礦井通風仿真及其改擴建通風方案研究

李 博，馬云東，崔鐵軍

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000;2.大連交通大學 隧道與地下結構工程技術研究中心，遼寧 大連 116028)*

0 引言

井下通風系統是保證礦山安全生產的重要系統之一.特別是對于礦井的改擴建工程，通風系統要與改造工程是“三同時”的，那么在改造前就要對現有的通風系統進行分析，并對擬改造部分的通風系統進行前期設計.針對可能的礦井改擴建方案在通風方面進行有效性分析，以滿足開采的最基本要求“以風定采”.

目前關于礦井通風模擬的研究主要有:李宗翔等［1-2］對采煤工作面雙向突源災變通風系統進行了仿真研究，同時也對突出瓦斯流與礦井通風系統耦合移動進行了仿真;王海寧等［3］基于三維仿真研究并的優化了礦井通風系統;陸秋琴［4］使用LBM對集中涌出瓦斯在通風網絡中運移進行了仿真;彭家蘭等［5］仿真并應用了礦井通風三維系統;馬斌等［6］設計并實現了礦井通風三維仿真系統;陳功勝［7］研究了潘一礦西翼通風系統的調整;張園園等［8］基于可拓數學優化了礦井通風系統.上述研究在理論上有一定創新，但是應用于實際井下復雜網絡結構通風系統的分析，在構建系統的自動化、集成化和多通風方案必選和制定方面存在不足，如拓撲關系自動建立與管理、迭代計算及收斂自然風壓等［9-10］.

針對上述問題，本文使用MVSS模擬了該礦現有通風系統的性能，并分析了模擬的正確性.對于該礦將要進行的改建擴建工程，分析了四種方案的通風性能.

1 煤礦概述

1.1 地理概況

五龍煤礦位于阜新煤田的中部，距離阜新市西南10 km，交通便利，西北5 km處有錦阜公路通過，井田東北距阜新火車站3.5 km，新義鐵路線與礦區專用線相連接.

地理坐標為:經度121°3＇10″，緯度41°57＇55″.礦井地面標高 +173.5 m，井田面積12.337 2km2，傾斜長4.5 km，平均走向長2.74 km.中生界侏羅紀上統阜新含煤組為井田內主要含煤地層，長焰煤為主要煤種.各主采層賦存穩定，主開采煤層自下而上共計四個，分別為太平下層群、太平上層群、中間層群、孫家灣層群.井田內侵入斷層和火成巖墻(床)，高德向斜軸和王營向斜軸在本井田通過，因此地質構造復雜.礦井無含水層，裂隙水和采空區積水是礦井涌水的主要來源，水文地質簡單.礦井開拓方式為立井多水平開拓.礦井共分為三個水平(-215水平、-365水平、-600水平)，目前生產水平為三水平(-600水平).礦井主系統共有三條井筒，即主立井、副立井和西砂井，其中副井可直達-600水平.

1.2 礦井生產情況及通風系統

該煤礦為中央并列式通風方式.全礦有入風井口兩個，分別為:西沙井、副井;排風井一個為主井.主扇型號為GAF28-17-1型，額定功率為1000 kW，額定風量101 40～12 498 m3/min.按照由里向外核算法進行計算，核定2008年礦井生產能力(按通風能力核定)為260萬噸.

礦井主要存在的通風問題:雖然實際入風大于礦井所需風量，但由于部分巷道局部阻力較大，通風不夠合理，出現集中用風量不足現象;同時，隨著礦井改擴建進程的快速推進(如礦井新工作面形成、東西翼互聯、現有通風系統與劉家區同時投產等)，礦井通風系統通風能力和通風狀況可能出現的動態變化等.

2 礦井通風仿真系統構建

2.1 仿真基本系統的建立

利用DXF格式文件轉換生成仿真系統圖.在AutoCAD系統下，對礦井的通風系統圖進行描繪.具體步驟見文獻［11］.將礦井通風系統圖的CAD另存為 DXF文件格式.然后利用 MVSS3.1，將DXF文件生成系統圖如圖1所示.

圖1 利用DXF格式文件生成仿真系統圖

由于測點較多，需要采用統一的命名規則，以便于對測試數據的查詢、識別和處理.例如測阻時，用英文字母順序排列作為皮托管兩端的測點標號，即以“1D”開頭作為第一天的測點標號，以“2D”開頭作為第二天的標號，以“3D”開頭作為第三天的標號，以此類推.風窗、風門、節點處用數字表示.詳見測點布置圖，如2所示.

圖2 該礦測點布置圖

根據實際數據構造的通風系統，在進行模擬前要對系統網絡進行檢測，判斷構造的正確性.具體包括:①核實進、回風井的位置、流量等相關信息;②進行網絡拓撲正確性的檢查，檢查仿真后的拓撲結構是否與目標通風系統相符;③檢查網絡拓撲中是否存在單向回路，以免計算進入循環狀態;④檢查網絡拓撲的連通性，保證網絡中元件是聯通的，不能出現孤島.

在進行模擬前要收集、整理并確定系統的初始參數.MVSS 3.1中的主要參數有風機參數、節點參數(包括節點名稱、大氣壓、節點標高等，構筑物數據包括構筑物名稱、測試壓差等)、巷道參數(包括密度、長度、百米風阻、風量、支護形式等).

2.2 仿真風場系統的建立

通風系統仿真就是根據目標通風系統的拓撲構造，使用多個不同類別的單元(如井巷、風機、構筑物等)，對目標通風系統的模擬，并實現在特定工況下構建系統與目標系統的特性一致，進而用以分析目標系統在其他工況下表現出來的特征.MVSS 3.1模擬要設置最終達到的平衡狀態，當然只是相對的平衡，即要設置一個誤差精度.這里需要進行設置的有風壓迭代精度、風量迭代精度、相對迭代精度和排序次數.

按需調節是以用風點的實際需風量為基礎對礦井通風網絡結構進行相關調節的.它是基于人決定的風量分配方法，對于這種風量調節的實現只能通過對網絡拓撲進行調整實現.對于新井的通風系統設計和老井通風系統的改造，風量的分配通常是先將需風點的風量固定，然后再由里向外進行分配模擬.

另一種風量調節的方法是增阻調節，它的調節對象是回風井，有兩種調節方式:一是逐個調節，每次針對一個回風井進行調節;二是采用迭代方法，每次對部分或全部回風井進行調節.對某一回風井的調節，其調節次序的單位是通路.調節之前給出該通風井的回路信息，包括:當前調節量，即當前最大阻力路線阻力與當前調節通路阻力之差;當前調節通路阻力，即當前正在調節的通路阻力值.

該煤礦的現礦井生產是“三進一回”格局，主井是唯一回風井.設主井為當前回風井，根據實際工況仿真拓撲得到的通路阻力和風洞測試負壓分別為2 440和2 386 Pa;絕對誤差和相對誤差分別為 14 Pa 和0.5868%［11］.可見相對誤差很小，說明該仿真風場系統與現場測試的通風現狀是匹配的，用于方案的模擬是可靠的.

3 礦井通風現狀的模擬

3.1 分析問題

現場井下測試為該礦提供了準確可靠的通風系統基礎數據資料，并繪制了礦井通風系統示意圖和通風仿真系統文檔.

通過測試發現并指出了礦井斷面較小、通風阻力較大的巷道，為礦井巷道修復減阻指明了具體位置.

(1)332回風下山的108節點處有堆積物，三水平東軌道巷兩處冒頂、斷面小;2218回順有12000×750木垛;三水平軌道上山(測點5D9～5D10)斷面變化大;;3322運順有大量雜物(測點5D21～5D22);331運煤上山(測點5D25～5D26)存在風速超限的小斷面;-365延伸上山出現部分冒落(測點6D5～6D6)，應及時清理回風井底堆積的碎石及堆積物，擴大斷面等措施.

(2)局部地段巷道出現了嚴重變形，部分巷道嚴重失修.由于個別巷道積水過多，導致局部風阻增大過多，通風不暢，其中-365水平情況最嚴重，如-365延伸上山有水流，-365運輸大巷(測點6D13 ～6D14)有 0.3 ～0.4 m 水流，-365掃泥道(測點6D3～6D4)有0.3 m水流.

因此，應加強對這些巷道的檢查，進行必要的修復減阻工作，降低礦井總通風阻力，保證礦井正常的生產接續.

3.2 仿真系統誤差驗證

原始數據測量的礦井通風系統如圖3所示.

圖3 測量數據通風系統仿真圖

此時3322風道并未貫通，測量數據結束后該巷道及3223工作面形成.錄入數據后的仿真系統以3223工作面形成為參考依據，進行現場通風系統仿真系統的驗證，具體驗證步驟為:①332新軌道上山貫通;②332邊界上山貫通;③3322東回順貫通;④3223回順貫通;⑤3223運順貫通;⑥3223工作面形成;⑦3322集中皮帶道貫通;⑧3322瓦斯道形成.從而形成現有井下通風系統，如圖4所示.

仿真系統模擬后，3322東回順模擬風量6.8 m3/s，方向自東向西，332新軌道模擬風量12.58 m3/s，回風井總回風量 165 m3/s，總風壓2828 Pa，與現場實際比較誤差均小于10%，仿真模擬成功.

圖4 現有通風系統仿真圖

4 改擴建通風系統改造方案研究

通風系統的改造方案應考慮現有系統的實際情況、應災變能力和新舊采區的轉移情況，同時符合集團對礦井改擴建的整體規化要求，達到改善當前的通風環境的目的.根據礦井改擴建進度，提出了通風系統改造方案，具體如下.

(1)方案1:3322運順貫通后的礦井通風狀況仿真

3322運順貫通，3322集中皮帶道新增風門一個，控制風量6.8 m3/s(原有風量19 m3/s);

通過仿真系統軟件的解算模擬后得出:3322運輸順槽貫通后的模擬風量8.34 m3/s，回風順槽的模擬風量 7.48 m3/s.此時，礦井總風壓2868Pa，表明對其它巷道影響不大.從而得出方案1可行的結論.

(2)方案2:-600東西互聯道形成，332開采面采用西翼回風時通風狀態仿真

①-600東西互聯道東側撤除風門;②322回風水平撤除風門;③2218回風下山增加風門;④三水平軌道撤除風門;⑤332巖石皮帶上山通路封閉;⑥332回風上山增加風門，并控制風量到30m3/s.

解算模擬后得出:方案2中，東西軌道總風量大體無變化，總風壓下降50 Pa，采區內3322東風回順風向調向，現風向自西向東，風量1.4 m3/s，排風量較小.

(3)方案3:-600東西互聯道形成，332開采面采用東翼回風時通風狀態仿真

①3322專用回風道貫通;②2218采區封閉;③331聯絡道貫通;④3312專用回風上山封閉;⑤3322集中皮帶道撤風門;⑥332軌道下山增加風門;⑦-600東一石門南北側各撤一風門;⑧-600東一石門回風變入風.

模擬得方案2與方案3比較，332由東區回風時，東西互聯道通風系統正式形成，相對較合理;東西互聯道由東向西排風，排風量18.27 m3/s，風壓2595 Pa.因此第3方案較第2方案更趨合理.

(4)方案4:鋼帶機道進風變回風

①鋼帶機回風聯絡道貫通;②鋼帶機下頭聯絡道新增風門，控制風量3.2 m3/s;③231運順聯絡道新增風門，控制風量3.1 m3/s;④三水平軌道上山新增風門，控制風量41.6 m3/s;⑤2.5 m 絞車房回風新增風門，控制風量2.8 m3/s;⑥銅帶機上段新增風門，控制風量4.018 m3/s;⑦梯子間新增風門，控制風量2.98 m3/s;⑧撤風門10、風門28及風門7.

該方案由于增加幾組風門，增加了漏風量，從而導致采區內部有效風量減小，3322采區風量由原來的 24.5 m3/s減少到 22.106 m3/s，下降了2.4 m3/s.因此該方案所起的效果不明顯.

5 扇風機改造

根據該礦達產300萬噸各用風地點所需風量:礦井按各采煤、掘進、硐室及其它巷道總需風量如下所示.

其中，∑Q采、∑Q掘、∑Q峒、∑Q其它分別為采煤工作面、掘進工作面、硐室及礦井除了采、掘、硐室地點以外的其它巷道實際需要的風量和;K通為礦井通風系數.各項參數取值分別為:

Q礦通=18 000 m3/min;

∑Q采=1 869 m3/min;

∑Q掘=3 470 m3/min;

∑Q峒=450 m3/min;

∑Q其它=1 752 m3/min;K通=1.2

仿真系統可以通過實際總需風量模擬仿真系統并算出總風壓(按現有系統仿真)，總負壓為8895 Pa，總風量300 m3/s.工況點如圖5所示.

圖5 主要通風機特性曲線及工況點圖

從以下新的風機特性曲線圖可看出工況點風壓偏高在90%以上，效率在60%以下，西砂井主扇改造后增風能力與礦井達產300萬噸后無法匹配，因此沿程阻力比較大，必須擴大巷道斷面以減小阻力.

6 結論

通過MVSS對阜新某礦進行了通風仿真系統的構建、對通風現狀進行了模擬并針對礦井改擴建提出了優化方案，在此基礎上得出以下主要結論:

(1)通過系統仿真，基于現有通風系統風流狀況，摸清了該礦現有通風系統斷面較小，通風阻力較高、風阻較大的巷道;同時找出了通風阻力大的原因，建議綜合經濟、技術合理性等方面的考慮，通過采取擴大斷面、清理和維護巷道等措施著手降低相應巷道的阻力;

(2)基于通風系統改造設想，針對礦井改擴建的不同階段，提出了四個仿真模擬方案，給出了各方案實施風流調控建議，并進行了具體分析與論證;

(3)模擬了礦井通風系統改造對主扇工作能力的需求，得出西砂井主扇改造后增風能力與礦井達產300萬噸后無法匹配的結論.

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