基于VSE 軟件的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

郭鵬閣

（國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，新疆 哈密 839000）

1 研究背景

通風(fēng)系統(tǒng)對井下安全生產(chǎn)具有重要作用[1]，不僅負(fù)責(zé)為井下作業(yè)人員提供新鮮空氣，而且排除有毒有害氣體，從而創(chuàng)造安全的工作環(huán)境[2-3]。保障通風(fēng)系統(tǒng)安全，預(yù)防“一通三防”事故的發(fā)生，是煤礦安全生產(chǎn)工作的重中之重[4-5]。

大南湖一礦位于新疆哈密，自2008 年投產(chǎn)，迄今已生產(chǎn)12 年時間。由于前期重生產(chǎn)，缺乏對通風(fēng)系統(tǒng)的科學(xué)管理，導(dǎo)致大南湖一礦通風(fēng)系統(tǒng)存在部分巷道微風(fēng)、回風(fēng)大巷風(fēng)速偏高、井下通風(fēng)設(shè)施較多、部分角聯(lián)分支易發(fā)生風(fēng)流轉(zhuǎn)向、礦井通風(fēng)阻力分布不合理等問題，且三煤膠運(yùn)大巷的進(jìn)回風(fēng)屬性存在異議。大南湖一礦通風(fēng)系統(tǒng)及其設(shè)施布置圖，如圖1 所示。為此，本文基于全礦通風(fēng)參數(shù)精準(zhǔn)普查，借助中國礦業(yè)大學(xué)的“通風(fēng)仿真專家”（VSE）軟件對大南湖一礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究流程

（1）全礦通風(fēng)參數(shù)精確普查

采用氣壓計法對全礦井通風(fēng)阻力進(jìn)行測定，同時測量測段內(nèi)巷道風(fēng)速、斷面、干溫度和相對濕度等參數(shù)。

（2）構(gòu)建大南湖一礦礦井通風(fēng)三維可視化仿真系統(tǒng)

通過“通風(fēng)仿真專家”（VSE）（通風(fēng)系統(tǒng)仿真軟件），將井下井巷數(shù)據(jù)錄入、添加構(gòu)筑物與通風(fēng)動力裝置、編輯巷道屬性等多個環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的三維可視化操作，從而方便地考察和評估通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀。根據(jù)大南湖一礦采掘平面圖、通風(fēng)系統(tǒng)圖及通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定數(shù)據(jù)構(gòu)建了大南湖一礦通風(fēng)仿真系統(tǒng)，利用VSE 本身的拓?fù)錂z查功能進(jìn)行檢查并修改完善。

（3）礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

針對大南湖一礦通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)，提出多種優(yōu)化方案，借助VSE 軟件對各種方案優(yōu)化效果進(jìn)行對比分析，最終確定適合大南湖一礦通風(fēng)系統(tǒng)改造的最佳方案。

圖1 大南湖一礦通風(fēng)系統(tǒng)及通風(fēng)設(shè)施布置示意圖

3 優(yōu)化方案與效果分析

結(jié)合大南湖一礦通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際狀況，針對現(xiàn)存問題提出了四種優(yōu)化方案，采用VSE 軟件進(jìn)行了模擬研究，相關(guān)優(yōu)化研究結(jié)果如下：

（1）方案一：將三煤膠運(yùn)大巷改造成進(jìn)風(fēng)巷

三煤膠運(yùn)大巷在大南湖一礦通風(fēng)系統(tǒng)中，一部分承擔(dān)進(jìn)風(fēng)巷作用，一部分承擔(dān)回風(fēng)巷作用，導(dǎo)致該巷道性質(zhì)存在爭議。若將三煤膠運(yùn)大巷完全改造成進(jìn)風(fēng)巷，則需對全礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造（見表1）。改造完成后，對整個優(yōu)化方案進(jìn)行模擬，主要優(yōu)化效果，見表2、表3。

表1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造部分

由表2 和表3 可知，將三煤膠運(yùn)大巷改造成進(jìn)風(fēng)巷后，風(fēng)機(jī)負(fù)壓增加了100 Pa 左右，風(fēng)機(jī)風(fēng)量減少了370 m3/min，礦井等積孔也減少了。同時，回風(fēng)石門大巷的風(fēng)量減少，整個回風(fēng)大巷的風(fēng)量增加，導(dǎo)致回風(fēng)大巷內(nèi)的風(fēng)速增大，回風(fēng)段阻力增加，整個通風(fēng)系統(tǒng)的阻力增加，全礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力增加，最終導(dǎo)致全礦井的進(jìn)風(fēng)量減少，說明該方案不可行。

表2 優(yōu)化前后主要通風(fēng)機(jī)參數(shù)變化

表3 回風(fēng)段巷道優(yōu)化前后參數(shù)變化

（2）方案二：增加主要通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增加總進(jìn)風(fēng)量

大南湖一礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在井下部分巷道微風(fēng)現(xiàn)象，雖然主要通風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量都滿足要求，但說明礦井富余系數(shù)偏小，而且目前礦井主要通風(fēng)機(jī)潛力很大，井下巷道風(fēng)速如果偏低，不利于有毒有害氣體和粉塵的排出，且容易造成瓦斯積聚，引起瓦斯事故，導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)抗災(zāi)能力弱，不利于煤礦的安全生產(chǎn)，因此提出調(diào)節(jié)主要通風(fēng)機(jī)增加總風(fēng)量的優(yōu)化方案。該方案主要優(yōu)化效果，見表4～6。

表4 優(yōu)化前后主要通風(fēng)機(jī)及用風(fēng)地點(diǎn)參數(shù)變化

表5 優(yōu)化后井下微風(fēng)巷道情況表

由表4 和表5 可知，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓雖然增大了一些，但全礦井通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量增加2000 m3/min左右，減少了井下微風(fēng)巷道數(shù)目，而且剩余存在的微風(fēng)巷道也是由于設(shè)置了通風(fēng)設(shè)施的原因，即通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)施可解決井下部分巷道風(fēng)速偏低的問題，保證井下每條巷道風(fēng)速都能達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》要求，提高全礦井通風(fēng)系統(tǒng)抗災(zāi)能力。關(guān)于回風(fēng)段巷道風(fēng)速過大問題，也得到了相應(yīng)解決。優(yōu)化前后回風(fēng)段巷道風(fēng)速變化見表6。

（3）方案三：將三煤膠運(yùn)大巷改造成回風(fēng)巷

目前三煤膠運(yùn)大巷在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中承擔(dān)著回風(fēng)巷還是進(jìn)風(fēng)巷的作用，有爭議。如果將三煤膠運(yùn)大巷完全改造成回風(fēng)巷，則需對部分通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，如圖2：在（1）處貫通，大約50 m 左右；在（2）處的平巷加雙向風(fēng)門；將（3）內(nèi)配電設(shè)備加防火門挪到（1）處；將（4）處的密閉打開；將（3）處的巷道堵死；其他地方做相應(yīng)調(diào)整。改造完成后，對整個優(yōu)化方案進(jìn)行模擬，主要優(yōu)化效果見表7。優(yōu)化后通風(fēng)系統(tǒng)三煤膠運(yùn)大巷完全改造成回風(fēng)巷，其他通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)基本保持不變，但通風(fēng)系統(tǒng)存在的其他問題仍然沒有解決，如部分巷道微風(fēng)，部分巷道風(fēng)速超限等。

表6 優(yōu)化前后回風(fēng)段巷道風(fēng)速變化情況表（m/s）

圖2 方案三改造部分

（4）方案四：合并方案二、三，將三煤膠運(yùn)大巷改造成回風(fēng)巷，增加總進(jìn)風(fēng)量

將方案二、三合并改造礦井后的優(yōu)化仿真效果，由表8 和表9 可知：總風(fēng)量增加了2134 m3/min，優(yōu)化后微風(fēng)或風(fēng)速超限情況得到比較好的解決，同時三煤膠運(yùn)大巷改造成回風(fēng)巷，不再存在爭議，效果良好，因而屬于大南湖一礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的最優(yōu)方案。

表7 優(yōu)化前后主要通風(fēng)機(jī)及用風(fēng)地點(diǎn)參數(shù)變化

表8 優(yōu)化前后主要通風(fēng)機(jī)及用風(fēng)地點(diǎn)參數(shù)變化

表9 優(yōu)化后井下微風(fēng)巷道情況表

4 結(jié)論

大南湖一礦通風(fēng)系統(tǒng)存在部分巷道微風(fēng)、回風(fēng)大巷風(fēng)速偏高、井下通風(fēng)設(shè)施較多、部分角聯(lián)分支易發(fā)生風(fēng)流轉(zhuǎn)向、礦井通風(fēng)阻力分布不合理以及三煤膠運(yùn)大巷定性不明等問題。對此，提出了四種優(yōu)化方案，并借助VSE 軟件對各軟件優(yōu)化效果進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，相比于其他三種優(yōu)化方案，將三煤膠運(yùn)大巷改造成回風(fēng)巷，同時增加總進(jìn)風(fēng)量的方案（方案四）不僅較好地解決了通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，而且使得三煤膠運(yùn)大巷完全定性，滿足了現(xiàn)場安全生產(chǎn)的需要。