基于3DSimOpt3.0 的三維通風仿真系統節能優化研究

曹偉平

（潞安化工集團能源事業部，山西 長治 046200）

礦井通風是保證礦井安全的重要手段之一[1-3]。通風阻力是礦井通風測量的基本指標，也是礦井通風系統優化的基礎[4-6]。若礦井內通風阻力過高，會影響礦井的生產安全[7-9]。為全面了解李村煤礦通風系統運行情況，利用3DSIMOPT3.0 對煤礦進行防阻檢測，分析測量數據，提出解決方案。

1 概 況

李村煤礦位于長子縣境內，潞安區煤炭基礎建筑規劃新建一口井。李村煤礦現有5 個井筒，3 進2 回，分別為主井、副井、中央風井、堯神溝進風井、堯神溝回風井。井下實行分區通風，采用3 進2 回通風系統，采掘工作面均實現獨立通風。礦井通風方式為分區式通風，機械抽出式。主井、副井和堯神溝進風井為進風井，中央風井和堯神溝回風井為回風井；中央風井擔負一采區和西翼采區回風任務，堯神溝回風井擔負二采區回風任務。中央風井總進風量為24 079 m3/min，中央風井總回風量為26 346 m3/min；堯神溝回風井總進風量為25 929 m3/min，回風井總回風量為23 745 m3/min。

2 李村煤礦礦風網參數的測定

2.1 礦井通風阻力測定的方法

此次測定采用氣壓計測定法，使用陜西斯達防爆有限公司生產的礦用本安型通風多參數測定儀（相對壓力的測試精度為±10 Pa）、激光測距儀、SSN-71 大氣壓溫濕度自動記錄儀。采用整體控制較好的基點測定法，將SSN-71 大氣壓溫濕度自動記錄儀設定好后放置于井口位置測量[10]。在測量相對基點靜壓時，應測量絕對靜壓、巷道風速、溫度和相對濕度，并計算速度壓力。測量或檢查巷道上每個點的高度，以計算潛在壓力。

2.2 阻力測定及路線布置

2.2.1 測線的選擇

選擇的測定路線要能夠反映礦井通風系統特征，它包括許多形式的支點和巷道類型[11]。主要實測距離應包括礦井內主要空氣點，便于在主流方向測量。為準確測量2 個測量點間的阻力，測量點應從加固好、切割穩定、前后無積料、氣流穩定的區間中選擇。對阻力測量結果影響較小的節點應適當組合簡化。

路線1： 副井—南翼軌道石門—南翼軌道大巷—一采區輔運聯巷—一采區輔運巷—一采區輔運下山—1305 進風聯巷—1305 進風巷—1305 工作面—1305 回風巷—一采區回風下山—一采區回風巷—南翼2 號回風巷—中央風井。

路線2：堯神溝進風井—二采區輔運聯巷—二采區輔運巷—2303 進風巷—2303 工作面—2303 回風巷—二采區回風措施巷—二采區2 號回風巷—堯神溝回風井。

2.2.2 測點的布置

測點位于流量穩定點，路段平整，3 m 支點完好無損；當流量分布點、流量集中點和局部阻力較大時，測量點和流量變化點應保持一定距離（前緣寬度大于3 倍，后緣寬度大于8 倍）。對于安裝點，確保2 個相鄰點之間的差壓不超過20 Pa 或裝置的測量范圍。這些點的布置要控制礦井和巷道主要通風道中阻力分布和風量的變化，盡量控制巷道中屋頂或基礎高度接近已知導線點的布置。在坑內測量中，各測量點符合現場實際情況，所以選擇點能夠有效控制主工作面與工作面之間的阻力分布。

3 礦井三維通風仿真與優化系統建立與分析

3Dsimopt3.0 是遼寧工程技術大學系統建設研究所開發的三維通風模擬系統。該系統建立了巷道目標與節點、結構、通風、潮流等關系的數學模型，基于初步估算圖網絡破解算法，實現了通風網絡破解的工程應用[12]。

導入文件并在3Dsimopt 中構建分解方案[13]。李村礦井通風系統參數測量完成后，處理數據，輸入系統。建立李村煤礦通風三維模擬系統，確定部分巷道風量，模擬其流量分布，反復調整，使風量與最大阻力位置一致。該參數基于最小功耗原理和沖頭驅動原理，根據需要調整空氣分配。利用三維通風仿真系統對李村礦井通風網絡進行模擬解算。

4 李村煤礦通風系統分析

4.1 誤差分析

在采集過程中，實驗數據受測量誤差、測量精度等因素的影響。應對測量誤差進行分析，分析時的測量誤差小于5%[14]，滿足要求。

通風系統阻力測定精度評價見式（1）。

式中：δ 為阻力測定誤差，%；h 為測定的礦井通風總阻力，Pa；hfs為通風機裝置靜壓，Pa；hs為通風機風硐測壓點靜壓，Pa；hv為通風機風硐測壓點動壓，Pa；hn為礦井自然風壓，Pa。

測試結果見表1、表2。

表1 路線1 通風系統的測定誤差Table 1 Measurement error of route 1 ventilation system

表2 路線2 通風系統的測定誤差Table 2 Measurement error of route 2 ventilation system

4.2 模擬結果分析

通過對仿真結果進行測定和計算，李村礦井2條測試路線總通風阻力為2 282.08 Pa、2 152.22 Pa，其中路線一進風區段通風阻力615.67 Pa，用風區段阻力849.89 Pa，回風區段阻力816.52 Pa，三區的通風阻力比為26.98∶37.24∶35.78。路線二進風區段通風阻力557.03 Pa，用風區段阻力857.84 Pa，回風區段阻力737.36 Pa，三區的通風阻力比為25.88∶39.86∶34.2。用風區段的通風阻力明顯高于進、回區段。

4.3 風機運行合理性分析

風扇功率有風功率曲線（H-Q）、波功率曲線（n-Q）、有效風系數曲線（H-Q）。這3 條曲線測量了不同情況下的風量、風壓和風扇波功率，并使用最小二乘法對這些離散點進行校正。根據李村煤礦通風機試驗結果和2021 年潞安集團監測中心通風系統的仿真結果，分析主通風機的運行情況，如圖1、圖2 所示。

圖1 中央風井主扇運行狀態Fig.1 Operation state of main fan in central air shaft

圖2 堯神溝回風井主扇運行狀態Fig.2 Operation state of main fan in Yaoshengou return air shaft

中央風井主扇439.14 m3/s，堯神溝回風井主扇420.38 m3/s，2 個主扇位于曲線穩定工作區，同時在效率曲線極值點，風機效率最大，軸功率接近最大，風機正常運行。

5 李村煤礦通風系統優化

5.1 優化方案

（1） 優化方案一：在圖中所示位置新建西三區回風立井，如圖3 所示。

圖3 方案一模擬Fig.3 Simulation of scheme 1

（2） 優化方案二：在圖中顏色較深的巷道位置進行清理雜物巷道斷面擴大處理，如圖4 所示。

圖4 方案二模擬Fig.4 Simulation of scheme 2

5.2 優化后模擬結果分析

方案一模擬結果分析：中央風井風量為19 806 m3/min，西三區回風立井風量變為6 540 m3/min，中央回風井負壓由原來的2 148.79 Pa 變為1 738.55 Pa。該方案能夠減少礦井通風阻力；并且中央回風井風量也會減少，該回風巷風速度不再超標；同時能夠滿足高瓦斯礦分區通風的要求，建議采用優化方案一。

方案二模擬結果分析：對中央風井巷道進行清理雜物和擴充斷面后，增加有效通風面積；降低巷道風速，回風段風阻也有所降低。雖然能減小回風巷風速，礦井通風阻力也有所減小，但不能從根本上解決問題，因此不推薦該方案。具體結果見表3。

表3 優化后風量對比Table 3 Air volume comparison after optimization

6 結 論

本文采取了理論分析、現場實測、三維通風系統仿真等方法，對李村煤礦礦井通風系統進行研究和分析，并且對通風系統進行了優化改造，總結如下。

（1） 根據《煤礦安全規程》有關規定，礦井通風阻力不得超過2 940 Pa，后期當風量超過20 000 m3/min 時，不宜超過3 920 Pa，優化后礦井通風阻力為2 148.79 Pa，阻力相對合理。

（2） 對李村煤礦通風系統的研究表明，基于三維通風模擬系統的通風系統優化可以有效解決地下通風系統水平增長和網絡結構復雜的問題。

（3） 利用三維通風模擬優化礦井通風系統，優化礦井主通風機運行，調整礦井通風系統，確定優化的調整方案，為實現“產風”提供科學依據。