基于Ventsim仿真系統(tǒng)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

王明建，陳 健，黃文爭(zhēng)

(1.山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000;4.冀中能源峰峰集團(tuán) 檢測(cè)中心，河北 邯鄲 056201)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分之一，有煤礦“心臟”之稱，擔(dān)負(fù)向井下輸送新鮮風(fēng)流、稀釋與排出有毒有害氣體、排放粉塵及熱濕等重要任務(wù)。合理、可靠、穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)是防止瓦斯災(zāi)害、煤塵爆炸及火災(zāi)等災(zāi)害發(fā)生的有效方法，同時(shí)也是井下人員健康工作、設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)及良好工作環(huán)境維持的有力保障。

通過Ventsim仿真系統(tǒng)可以對(duì)礦井巷道風(fēng)流的風(fēng)量、風(fēng)速及阻力進(jìn)行模擬，實(shí)時(shí)三維顯示計(jì)算結(jié)果，并可將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出至EXCEL中，供礦井通風(fēng)管理人員查看與分析，為井下實(shí)際通風(fēng)管理提供依據(jù)[1-2]。本文在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井通風(fēng)理論和Ventsim仿真平臺(tái)進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，為該礦通風(fēng)系統(tǒng)的改造(北部風(fēng)井的建立)提供理論指導(dǎo)[3]。

1 礦井概況

1.1 礦井交通與通風(fēng)

該礦井中部為目前采掘區(qū)域，北部為待采區(qū)域。目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)為三進(jìn)兩回布置，南部主立井、副立井和中部副立井進(jìn)風(fēng)，南部回風(fēng)立井和中部回風(fēng)立井回風(fēng)。

1.2 礦井煤塵與瓦斯

井田恒溫帶深度在40 m左右，恒溫帶溫度為13.5 ℃，地溫梯度1.3 ℃/100 m，屬地溫正常區(qū)。目前所采3號(hào)煤層的煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，3號(hào)煤層屬于不易自燃煤層。礦井實(shí)測(cè)瓦斯賦存主要參數(shù)見表1。

表1 瓦斯賦存主要參數(shù)

2 北部風(fēng)井建設(shè)的必要性

目前南部回風(fēng)立井回風(fēng)17 500 m3/min，中部回風(fēng)立井回風(fēng)14 500 m3/min，根據(jù)礦井生產(chǎn)銜接規(guī)劃，中部回采結(jié)束后轉(zhuǎn)移至北部區(qū)域進(jìn)行回采。礦井北部盤區(qū)按照東西翼同時(shí)開采設(shè)計(jì)，計(jì)劃布置2個(gè)回采工作面、2個(gè)備用工作面、14個(gè)掘進(jìn)工作面，南翼區(qū)域無采掘工作面。

北部區(qū)域若不建設(shè)風(fēng)井，則由中部進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)、中部回風(fēng)立井回風(fēng)，按照通風(fēng)最困難時(shí)期，設(shè)計(jì)最大阻力路線：中部進(jìn)風(fēng)井—北部進(jìn)風(fēng)大巷—采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷—工作面運(yùn)輸巷—工作面—工作面回風(fēng)巷—采區(qū)回風(fēng)巷—北部回風(fēng)大巷—中部回風(fēng)井，路線總長(zhǎng)度達(dá)到了18 090.6 m。根據(jù)《AQ 1028-2006 煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》5.1.9的規(guī)定，礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量大于20 000 m3/min時(shí)，總阻力應(yīng)小于3 920 Pa，北部區(qū)域總需風(fēng)量見表2。

表2 礦井北部區(qū)域需風(fēng)量

根據(jù)目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)測(cè)參數(shù)、礦井北部區(qū)域需風(fēng)量及路線總長(zhǎng)度，結(jié)合公式H=RQ2，預(yù)估未來的礦井通風(fēng)系統(tǒng)最大總阻力約為12 000 Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)定的3 920 Pa。因此，根據(jù)規(guī)定有必要規(guī)劃建立北部進(jìn)風(fēng)井，并對(duì)其可行性進(jìn)行論證[4-5]。

3 礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)的建立

以礦井采掘工程平面圖為基礎(chǔ)，建立礦井三維通風(fēng)仿真模型，根據(jù)實(shí)測(cè)的礦井巷道參數(shù)對(duì)仿真模型中每條巷道的賦值，并進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算。通過與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，仿真結(jié)果誤差不超過5%，表明可基于該仿真模型對(duì)建設(shè)北部進(jìn)風(fēng)井的可行性進(jìn)行論證，礦井實(shí)測(cè)參數(shù)見表3[6]。

依據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)(詳細(xì)參數(shù)見表3)，以目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立仿真模型，通過仿真模型計(jì)算出模擬負(fù)壓，并與礦井風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)的實(shí)測(cè)負(fù)壓進(jìn)行對(duì)比[7-8]，計(jì)算誤差，見表4。

表3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)測(cè)參數(shù)

表4 礦井仿真與實(shí)測(cè)負(fù)壓

4 北部建設(shè)進(jìn)風(fēng)井的通風(fēng)系統(tǒng)仿真

北部建設(shè)進(jìn)風(fēng)井的通風(fēng)仿真系統(tǒng)依據(jù)該礦通風(fēng)最困難時(shí)期進(jìn)行設(shè)計(jì)，在北部九盤區(qū)按照東西翼同時(shí)開采設(shè)計(jì)，總風(fēng)量按36 000 m3/min配給。

1) 不建設(shè)北部進(jìn)風(fēng)井。中部進(jìn)風(fēng)立井作為主進(jìn)風(fēng)井，南部進(jìn)風(fēng)立井輔助進(jìn)風(fēng)，中部回風(fēng)立井回風(fēng)。在目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合北部區(qū)域需風(fēng)量和礦井實(shí)測(cè)參數(shù)，建立包括北部區(qū)域在內(nèi)的全礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)，利用此仿真系統(tǒng)計(jì)算礦井通風(fēng)最困難時(shí)期的阻力。仿真結(jié)果：礦井最困難時(shí)期通風(fēng)阻力為8 930.5 Pa，超出規(guī)定的3 920 Pa，個(gè)別出現(xiàn)巷道超速現(xiàn)象，見表5。

表5 方案1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力

2) 建設(shè)北部進(jìn)風(fēng)井。中部進(jìn)風(fēng)立井和北部進(jìn)風(fēng)立井同時(shí)作為進(jìn)風(fēng)井，中部回風(fēng)立井回風(fēng)。利用所建立的全礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)，并結(jié)合北部區(qū)域需風(fēng)量和礦井實(shí)測(cè)參數(shù)[9]，建設(shè)北部風(fēng)井后礦井通風(fēng)最困難時(shí)期的阻力，仿真結(jié)果：礦井最困難時(shí)期通風(fēng)阻力為3 559.0 Pa，符合規(guī)定的要求，見表6。

表6 方案2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)(表5)繪制北部風(fēng)井建設(shè)前的礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力三區(qū)分布圖，由圖1可知，進(jìn)風(fēng)區(qū)通風(fēng)阻力為4 452.0 Pa，用風(fēng)區(qū)阻力為735.2 Pa，回風(fēng)區(qū)阻力為3 743.3 Pa。用風(fēng)區(qū)阻力占通風(fēng)總阻力比例較小，而進(jìn)、回風(fēng)阻力占總阻力的90%以上，顯然是由于進(jìn)、回風(fēng)路線過長(zhǎng)導(dǎo)致。同時(shí)總阻力也超出了所規(guī)定的3 920 Pa。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)(表6)繪制北部風(fēng)井建設(shè)后的礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力三區(qū)分布圖，由圖1、圖2可知，進(jìn)風(fēng)區(qū)阻力由4 452.0下降為786.2 Pa；用風(fēng)區(qū)阻力為722.8 Pa，基本沒有變化；回風(fēng)區(qū)阻力由3 743.3 Pa下降為2 050 Pa，與建設(shè)北部風(fēng)井前相比，進(jìn)、回風(fēng)阻力明顯下降，三區(qū)阻力分布較之前更加合理，同時(shí)滿足了規(guī)程的要求。

圖1 通風(fēng)阻力三區(qū)分布(建設(shè)北部進(jìn)風(fēng)井前)

圖2 通風(fēng)阻力三區(qū)分布(建設(shè)北部進(jìn)風(fēng)井后)

5 結(jié) 語

本文依托礦井建設(shè)北部區(qū)域進(jìn)風(fēng)井工程，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬等綜合研究方法，結(jié)合Ventsim仿真系統(tǒng)，對(duì)礦井建設(shè)北部風(fēng)井前、后的通風(fēng)困難時(shí)期的最大通風(fēng)阻力進(jìn)行預(yù)測(cè)。仿真數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，建設(shè)北部風(fēng)井前通風(fēng)困難時(shí)期礦井最大通風(fēng)阻力高達(dá)8 930.5 Pa，進(jìn)、回風(fēng)阻力占總阻力90%以上；建設(shè)北部風(fēng)井后通風(fēng)困難時(shí)期礦井最大通風(fēng)阻力降至3 559.0 Pa，進(jìn)、回風(fēng)阻力明顯下降，進(jìn)風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)和回風(fēng)區(qū)三區(qū)阻力分布更加合理，同時(shí)滿足規(guī)程的要求。根據(jù)Ventsim仿真系統(tǒng)的模擬結(jié)果可知建設(shè)北部風(fēng)井的方案可行，這具有一定的指導(dǎo)意義。