基于Ventsim模型礦井通風(fēng)優(yōu)化研究

閆巖

（霍州煤電集團(tuán) 河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州031400）

0 引 言

礦井通風(fēng)是我國保障礦井生產(chǎn)安全、避免瓦斯聚集的重要措施。在日常的通風(fēng)方式下，常常由于通風(fēng)線路過長、系統(tǒng)較為復(fù)雜及通風(fēng)阻力大等因素，導(dǎo)致礦井通風(fēng)效果差，因此對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分重要的[1-3]。此前姚晨[4]通過羊東礦的礦井通風(fēng)阻力進(jìn)行測定，提出了相應(yīng)的降低能耗的方法，經(jīng)過測定發(fā)現(xiàn)羊東礦為容易通風(fēng)礦井，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。邢亮亮[5]為解決礦井通風(fēng)阻力大、風(fēng)量過小等問題，通過對(duì)礦井通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行研究，提出了優(yōu)化方案。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后可以大幅降低風(fēng)阻，且滿足礦井通風(fēng)需求效果較佳。本文以薛虎溝為研究對(duì)象，基于Ventsim對(duì)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為礦井安全生產(chǎn)、提升礦山經(jīng)濟(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 礦井概況

薛虎溝礦隸屬于霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，該礦井田面積56.3 km2，礦井年設(shè)計(jì)生產(chǎn)0.8 Mt，核定生產(chǎn)能力為0.9 Mt。礦井采用中央及分區(qū)混合的通風(fēng)系統(tǒng)，選用抽出式的通風(fēng)方式，經(jīng)過對(duì)礦井瓦斯含量及通風(fēng)量進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)該礦的總進(jìn)風(fēng)量為27 899 m3/min，礦井的瓦斯涌出量為489 m3/min，瓦斯抽采量約為380.9 m3/min，風(fēng)排量為111.8 m3/min，礦井的瓦斯涌出量主要來自圍巖及煤層，隨著礦井的開采量進(jìn)一步增大，礦井現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)不足以支撐需風(fēng)量，所以對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分必要的。

2 通風(fēng)系統(tǒng)研究

為了對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)礦井進(jìn)行通風(fēng)阻力的測定是必不可少的，常見的通風(fēng)阻力測定方法有氣壓計(jì)法和壓差計(jì)法，結(jié)合薛虎溝礦井的情況，選定氣壓計(jì)測定法，通過對(duì)通風(fēng)線路進(jìn)行測定得出通風(fēng)阻力，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：

目前薛虎溝礦存在的通風(fēng)問題主要有，①礦井的通風(fēng)線路長通風(fēng)設(shè)施多、阻力大、角聯(lián)巷道比較多，所以造成采區(qū)內(nèi)部的通風(fēng)阻力較大大，兩翼主通風(fēng)機(jī)都在高負(fù)壓的情況下運(yùn)行；②掘進(jìn)工作面較多，使得通風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜；③在礦井的北翼煤層露頭嚴(yán)重，出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，對(duì)礦井的北翼回風(fēng)側(cè)造成威脅。

對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，①首先將廢棄的巷道進(jìn)行封閉，布置專用的回風(fēng)巷道，實(shí)現(xiàn)每個(gè)采掘工作面可以形成單獨(dú)的通風(fēng)系統(tǒng)；②利用+1 280 m的運(yùn)輸巷為南北翼回風(fēng)大巷，結(jié)合三水平延深，增加南北翼邊界回風(fēng)上山，增設(shè)1條回風(fēng)上山在北一采區(qū)和北二采區(qū)間，實(shí)現(xiàn)南北翼采掘工作面獨(dú)立通風(fēng)；③礦井的南北翼通風(fēng)機(jī)在高負(fù)壓下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，在南翼增大回風(fēng)斜井的斷面尺寸降低風(fēng)阻，提升風(fēng)量，由于北翼的井筒漏風(fēng)較為嚴(yán)重，所以需要布置新的回風(fēng)井，實(shí)現(xiàn)安全開采。綜上所述可以看出，在進(jìn)行薛虎溝礦井優(yōu)化時(shí)主要是對(duì)北翼回風(fēng)井進(jìn)行位置設(shè)定。

2 通風(fēng)系統(tǒng)研究優(yōu)化分析

根據(jù)相應(yīng)的地質(zhì)資料對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提出布置新的回風(fēng)斜井的優(yōu)化方案，將礦井北翼現(xiàn)有的廠房搬遷，將空出的場地進(jìn)行回風(fēng)斜井的布置。回風(fēng)斜井沿著煤系地層底板與北一二采區(qū)之間的回風(fēng)上山進(jìn)行聯(lián)合布置，回風(fēng)斜井井口的標(biāo)高為+1 570 m，具體的方案布置情況如圖1所示。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化布置示意Fig.1 Optimal layout of ventilation system

基于Ventsim技術(shù)建立礦井通風(fēng)三維系統(tǒng)是引進(jìn)于澳大利亞通風(fēng)系統(tǒng)仿真研究，在礦井的通風(fēng)三維設(shè)計(jì)及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算等方面十分常用。該系統(tǒng)可以很好的實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、礦井除塵降溫及反風(fēng)演習(xí)，該系統(tǒng)可以有助于礦山企業(yè)的合理配風(fēng)，降低礦井通風(fēng)成本，保障礦井的生產(chǎn)安全。

通風(fēng)三維決策及仿真系統(tǒng)利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫及虛擬技術(shù)。利用三維建模，將復(fù)雜的通風(fēng)過程利用三維圖形直觀的展現(xiàn)出來，使用者可以隨著查看礦井巷道的實(shí)時(shí)情況，得出巷道的風(fēng)量及風(fēng)向等數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)V井決策者進(jìn)行決策時(shí)提供一定的參考，同時(shí)利用對(duì)不同范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注不同色，對(duì)通風(fēng)過程的數(shù)據(jù)及關(guān)鍵程度直接展示。系統(tǒng)作為通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算方式，對(duì)礦井的通風(fēng)的安全、合理性及通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，既能保障礦井工作面的合理配風(fēng)，也可以降低礦井通風(fēng)的成本，提升礦井經(jīng)濟(jì)。此外礦井的通風(fēng)三維決策及仿真系統(tǒng)也可以用于礦井的安全培訓(xùn)。

利用Ventsim軟件對(duì)礦井進(jìn)行三維仿真系統(tǒng)建立，在軟件的編輯中心建立礦井坐標(biāo)。沿礦井風(fēng)流方向?qū)ο锏肋M(jìn)行布置，同時(shí)開啟捕捉功能，避免出現(xiàn)巷道未連接的情況。為了不影響計(jì)算的速度，將部分的聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行忽略，對(duì)井下的建筑物的阻力進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)對(duì)井下主要巷道的摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行設(shè)定，完成通風(fēng)阻力及摩擦系數(shù)設(shè)定后對(duì)風(fēng)流的類型進(jìn)行設(shè)定，在進(jìn)行風(fēng)流設(shè)定時(shí)只設(shè)定新鮮風(fēng)流及污濁風(fēng)流，并對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)定。完成通風(fēng)參數(shù)設(shè)定后對(duì)巷道斷面數(shù)據(jù)及巷道風(fēng)量進(jìn)行設(shè)定，完成上述設(shè)置后對(duì)模型進(jìn)行模擬分析。優(yōu)化方案下的模擬系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化布置Fig.2 Optimal layout of ventilation system

由圖2的模擬可以得出，經(jīng)過優(yōu)化后巷道的供風(fēng)量、通風(fēng)線路及通風(fēng)阻力的通風(fēng)參數(shù)均有了一定幅度的提升。經(jīng)過新增回風(fēng)斜井有效的降低了通風(fēng)費(fèi)用、在回風(fēng)斜井和北翼回風(fēng)上山的通風(fēng)效果好，通風(fēng)順暢。優(yōu)化后得通風(fēng)系統(tǒng)不僅可以快速得出風(fēng)網(wǎng)結(jié)算、風(fēng)流的需求及分流的動(dòng)態(tài)模擬，同時(shí)也可以進(jìn)行短期或長期的通風(fēng)規(guī)劃，便于礦井設(shè)計(jì)人員和通風(fēng)管理人員發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，保障礦井的安全生產(chǎn)及提升礦井經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 語

本文為了解決薛虎溝礦通風(fēng)系統(tǒng)井的通風(fēng)線路長通風(fēng)設(shè)施多、阻力大、角聯(lián)巷道比較多等情況，利用氣壓計(jì)測定法，對(duì)通風(fēng)線路進(jìn)行測定得出通風(fēng)阻力，通過數(shù)據(jù)分析給出了布置新回風(fēng)斜井的優(yōu)化方案，借助通風(fēng)研究的先進(jìn)軟件Ventism三維決策及仿真軟件快速得出風(fēng)網(wǎng)結(jié)算、風(fēng)流的需求及分流的動(dòng)態(tài)模擬，為礦井工作人員對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)判斷及優(yōu)化提供一定的參考，為礦井安全生產(chǎn)提供一定的保障，并且有效的降低了通風(fēng)成本，提升了礦井的經(jīng)濟(jì)效益。