動態管理模型監測技術在通風系統中的應用

寧玉淼

(山西焦煤霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200)

1 前言

礦產資源的迫切需求和采礦技術的發展使得越來越多的大型企業進行深度開采，以便獲取足夠的礦產原料。但是，原礦井通風系統難以滿足深度開采的需求，新通風系統面臨著風流短路、風量不足、調控效率低等多種問題。針對此問題，相關專家和學者進行了研究。黃俊歆、鐘德云等從通風網絡結算的角度為通風系統的有效解算提供了理論支撐[1-2]；劉成敏、孫世彪、程子華等從通風網絡的設計方案、通風回路角度對礦井的通風網絡進行了優化[3]；何敏、吳兵借助現有的通風網絡軟件對通風系統進行了三維仿真，以便進行更加精準地管理[4-5]；周志揚等對擴改鐵礦的通風系統的方案進行對比分析，提升了原系統的通風效果[6]。基于前人的研究，本文將通風節點、風路、巷道、風機等封裝到一起，形成動態管理模型，對通風系統的各個部分進行監測，將監測值與通風軟件的解算值進行比較，當差異較大時，進行及時預報，以便減少礦井損失，確保深度開采施工安全。

2 工程概況

現某大型礦山企業的一個礦井通過深度開掘的方式將生產能力從120萬t/a提升到250萬t/a，主要的開拓方式包括豎井、斜井和斜坡道。由于上部巖層的破斷，東部不再向下掘進，西部則進行深度擴展。此背景下，受自然風壓的影響，深度復雜通風系統難以進入新鮮風流，工作面污風難以及時排除，給深度開采工作帶來極大挑戰。

經過現場調查和測定，礦井的通風網絡比較復雜，深度的中段、斜坡、豎井十分多，工作面分布比較分散，單靠原有通風系統難以輸出足夠風量，更無法有效地進行風流調控；井下運輸設備、固定設施占用了風機安裝的最佳位置，甚至部分區域難以進行風流調控；主通風機裝置的進風量不夠，容易受到自然風壓影響，損失率比較高。為此，需要針對礦井的實際進行制定可行性通風網絡方案，實現礦井內部進出風的良性循環。

3 礦井通風網絡設計方案

根據現有的通風網絡，對礦井深度開掘部分進行設計。考慮到通風網絡的變化和通風系統的成本，決定在原有通風網絡上進行改進，增加接入節點，適應通道的掘進變化。通風網絡設計將全面衡量礦井的科學性和承載力，確保既不浪費資源，又能夠滿足各工作面的需求。

將礦井的結構進行簡化，通風網絡如圖1所示。鑒于現有的通風系統難以滿足整個礦井的通風需求，對通風網絡進行改進。首先，在西回風井、副井的聯絡道上分別安裝風門，讓副井、西回風井形成獨立的通風回路，滿足這一部分的風量需求；然后，在200m中段為主箕斗井聯絡道提供風機，用于補充西風井的回風作用；最后，在東回風井添加風機，滿足這一區域的風量需求和調配。除此之外，考慮到自然風壓、溫度、大氣壓的因素，在主要的交叉口布置多功能空氣幕和風門，加強對分流的調控水平，防止出現新鮮空氣段路和污氣循環。

圖1 礦井通風網絡示意圖

這一方案充分考慮了通風總量、通風管理和工程耗費。一方面不必再挖掘斜井進行連通。另一方面通過風機、風門和空氣幕將復雜的區域劃分為多井、多層的相對獨立通風結構。在后期的動態管理模型中，可以較為獨立的控制各個層次的通風狀態。這為礦井工作面的向前推進提供了良好的安全保障。

4 動態管理模型監測技術

4.1 通風系統的相關參數

通風系統內的各項參數是動態模型創建的基本要素，關系到解算的速度和精準度。礦井的實際結構更加復雜、工作面數量較多，需要深入其中進行全面測定。通風系統的參數主要分為5大類：通風機參數、構筑物參數、網絡參數、工作面參數、環境參數。這些參數的具體內容見表1。根據這些參數不僅可以計算出各部分的風量、風壓，還能夠在動態管理模型中對方案的效果進行預判。

表1 通風系統的相關參數列表

4.2 回路風量解算方法

回路風量法是目前進行風網解算的主流方法，具有容易實現、收斂速度快的優點。鑒于本礦井的網絡復雜，回路比較多，容易出現誤判或回路復雜化。因此，優化BFS生成樹，實現雙通路法解算，提高解算的效率和精準度，其算法過程如圖2所示。

圖2 最優回路BFS算法圖

從圖2可知，找到通風網絡的一個初始節點，沿著初始節點進行層次劃分和排列。首先，從判斷初始節點的關聯分支數，為分支排列順序、設定等級；然后，在以各個分支為起點，再進行層次劃分和排序，為第二層分支設定順序和等級；最后，每個分支都劃分到最終的節點，整個訪問結束。在進行回路解算的過程會按照不同的層次和等級設定對應的權重，進而實現精準地風量、風壓模型分析。

4.3 動態管理模型創建和可視化

在設計好通風網絡方案、測定好各項參數、確定好解算方法后，將這些內容封裝到一起形成較為獨立的結構，在計算機的快速解算下成為動態管理模型，用于對礦井通風情況進行實時監測。

首先，基于SQL Server建立動態管理模型的數據庫，將包括節點、風路、風機相關參數在內的所有數據輸入其中；然后，借助優化BFS生成樹，對各個節點的風量進行解算。在動態管理模型的創建和設計中，將軟件解算的模擬值與測定的實際值進行比對。如果二者的誤差大于10%便會發出預報，若不大于10%便會根據多次測定的數據，進行解算參數的調整，動態管理模型的處理流程如圖3所示。

圖3 動態管理模型的處理流程

在此動態管理模型中，通過設定判斷誤差范圍來調節解算參數，使軟件的解算能夠得到增強。操作員可選擇不修改參數，對礦井的風量、風阻和工況進行多次判斷驗證后，再進行修改。這一監測技術能夠通過改變參數來適應礦井的通道變化，可通過改變解算參數來適應礦井的個例規律，也能夠發現不同氣候條件下，自然風壓對深部開采部分的影響作用。總之，此系統減少了人員對通風系統的盲目判斷，能夠及時有效地反應礦井通風變化。

5 動態管理模型的應用分析

動態管理模型以通風網絡的節點為主要監測點，對整個通風網絡進行持續監測。按照通風系統的方案設計，將風門、風機和空氣幕進行對應布置。斜井和豎井與主聯通道路相關聯，故而將各段的斜井、豎井按照層次、等級進行風量分配，在交叉口的風機上安裝對應數量的通風機，確保具有風量穩定。在此礦區進行了通風系統的布設，將動態管理模型的數值與實際測定值進行了比對，對比見表2。

表2 動態管理模型模擬值與實際測定值對比表

此通風系統在礦山進行布設后，對現場的主要節點進行了測定，以便評價動態管理模型的準確性。通過表2所列的數據可以看出，通風網絡的布設滿足了主要聯絡道的風量需求，能夠持續性滿足風量需求。從通風網咯節點實測值與動態管理模型模擬值看，二者的變化趨勢和結果比較吻合，動態管理模型能夠正確模擬出各個節點的風量變化。經過一段時間持續觀測，加強了空氣幕調控風流的作用，調整了供風器的位置，進一步阻止了小范圍的污風串聯問題，減弱了自然風壓對通風系統的影響，大大提高了通風系統的穩定性。

6 結論

本文以礦井深部通風系統改造為研究對象，在200m深度的聯絡道、交叉口布置了風機、空氣幕、風門，使深部通風系統形成相對獨立的子循環系統，滿足了深部風量的需求。為了加強對風流的調控，避免污風串聯，減小自然風壓對系統穩定性的影響，在實踐中調整了供風器的角度，進一步增強了通風系統的穩定。此研究得到了以下3點結論：

(1)以節點、風路、通道、風機等多項參數為支撐的動態管理模型能夠對整個通風網絡主節點的風量、風壓等進行持續、穩定、有效的監測，能夠為開掘工作提供良好的外部環境。

(2)復雜多變的深部通風系統可采用分層、分等級的方式進行風量分配和布置，加大深部通風的管理力度，減小小范圍的污風串聯和自然風壓影響。同時，修改參數的管理設計，不僅能夠靈活應對網絡需求，還能夠適應通風網絡變化。

(3)復雜網絡回路通風法的解算可通過優化的BFS生成樹對各處的風量進行解算，加快解算速度和精度，降低解算失敗的概率。