王莊煤礦通風系統仿真與評價

劉公權，曹旭升，邵良杉

(1.遼寧工程技術大學 系統工程研究所, 遼寧 葫蘆島 125105；2.潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

王莊煤礦地處山西省長治市故縣，于1966年12月建成投產，經過多次技術改造，已經成為一座特大型現代化高產高效礦井，主采二疊系3號煤層，煤層均厚6.5 m，屬于高瓦斯礦井，礦井通風方式為混合式，共有7個進風井，4個回風井，經過多年系統擴建，原有通風系統亟待進一步優化[1]。

1930年波蘭學者A. Sakustowicz提出用降阻法實現通風系統網絡優化的方法，取得了不錯的效果[2]；隨著計算機技術的發展，Scott等提出通風網絡的迭代方法，并運用計算機進行驗證[3]，自此，學者們開始越來越多的利用計算機來簡化通風系統的計算過程，R Burton博士開發了VUMA系統，能實現平面與三維視圖下的通風網絡繪制，但缺乏直觀性；2008年魏連江教授提出了基于GDI+GIS的礦井通風可視化仿真系統，實現了通風系統各種圖形的自動繪制過程，但在解算算法上，難以達到工程需求[4]。遼寧工程技術大學開發的3DSimOpt2.0三維通風仿真系統，是在2014年開發的1.0系統基礎上，經過多次升級而成的。在2018年，由中國煤炭工業協會牽頭，組織相關專家鑒定，確定其已達到國際領先水平，獲得國家軟件著作權[5]。本文在此基礎上，通過巷道中的對象和巷道構筑物、節點、通風動力配套裝置以及風流方向對象之間關系，并根據無初值迭代法，通過無向圖的網絡解算算法，實現徹底的通風網絡解算工程化，最終經過計算機精確運算得到最優調節方案，實施后增加了礦井通風系統的安全穩定。

1 3DSimOpt2.0三維通風仿真系統介紹

針對復雜通風系統，在利用通路法進行調節的前提下，提出利用通路法的節點壓能的驅動調節，可以大大加快調節速度，使得復雜的通風網絡能夠容易調節，利用通風系統的計算機網絡進行智能仿真，實現反演巷道風阻系數，并在建立煤礦的通風三維仿真系統數學模型的基礎上，開發出礦井通風的三維仿真系統。

軟件兼具三維可視化與立體示意圖以及通風網絡圖同步顯示等多種功能，軟件系統能夠隨操作人員的指揮改變通風系統結構、巷道尺寸形狀、新掘巷道與通風動力(葉片的角度調節、頻率的改變、開停風機等操作)、通風構筑物的狀態(增加、拆除和開啟)等，繼而以仿真運算來達到通風系統狀態變化后新系統可能出現的問題。

1.1 仿真系統建立

圖1為王莊煤礦在3DSimOpt系統下的通風系統圖(540水平部分系統)。

圖1 王莊礦通風系統示意(540水平部分系統)

1.2 數據處理

測定中使用的儀表的精度會受測定技巧以及其他各種因素影響，難免會發生各種誤差。如果誤差在允許范圍以內，則測定結果是可用的，為此，必須對測定結果進行驗證后方可錄入。

數據錄入后，經過反復的調試，再對測試巷道實測數據跟仿真計算值進行對比分析，得到整個礦井仿真結果，并進行誤差分析，確定誤差在要求范圍內，其目的在于所建立的仿真系統能夠真實反映實際工況。具體的統計數據如表1、表2、表3所示。根據王莊煤礦要求，測量數據應包含主要巷道的信息，由表中數據可以看出，主要巷道仿真計算所得數據和實測數據相對誤差僅約在5%，再縱觀整個測試的巷道，僅有極少數的聯絡巷相對誤差較大，但絕對誤差很小，且相對誤差不大于5%的巷道包括了各主要大巷和采區，故可以認為誤差分布在合理范圍內，誤差符合要求。

表1 基準井巷統計

表2 誤差分析

表3 誤差分布統計

2 王莊煤礦通風系統仿真結果分析

2.1 通風機聯合運轉分析

在對王莊煤礦相關通風系統參數進行調整并進一步優化三維通風仿真系統后，再對仿真系統進行反復調試，以達到誤差能夠完全滿足現場實際工作需要，然后利用完善后的仿真系統對通風系統進行分析評價，并對提出的改進方案進行仿真模擬，分析+540風井與北栗風井通風機聯合運轉、通風動力與通風阻力合理匹配、通風系統優化及可靠性。

為了掌握各主要通風機運行工況及性能，進行通風機的聯合運行分析，確保通風機穩定、合理運行，實現礦井通風節能的目的。通風機滿足生產相應的風量要求，并留大約30%的富余量。

網絡解算條件的概況如表4所示，其總分支總數達到1 448條，地面運轉主要通風機4臺。

表4 網絡解算條件

礦井總排風量1 006 m3/s，相關參數如表5所示，其中風機所負擔風量的統計如表6所示。依據礦井等積孔計算結果可以看出，各個回風井均是通風容易的風井，并且滿足“煤礦井工開采通風技術條件AQ1028-2006”中的相關要求。

表5 礦井總風量、風網功耗、總等積孔

表6 回風井參數

西風井風機主要服務于52、61采區，62風井負擔62采區的通風任務，+540風井負擔71采區的通風任務，北栗回風井負擔81采區、91采區通風任務。仿真分析可知，通風系統中存在著大量的阻力偏大巷道，主要原因是巷道較長、風量較大。

2.2 通風系統可靠性分析

礦井通風系統的可靠性指井下的通風系統在運行過程中能夠維持正常工作參數的能力，用來確保井下具有足夠的新鮮風量。礦井的通風系統肩負井下安全生產的重要責任，其正常穩定的工作具有十分重要的意義，隨著井下開采深度的增加，井下地形的復雜變化，各種不確定突發情況伴隨產生，這些都會令井下通風系統的可靠性大打折扣，甚至可能造成整個通風系統癱瘓，從而危及人身設備安全，故必須保證井下通風系統的可靠。

2.2.1 通風設施可靠性分析

王莊煤礦通風系統復雜，風門等井下通風設施較多，共有277處，風門壓差超過1 000 Pa的有7處，500～1 000 Pa的有61處，100～500 Pa的有73處，小于100 Pa的有136處。對于壓差大的風門，要特別加強維護，使正、反向均處于良好狀態，保障通風系統的可靠。

如風門失效或非正常開啟，將影響相關巷道的風量、風流方向，這將意味著礦井局部區域、整個采區、或整個礦井通風系統失效，導致通風系統不穩定。

2.2.2 風門失效仿真分析

風門等通風設施是井下通風系統的重要組成部分，它們將井下的風流進行調控，以按照需求完成風量分配，因而對通風設施進行合理設置，不僅能增加安全性，而且也是通風經濟性的一項關鍵手段。運行中風門可能因各種因素而損壞，無法正常工作，這時將使風量無法正常分配，對于開采工作面等瓦斯粉塵濃度高的區域還將因風量不足而造成爆炸危險。以540回風立井風門為例，利用3DSimOpt2.0三維通風仿真系統進行仿真，得出風門失效后相關巷道的風量變化。

經過風門失效仿真，可以看出：

1) 540進風井風量增加175.8 m3/min；風門失效后對北栗進、回風井，62進、回風井，西進、回風井風量幾乎無影響。

2) 風門失效后，對71、81采區風量影響較大，對于其他采區(91等采區)的風量影響極小，可以忽略不計。

3) 71采區回風大巷風量變化率為12.59%，較風門失效前風量減少849.01 m3/min；71采區輔助運輸大巷風量變化率為12.25%，風量減少493.8 m3/min；71采區膠帶運輸大巷風量變化率為12.59%，風量減少378.6 m3/min；7105工作面風量由2 256.6 m3/min減少到1 977 m3/min，風量變化率達到12.37%；8102工作面風量變化率為12.81%，風量減少為1 782 m3/min；8103工作面風量由原來的2 193.6 m3/min降到1 913.4 m3/min，風量變化率為12.78%。

4) 540-2膠帶巷風量變化率12.61%，風量減少125.4 m3/min；中部車場風量變化率13.77%，風量減少23.4 m3/min。

5) 風門失效后，工作面的風量減少，用風量難以滿足安全生產要求，有可能導致生產安全事故的發生。

為防止類似情況發生，應嚴格按照規定安設風門等構筑物，并加強日常管理與維護，從而保障通風系統運行穩定，預防礦井災害發生。

3 結 語

針對傳統煤礦通風系統仿真軟件優化效果難以達到工程實際需求的問題，開發了3DSimOpt2.0三維通風仿真系統，對王莊煤礦通風系統進行仿真優化，實現了通風阻力與通風動力合理匹配，保障了通風系統的穩定。