雙主風機聯合運轉通風系統優化研究

摘 要：【目的】為解決平煤九礦雙主風機聯合運轉通風系統在開采后期存在的丁組風機風量富裕、己組風機負擔載荷過大的問題，需要對雙主風機聯合運轉下的礦井通風系統進行優化。【方法】采用數值模擬的方法，構建平煤九礦中長時期的通風Ventsim三維可視化模型，提出相關優化方案，對不同方案從通風效果和技術經濟等方面進行對比分析。【結果】研究結果表明，通過擴修己二東翼回風下山、己二回風下山和己組總回風等高阻力段巷道斷面至16 m2，新建回風聯巷溝通己二回風下山和丁組回風下山，調節丁組風機角度至-14°，使丁組風機擔負己二東翼回風風量，己組風機擔負己二西翼回風風量，有效降低了礦井的通風阻力，實現按需分配，滿足各用風地點風量的要求，己組和丁組風機負擔的風量和風壓更加合理。【結論】優化方案有效解決了該礦井中存在的問題，提高了礦井通風系統的信息化管理水平。

關鍵詞：礦井通風；雙主風機；通風網絡；仿真模擬

中圖分類號：TD724" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0033-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.007

Optimization of Combined Operation Ventilation System of Double Main Fans

WU Yidan1 WANG Songmin2 SHI Xiukai2

（1.School of Safety Science and Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003， China;

2.Pingdingshan Tianan Coal Industry No.9 Mine Co.， Ltd.， Pingdingshan 467000， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problem that the air volume of the Ding-group fan is rich and the load of the Ji-group fan is too large in the late mining period of the combined operation ventilation system of the double main fan in Pingmei No.9 Mine， it is necessary to optimize the mine ventilation system under the combined operation of the double main fan.[Methods] By using the method of numerical simulation， the medium and long-term ventilation Ventsim three-dimensional visualization model of the ventilation of Pingmei No. 9 Coal Mine is constructed， and the relevant optimization schemes are put forward. The different schemes are compared and analyzed from the aspects of ventilation effect and technical economy.[Findings] According to the research results， by expanding the roadway section of the high resistance sections such as the Ji-2 return air downhill of the east wing， the Ji-2 return air of the group and the total return air downhill to 16 m2， and" by using the new return air joint roadway that is used to communicate the Ji-2 return air of the group and the total return air downhill， and reduce the angle of the Ding-group fan to-14°， the Ding-group fan is responsible for the Ji-2 return air downhill of the east wing， and the Ji-group fan is responsible for the Ji-2 return air downhill of the west wing， which effectively reduces the ventilation resistance of the mine， realizes the on-demand distribution， meets the requirements of the air volume of each wind site， and ensures that the air volume and air pressure borne by the fans are more reasonable.[Conclusions] The optimization scheme effectively solves the problems existing in the mine， and is convenient to improve the information management level of the mine ventilation system.

Keywords： mine ventilation; double main fan; ventilation network; analogue simulation

0 引言

礦井通風系統在煤礦安全生產中發揮著重要作用［1-2］。但隨著礦井開采的不斷深入，淺部煤炭資源逐漸枯竭，采掘布置形式不斷交替變化，礦井通風網絡發生了顯著改變。因此，礦井通風系統需要不斷調整，并及時合理地完善優化礦井通風系統，以保證礦井實現安全生產和可持續發展。

通風系統調整前的仿真模擬可以保證通風系統實施調整時高效、安全和順利進行，國內外相關專家和學者在通風優化方面已經有了較多的研究成果，尤其是通風模擬軟件Ventsim［3］方面，盛建紅等［4］采用Ventsim模擬分析了區域單元、兩翼對角混合式通風系統的應用效果及合理性；黃傳寶等［5］基于Ventsim對淺部生產期和中深部開采期開展通風系統優化，確定采用礦區兩翼對角抽出式和中段分單元通風方案；Liang 等［6］通過Ventsim軟件對補連塔煤礦長壁采空區殘煤自燃情況進行模擬，提出了隔離和增壓方案對其進行緩解；程志楷等［7］利用Ventsim研究了趙固二礦的通風系統調整情況；辛嵩等［8］針對單翼通風系統存在的共性問題，運用Ventsim網絡解算與動態模擬進行驗證優化；陳國芳等［9］基于Ventsim模擬武山銅礦中段通風容易時期和困難時期的通風量，以解決工程存在的實際問題；盧輝等［10］通過設計不同的均壓通風方案，利用Ventsim對南山煤礦孤島工作面進行模擬，得到最優的設計方案；聶軍等［11］基于Ventsim軟件對高峰礦業公司三進兩回通風系統優化方案進行了模擬分析；楊鐵江等［12］利用Ventsim完成了玲南金礦礦井反風模型的建立和反風方案的設計；吳文博等［13］針對現存的問題，利用Ventsim對通風系統進行分析，通過實施改進方案，有效增加了通風系統風量；趙興東等［14］利用Ventsim模擬分析了地下水封洞庫各不同施工階段通風方式。

平煤九礦通風系統是雙主風機聯合運轉的復雜通風網絡系統，主要開采丁組和己組煤層。為了分析預測雙風機聯合運轉情況下的礦井通風系統狀況，充分利用通風系統資源，在開展礦井通風阻力測定的基礎上，利用Ventsim礦井通風模擬軟件建立平煤九礦現狀通風系統的三維巷道模型，確定了所建立的平煤九礦三維可視化模型與礦井實際運行的偏差，且解算模型的風量與礦井中實際風量之間的相對誤差較小，都在5 %以內，準確度較高，可用于后續模擬研究。在此基礎上再建立平煤九礦中長時期通風系統的三維巷道模型，研究分析該礦存在的問題，并結合實際情況提出優化方案，以預測通風系統調整方案的合理性和可行性，減小通風系統調整實施過程中存在的事故風險。

1 礦井概況

平煤九礦核定生產能力為90萬t/a，礦井分為兩個水平開采，一水平標高為-120 m，二水平標高為-390 m。礦井通風方法是抽出式，礦井開拓方式為斜、立井綜合開拓，由主斜井、副立井、下料斜井、行人斜井進風，丁組、己組風井回風。實測礦井總進風量為9 304 m3/min，總回風量為9 319 m3/min，其中副立井進風6 116 m3/min，主斜井、下料斜井、行人斜井共進風3 188 m3/min，丁組回風立井回風4 352 m3/min，己組立井回風4 967 m3/min。己組、丁組風井各安裝兩臺同等型號的風機，一臺工作，一臺備用，礦井各采區及工作面都具有完整、獨立且合理的通風系統。

2 中長時期礦井通風系統情況

2.1 中長時期采掘布置及需風量

根據礦井采掘接替情況，礦井中長時期生產布置為2個采面、5個掘進面和8個硐室。即己16-17-22081采面、己15-22100采面、己15-22070風、機巷，己二西翼回風下山、己二下延軌道下山、己二下延皮帶下山、-390變電所、-390火藥庫、-490瓦斯抽放泵站、-618變電所、-618己二采區避難硐室、-700變電所、-618充電硐室、己二下延軌道絞車房等，屆時丁二采區回采結束封閉，礦井主要工作（用風）地點全部轉入己組二水平，各地點需風量見表1。

根據礦井通風中長時期采掘部署繪制通風系統圖及網絡圖，采掘布置如圖1所示，中長時期通風網絡如圖2所示，構建此時期通風網絡數據庫。

2.2 通風系統存在的問題

根據中長時期各用風地點需風量固定風量進行網絡解算發現，平煤九礦通風系統在中長時期存在以下問題：①現階段風量基本能夠滿足各用風地點的需要，下一步生產重心轉移到己組采區，下延工程開工，生產2面5頭，滿足此時期用風量時，由于己組煤層向深部開采，通風線路長，局部風阻大，導致系統總風阻較大，己組風機需要提供的負壓非常高為8 383 Pa，需要提供的風量為7 608 m3/min，擔負風量增加了2 641 m3/min，而現有的己組風機通風系統已無法滿足該時期的通風需求。②從礦井中長時期生產部署計劃來看，丁組二水平即將回采結束，礦井全部生產將集中到己組煤層，屆時丁組風井將面臨保留再利用或是關閉的問題。因此，亟須結合中長期礦井采掘規劃對平煤九礦進行通風系統優化設計。

3 礦井通風系統的優化方案

3.1 優化方案的提出

目前，丁組煤層已近枯竭，根據礦井煤層儲量賦存情況及中長時期生產計劃，待丁組煤層回采結束后，丁組全部封閉，礦井主要工作（用風）地點全部轉入己組二水平。屆時，丁組風機風量富余、礦井風量全部集中于己組風機，己組風機風量不足。為優化雙風機聯合運轉情況下的礦井通風系統，充分利用丁組通風系統資源，以緩解中長時期己組通風困難的問題，結合礦井發展規劃，綜合技術性、安全性和經濟性三方面的因素，利用所建立的平煤九礦中長時期Ventsim三維可視化模型，制定了以下幾種優化方案。

方案Ⅰ：由于己組系統阻力較高，故先對礦井高阻力巷道進行擴巷降阻，在滿足硐室、掘進面、備采面、采面等用風地點用風需求的同時，結合附近巷道斷面大小將巷道斷面刷大至16 m2，具體如圖3所示。

方案Ⅱ：在高阻力段刷巷基礎上，將-215進風巷改造為回風巷、打開己二輔助回風聯絡巷，使丁組風機幫助己組風機分擔部分回風，如圖4所示。

方案Ⅲ：在高阻力段刷巷基礎上，由于丁二采區回采結束，丁組風機閑置，則用丁組風機分擔己組風機供風量。因此，新建回風聯絡巷溝通己二回風下山和丁組回風下山，并將丁組風機角度下調到-14°，使丁組風機擔負己二東翼回風風量，己組風機擔負己二西翼回風風量，如圖5所示。

方案Ⅳ：在高阻力段刷巷基礎上，由于向深部開采，主要用風地點集中在礦井的北側，而礦井的回風井均在南側，導致回風線路長，通風阻力大，因此新建回風井，分擔采區回風，如圖6所示。

3.2 優化方案的確定

利用Ventsim三維模擬軟件對中長時期平煤九礦通風系統進行模擬。由于己組系統阻力太高，首先對高阻力段進行擴巷降阻，沿程跟蹤系統發現礦井中長時期高阻力段參數見表2。

在滿足硐室、掘進面、備采面、采面等用風地點用風需求的同時，結合附近巷道斷面大小將上述巷道斷面刷大至16 m2，通過網絡解算得到礦井主要通風機運行工況，見表3。

由解算結果可知，通過實施方案Ⅰ后，即對部分高阻力段巷道刷巷降阻，降阻效果明顯，可以將己組風機負壓降低至3 032 Pa，但其負壓仍然較高。考慮到此時丁二采區回采結束，丁組風機閑置，計劃利用丁組風機分擔己組風機供風量。為驗證雙主風機聯合運轉的可行性，對方案Ⅱ、方案Ⅲ、方案Ⅳ等幾種優化方案進行模擬解算，模擬結果見表4、表5。

由表4、表5可知：①方案Ⅲ實施后，滿足了礦井總需風量的要求，各個主要用風地點也滿足需風量要求，采區不低于現有的配風量。但是實施效果不好，原因在于將己組風機和丁組風機集中并聯，己組回風流分風點在己組總回風巷，這只能降低己組總回風巷至己組回風井部分區域阻力，但是丁組回風系統的丁組回風下山風阻也較大，這導致丁組負壓較高，己組風機負壓降低有限，此外丁組風機、己組風機容易出現風機對拉現象，影響通風系統的穩定性，故此方案不可行。②方案Ⅱ和方案Ⅳ實施后，不僅能夠有效地滿足礦井總需風量的要求，而且通風系統的阻力在礦井總風量為5 000 ～10 000 m3/min時保持在不超過2 500 Pa的范圍內；礦井總風量為3 000 ～5 000 m3/min時，保持在不超過2 000 Pa的范圍內。系統各個用風地點滿足需風量，風量分配合理，保證了采區不低于現有配風量，風機運轉安全穩定。③在實際生產中，考慮到地質條件，礦井采掘深度為-900 m左右，方案Ⅳ新建回風井，在工程量和費用方面，耗費時間多，井巷工程量大，經濟成本耗費較大，方案Ⅱ的實施操作相對簡單，建設工期最短，對礦井正常生產影響較小，主要通風機的運轉成本較低，該結果說明方案Ⅱ更為合理，因此本研究通風系統優化方案確定為方案Ⅱ。

綜上所述，并結合該礦的具體情況，最終選定方案Ⅱ作為最佳的通風系統改造方案。

4 結論

①根據中長時期各用風地點需風量固定風量進行網絡解算，得到滿足此時期用風量時，己組風機需要提供的負壓為8 383 Pa，超過風機負荷能力范圍，己組風機需要提供的風量為7 608 m3/min，在中長時期己組風機擔負風量比當前系統增加了2 641 m3/min，現有的通風系統將無法滿足此時期整個礦井的通風要求。

②針對平煤九礦中長時期雙主風機聯合運轉中存在的問題，通過擴修己二西翼回風下山、己組總回風和丁二回風下山等高阻力段巷道斷面至16 m2，新建回風聯絡巷溝通己二回風下山和丁組回風下山，同時將丁組風機角度下調到-14°，使丁組風機擔負己二東翼回風風量，己組風機擔負己二西翼回風風量。解算得到的己組風機負擔的風量和風壓為102 m3/s、2 459.2 Pa，丁組風機負擔的風量和風壓為53.3 m3/s、1 984.2 Pa。各風機運轉負荷在安全穩定可行的范圍內，主要用風地點通過的風量滿足用風要求，采區不低于現有配風量，各地點的風量分配合理，在實際生產中工程量和費用最少，實施性較強。

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收稿日期：2023-12-06

基金項目：國家自然科學基金資助項目（52274187）；河南省高等學校青年骨干教師培養計劃資助項目（2020GGJS053）。

作者簡介：吳一丹（2000—），女，碩士生，研究方向：通風與防火防爆。