风流失效。在矿山实际生产过程中，如果已知矿井的供风质量满足要求，只需研究风流大小波动对风路可靠性的影响时，可用公式（5－38）计算风量的可靠度。

5．5．2　通风构筑物可靠性分析模型

矿井通风构筑物的数量和质量对井下生产、安全的影响很大。通风构筑物主要有风门、风窗、风墙、风帘、风桥。如果按其作用不同可以分为三类，第一类是用于隔断风流的构筑物，如井口密闭门、风门、风墙等。对于这类构筑物，要求结构严密、坚固、漏风少；第二类是用于通过风流的构筑物，如扇风机风硐、反风设施、风桥等，这类构筑物要求其风阻小、漏风少；第三类是用于调节和控制通过的风量，如调节风窗。在对通风构筑物的可靠性评价时要求：风门的允许漏风率小于3%，风桥漏风率小于1%，风墙基本不漏风。通风构筑物是通过调节风阻来控制风流大小的。对于不同的构筑物，衡量其可靠性的方法也不相同。具体的可靠性方法如下：

（1）隔断风流类。包括密闭门、风门、风墙等在内的构筑物目的是为了截断通过巷道的风流，尽可能地阻止风流通过，减小漏风量，可以确保构筑物具备较高的可靠性。这类构筑物的可靠性代表了其隔断风流的能力，用R代表可靠度，其计算方法为：

式中：Q1——隔断风流类构筑物的漏风量（m3／s）；

　　　Q2——隔断风流类构筑物入风侧设计风量（m3／s）。

对于截断风流的通风构筑物，在通风构筑物设计时希望其漏风量为零，但由于在施工过程中的误差、选材的差别等各种因素的影响，新建成的截断风流的构筑物肯定有一定的漏风，其值可以通过现场实测得到。对于一个新建成的截断风流的构筑物i，其可靠度Rgi（0）可以表示为：

由于通风构筑物在使用过程中，随着其使用时间t的增长，不断受到外部环境及本身逐渐老化等因素的影响，在经过再次维修之前，其漏风量会逐渐增加。

在t时刻该构筑物的漏风量可以评估为：

式中：ξLi（t）——与截断风流的通风构筑物在使用期内的经历有关的系数，ξLi（t）≤1。

（2）通过风流类。在井下设置扇风机风硐、反风设施、风桥等这类构筑物的目的是为了尽可能地通过风流。因此与隔断风流类构筑物相反，通过风流类构筑物的可靠性代表了其顺利通过风流的能力，如果风流通过之后风量的损失较大，表明该构筑物的可靠性较差。用R代表通过风流类的可靠度，其计算方法为：

式中：Q1——通过风流类构筑物入风侧的风量（m3／s）；

　　　Q2——通过风流类构筑物出风侧的风量（m3／s）。在设计风流通过通风构筑物时，总希望风流在通过该类构筑物时的损失最少。但由于构筑物在施工过程中的误差，新建成的构筑物在风流通过的过程中总有一定损失，即：

其风量损失为：QLi（0）＝Qi1（0）－Qi2（0），在下次维修之前，随着构筑物使用时间t的增长，QLi（t）逐渐增大，QLi（t）数据可以通过现场实测得到，也可以按下式评估得到。

式中：λLi（t）——与通过风流的通风构筑物在使用期内的经历等因素有关的系数，λLi（t）≥1。

（3）调节与控制类。通过调节风窗的调节与控制，可使通过它的风量与设计要求的一致。因此，风窗等调节与控制类构筑物的可靠性表示其参与调节与控制后，通过的风量达到与设定风量一致程度的能力。用R代表可靠度，调节与控制类构筑物的可靠度计算方法为：

式中：Q1——通过调节与控制类构筑物的风量（m3／s）；

　　　Q2——通过调节与控制类构筑物的设计风量（m3／s）。对于通风构筑物系统而言，其功能就是要保证各用风点的用风需求。通风构筑物的可靠性程度对风流的稳定性有很大影响，如有些矿井风门漏风严重，根本起不到隔断风流的作用，这样它的可靠性就比较差，自然会引起风流的波动，影响风路中风流的稳定性，在少数情况下会造成风流静止甚至反向。对于像风桥这类通过风流的通风构筑物而言，设计时不但要考虑尽可能减少漏风，还要考虑尽可能采用减小其局部阻力的措施。因此，对于通风构筑物要加强管理，这样就可以提高其可靠性。

5．5．3　通风网络稳定性分析模型

矿井通风网络稳定程度的影响因素有多种，主扇的布置、风压的大小、通风网络结构等都会影响通风网络稳定。而局部地区、采区的风流稳定性，主要受局部或采区通风系统条件的影响。风流稳定性基本判别方法如下：

设某一风路的风阻为R，当该风阻产生增量ΔR时，将会对同一网络中其他风路的风量Q产生影响。下式中：

f（Q）的大小就反映了对同一网络中其他风路的风流稳定的影响程度。

令

式中：Q——风阻R没有增量时，其他风路的风量值；

　　　Q′——风阻R存在增量时，其他风路的风量值；

　　　f（Q）——风阻R存在增量时，其他风路风流稳定程度系数；

　　　n——网络中的分支数。

可根据f（Q）的大小来判断某一风路风阻变化时对同一网络中其他风路风流稳定的影响程度。f（Q）的值越接近1，说明其他风路的风流越稳定；另外，当用风点的风量具备可允许的变化区间时，风量的变化使得f（Q）同样落在可以允许的区间内，同样能够说明其他风路的风流比较稳定；f（Q）以负值形式出现，则Q与Q′所代表的风流方向相反，表明产生风阻增量时对其他风路风流造成了较大的影响，说明其他风路稳定程度较差。

5．5．4　通风系统可靠性分析图

通风系统可靠性分析程序流程如图5－8所示。

图5－8　通风系统可靠性分析流程图