基于Scott-Hensley算法的礦井反風模擬研究

2021-11-19 12:35:54王澤華

中國礦業 2021年11期

程磊，王澤華

(河南理工大學安全科學與工程學院，焦作河南 454000)

0 引言

當煤礦井下發生瓦斯與煤塵爆炸、煤層自然發火等災害事故時，礦井通風系統是否可靠、災害應急處理是否及時有效顯得尤為重要[1]。礦井反風是礦井發生災害時(特別是火災)所采取的一項重要的控制風流的救災措施[2]。當礦井進風井口、井筒、井底車場、主要進風巷和硐室等地點發生火災時，進行全礦井反風，一方面可以防止高溫空氣和有害氣體進入井下作業點，避免造成人員燒傷及有害氣體中毒事故，另一方面可避免火災事故擴大，為井下人員撤離創造條件。

礦井災變時期，礦井反風是礦井災害應急救援的一項重要措施，井下發生災害時采取全礦井反風措施，可以使有害氣體和火災煙流由進風井筒排出，縮小井下受災范圍[3-5]。因此，有必要對實現礦井反風的各種方式以及不同反風方式產生的反風效果進行詳細研究，為給礦井匹配合適的反風方式，行之有效的方法是對礦井反風進行仿真模擬。隨著計算機技術的發展，對于礦井系統仿真模擬技術已經達到了新的高度[6-7]。談國文[8]對復雜礦井通風網絡的可視化動態解算進行了研究；鐘德云等[9]對基于回路風量法的復雜礦井通風網絡的解算算法進行了研究；劉興濱等[10]通過建立礦井三維通風系統仿真模型對礦井北翼回風立井運行后的分區通風系統進行模擬，實現了礦井的精確調風；袁明昌等[11]采用三維仿真系統對武山銅礦通風系統做了優化研究，解決了武山銅礦通風系統存在的南北礦帶風流干擾嚴重、風速合格率偏低的問題；程磊等[12]通過對礦井仿真模型的研究提出了礦井通風網絡圖的自動繪制技術研究；辛嵩等[13]等通過Ventsim建立礦井通風系統模型，對單翼通風系統進行了優化研究。

以薛湖煤礦為研究對象，首先詳細分析不同礦井所適用的各種反風方式，運用MATLAB軟件對礦井建立三維仿真模型，將Scott-Hensley解算算法編寫為MATLAB程序，對模擬的各種反風方式進行解算，選出最合適的反風方式，實現全礦反風。

1 工程背景

薛湖煤礦井田面積約73.95 km2，為煤與瓦斯突出礦井，設計生產能力1.2 Mt/a，剩余可采儲量86.343 Mt，剩余服務年限51.4 a。礦井采用立井單水平上下山開拓方式，傾斜(走向)長壁后退式采煤方法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。礦井通風方式為混合式，通風方法為抽出式，即：主井、副井進風，中央風井和東風井回風。中央風井安裝2臺對旋軸流式主要通風機，工作風量7 126 m3/min；東風井安裝2臺對旋軸流式主要通風機，工作風量10 455 m3/min，風量滿足安全生產要求。目前，礦井總進風量為15 956 m3/min，總回風量為17 189 m3/min，有效風量率為89.95%。

薛湖煤礦最近一次全礦井反風演習：中央風井與東風井同時進行反風，通過風機反轉實現。此次反風演習8∶52開始，10∶53反風結束，11∶30反風演習結束，共歷時158 min。中央風井主通風機反風前總風量為5 401 m3/min，反風時總風量為2 869 m3/min，中央風井主通風機反風率為53%；東風井主通風機反風前總風量為10 480 m3/min，反風時總風量為6 770 m3/min，東風井主通風機反風率為65%,從指揮部下達反風命令到井下風流反向歷時6 min。

2 反風方式分析與模擬算法

2.1 反風方式分析

生產礦井主要通風機必須裝有反風設施，并能在10 min內改變巷道中的風流方向；當風流方向改變后，主要通風機的供給風量不應小于正常供風量的40%。每季度應當至少檢查1次反風設施，每年應當進行1次反風演習；礦井通風系統有較大變化時，應當進行1次反風演習。礦井通風系統經簡化后可分為三類：單風井工作的礦井、有共用進風段多風井工作的礦井、無共用進風段多風井工作的礦井。單風井工作的礦井只有一種反風方式，只需將該風井反風即可；有共用進風段多風井工作的礦井和無共用進風段工作的礦井均有3種反風方式，分別為兩風井同時反風；僅一個風井單獨反風，另一風井保持正常通風；僅一個風井單獨反風，另一風井停運并打開風井防爆門。

2.1.1 單風井工作的礦井

該類礦井反風較為簡單(圖1)，這種礦井反風方式較為單一，只要將該風井進行反風，就可以實現全礦井的反風。

圖1 單風井工作的礦井

2.1.2 有共用進風段多風井工作的礦井

有共用進風段的多風井工作的礦井可以簡化成圖2所示的示意圖，僅以兩個風井為例來進行分析。

圖2 有共用進風段的多風井工作的礦井

圖2為通風系統示意圖。礦井雖有2個回風井，但他們有共用的進風段,對該類礦井進行反風，有3種不同的反風方式。將這3種反風方式定義為反風方式的集合：M={M1,M2,M3}，其中：M1表示F1和F2兩風井同時反風；M2表示僅F1風井進行單獨反風，F2風井保持正常通風；M3表示僅F1風井進行單獨反風，F2風井停運，并打開該風井防爆門。將反風條件定義為條件集合T={T1,T2,T3,T4}，其中：T1表示F1、F2兩風井風機能力相同，即F1=F2；T2表示F1井風機能力小于F2井風機能力，即F1

當反風方式為M2，反風條件為T1或T2或T3時，其反風結果如圖3所示。F1風井所獨立擔負的區域可以實現反風；公共段CO段依然保持進風，但進風量減少；F2風井的排風量增加；F2風井所擔負的獨立區域的風量有大部分是來自F1風井所獨立擔負區域的乏風。該方式會造成公共段沒有實現反風、保持正常運行系統的風量部分來自反風系統區域的乏風，存在安全隱患。

圖3 僅F1反風且F1=F2或F1

當反風方式為M2，反風條件為T4時，其反風結果如圖4所示。F1風井所獨立擔負的區域可以實現反風；公共段CO段微風或者反風；F2風井的排風量增加；F2風井所擔負的獨立區域的風量全部是乏風，是來自F1風井所獨立擔負的區域的乏風。該反風方式存在不確定性，公共端CO可能會實現反風。

圖4 僅F1反風且F1>F2

當反風方式為M3時，只需保持一個風井反風即可實現全礦反風，其反風結果示意圖如圖5所示。該方式不能保證井下所有用風地點的風量滿足需求；井下局部用風地點的風量較低，不足以排除涌出的瓦斯；F2風井擔負區域的風量來自F1反風系統區域的乏風。

圖5 僅F1反風，F2停運

2.1.3 無共用進風段多風井工作的礦井

如圖6所示的通風系統示意圖，礦井雖有2個回風井，但他們有各自相對獨立的進風段、回風段。從圖6中可以看出，在進風段中有一段角聯巷道O1O2，當F1、F2兩風機的能力大小基本相同且兩風井系統的阻力大小差別不大時，該端巷道的風量較小，方向也容易出現不穩定的情況。對該類礦井進行反風同樣有M1、M2、M3三種不同的反風方式。

圖6 無共用進風段的多風井工作的礦井

當采用的反風方式為M1，即F1風井和F2風井同時反風時，可直接實現全礦井反風，但角聯巷道O1O2段的風量與風向受兩風機能力大小的影響，其反風結果如圖7所示。

圖7 F1、F2同時反風

當采用的反風方式為M2時，即僅F1風井進行單獨反風，F2風井保持正常通風，且在角聯巷道O1O2段建立臨時密閉設施，實現了兩個區域完全分隔，其反風結果如圖8所示。F1風井所獨立擔負的區域可以實現反風；對F2風井略有影響，但影響較小。此時，如果類似于O1O2段的角聯巷道較多對造成臨時工程多，在規定時間內不容易實現反風。

圖8 F1反風、F2正常運行

當采用的反風方式為M3時，即僅F1風井進行單獨反風，F2風井停運，并打開該風井防爆門，此時只需保持一個風井反風，即可實現全礦井反風，如圖9所示。但該反風方式不能保證井下所有用風地點的風量滿足需求；井下局部用風地點風量會較低，不足以排除涌出的瓦斯；F1風井能力大小決定井下各地點反風風量。

圖9 F1反風、F2停運

2.1.4 反風方式分析結論

通過各種反風方式的優缺點及反風結果進行研究，得出以下結論：單風井工作的礦井，可以直接進行反風，實現反風；對于多風井工作的礦井，宜根據風井的實際情況來選擇合適的反風方式；有共用進風段多風井工作的礦井，宜兩風井同時進行反風達到反風目的；無共用進風段多風井工作的礦井，既可以兩風井同時反風，也可以建立適當的臨時設施，風井單獨進行反風。

2.2 反風模擬算法實現

2.2.1 通風網絡基本數學模型

通風系統中風流流動遵循三大定律：風壓平衡定律、風量平衡定律和阻力定律。對于一個有N條分支，M個節點的通風網絡，根據這三個定律可以建立通風網絡數學模型，見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式(1)是由風壓平衡定律確定的(n-m+1)個非線性方程；式(2)是由風量平衡定律確定的(m-1)個線性方程。對通風網絡進行解算結果必須使式(1)和式(2)同時成立。

2.2.2 通風網絡解算數學模型

回路風量法對非線性方程組求解有多種算法法，常用的有牛頓法和Scott-Hensley算法[14]。本文采用Scott-Hinsley算法。以獨立的閉合回路為計算單元，在每個獨立的閉合回路中選取近似風量并列出風壓平衡方程，再用泰勒級數展開求解風量的校正值。Scott-Hensley算法數學模型見式(3)。

(i=1,2,3,…,M)

(3)

精度指標達式，見式(4)。

max|ΔQi|<ε(1≤i≤M)

(4)

式中，ε設定的精度條件。用上述ΔQi對回路中各分支風量進行迭代修正，如此反復進行，直至所有回路的修正風量都達到指定精度。

3 實例應用

薛湖煤礦通風系統屬于有共用進風段的兩風井工作的礦井。根據第2節結論可知該礦井通風系統共有5種不同的反風方式：①中央風井、東風井均反風；②中央風井反風、東風井正常通風；③中央風井正常通風、東風井反風；④中央風井反風、東風井停運；⑤中央風井停運、東風井反風。

5種反風方式中最后兩種反風方式都存在風機停運的情況，當風機停運時不能保證井下所有用風地點的風量滿足需求；井下局部用風地點的風量較低，不足以排除涌出的瓦斯，可能會產生次生事故。因此，進行反風時一般不會采用這兩種方式，因此在模擬時，只對前三種反風方式進行模擬。

將Scott-Hensley算法寫成MATLAB程序，并繪制薛湖礦的通風系統三維模型，將初始數據輸入到算法程序中迭代計算，滿足5%精度要求后再對3種不同反風方式進行迭代計算，直至這3種反風方式迭代計算出的結果均符合精度要求。迭代計算結果見表1。

薛湖煤礦回風井分別為中央風井、東風井，而且兩風井主要通風機的能力相差較大，東風井風機能力為中央風井風機能力的1.3倍多。通過對表1數據分析可得出薛湖煤礦不同反風方式的結果：薛湖煤礦反風應當首選中央風井、東風井同時反風，且各風井、巷道反風率均大于40%；采用單風井反風時，另一個風井風機保持正常運行時，實現反風的風井和巷道的反風率均大于40%，副井、主井、東翼軌道、輔助進風巷、膠帶大巷等主要進風巷道的風量并未發生反向；23采區、25采區由東風井擔負，27采區、29采區由中央風井擔負，要使采區風流反向，需使擔負該區域的風井反風即可。