礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型構(gòu)建與優(yōu)化設(shè)計(jì)

耿守鋒

（河南煤安檢測(cè)檢驗(yàn)有限公司, 河南 鄭州 455000）

0 引 言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運(yùn)行關(guān)乎著整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)[1-2]。在煤礦開采過(guò)程中，巷道不斷發(fā)生變化，通風(fēng)線路也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。如何保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)能夠持續(xù)處在最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，一直是礦井開采設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題[3-4]。隨著礦井不斷生產(chǎn)，通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性逐漸變差，通過(guò)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，能夠改善井下工作環(huán)境，提高巷道通風(fēng)風(fēng)量，減少礦井瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生，使礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高，保證礦井持續(xù)安全高效生產(chǎn)[5]。

1 工程概況

平煤六礦所采的丁組煤層直接頂與老頂巖性分別為砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖，底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖。根據(jù)煤層頂?shù)装鍘r性以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察情況，丁組煤層具有良好的瓦斯儲(chǔ)存條件。另外，經(jīng)鑒定礦井煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，煤層具有自然發(fā)火傾向性，礦井屬于自然發(fā)火礦井。

礦井通風(fēng)方式為中央并列與分區(qū)混合通風(fēng)。礦井采用3 個(gè)進(jìn)風(fēng)井筒，分別為主井、明斜井和北翼進(jìn)風(fēng)井?；仫L(fēng)井筒分別為北翼回風(fēng)井和南翼回風(fēng)井。礦井設(shè)計(jì)需風(fēng)量為16 591 m3/min，實(shí)際風(fēng)量為19 594 m3/min，有效風(fēng)量為17 069 m3/min。各風(fēng)井通風(fēng)方式均為機(jī)械通風(fēng)。

目前礦井在生產(chǎn)過(guò)程中，南翼通風(fēng)系統(tǒng)用風(fēng)量較少，運(yùn)行穩(wěn)定，而北翼通風(fēng)系統(tǒng)需風(fēng)量較多。亟待解決礦井南、北翼分區(qū)用風(fēng)量不均衡問(wèn)題。針對(duì)存在的問(wèn)題，通過(guò)Ventsim 軟件構(gòu)建出礦井通風(fēng)模型，提出了具體的優(yōu)化措施，并在通風(fēng)模型中進(jìn)行模擬驗(yàn)算，進(jìn)而對(duì)各優(yōu)化方案的實(shí)施效果進(jìn)行分析，得到最優(yōu)方案。

2 礦井通風(fēng)模型建立

Ventsim 通風(fēng)模擬軟件通過(guò)對(duì)礦井進(jìn)行三維建模，可以真實(shí)反映礦井內(nèi)部通風(fēng)情況，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的局部進(jìn)行分析計(jì)算。礦井三維模型的建立是根據(jù)礦井實(shí)際大小1∶1 建立的。通過(guò)對(duì)礦井內(nèi)部各巷道具體參數(shù)的準(zhǔn)確輸入，依據(jù)軟件內(nèi)部的計(jì)算方法，可以對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果具有一定的可信性。

建模步驟如下：

1）整理礦井的采掘平面圖以及通風(fēng)系統(tǒng)圖等資料，對(duì)巷道布置圖進(jìn)行簡(jiǎn)化處理后導(dǎo)入到軟件中，生成基本模型。

2）根據(jù)巷道的空間關(guān)系，對(duì)模型進(jìn)行具體調(diào)整，使模型中巷道空間布置關(guān)系與實(shí)際相符。將不同區(qū)段巷道的具體參數(shù)輸入到模型中。

3）為巷道的摩擦阻力系數(shù)賦值，并將通風(fēng)機(jī)的位置以及參數(shù)輸入到模型中。根據(jù)礦井實(shí)際情況，在巷道內(nèi)部添加通風(fēng)調(diào)節(jié)設(shè)備，使通風(fēng)模型與實(shí)際情況保持一致。

4）通過(guò)測(cè)定礦井的通風(fēng)阻力與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型建立是否合理準(zhǔn)確。

構(gòu)建完成的礦井三維通風(fēng)模型如圖1 所示。

圖1 礦井通風(fēng)模型圖

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化方案

目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在南、北翼共用通風(fēng)管路的情況。由于在實(shí)際的礦井生產(chǎn)過(guò)程中南、北翼采區(qū)所需風(fēng)量不同，礦井通風(fēng)系統(tǒng)在聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，公用通風(fēng)線路由于所占風(fēng)量比例不同，會(huì)產(chǎn)生一定程度的阻礙作用。另外北翼通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力偏大，造成風(fēng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷增加。針對(duì)以上問(wèn)題，提出2 個(gè)優(yōu)化方案，并通過(guò)Ventsim 模擬軟件進(jìn)行分析，達(dá)到優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)的目的。

優(yōu)化方案1：增設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)門，調(diào)節(jié)風(fēng)窗，使南、北翼通風(fēng)系統(tǒng)分隔。該優(yōu)化方案調(diào)整7 處通風(fēng)設(shè)備，具體通風(fēng)優(yōu)化方案如圖2 所示。

圖2 方案一調(diào)整位置圖

北翼皮帶巷、北翼軌道巷和北翼回風(fēng)巷為3 條公用風(fēng)路。分別在3 條巷道1 200 m 處增設(shè)風(fēng)門，在第4、5 處調(diào)整風(fēng)窗大小為0.4 m2，在第 6、7 處將原有的風(fēng)窗拆除。

優(yōu)化方案2：封閉部分北翼回風(fēng)巷，由于北翼回風(fēng)巷總長(zhǎng)較長(zhǎng)，維護(hù)成本較高，將部分巷道封閉可以減小通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)壓力。具體調(diào)整位置見圖3。

圖3 方案2 調(diào)整位置圖

在1 處和4 處分別壘砌密封墻以封閉回風(fēng)巷0-1 200 m 段。調(diào)節(jié)2 處風(fēng)窗面積為1.5 m2，將3 處風(fēng)窗面積改為3.1 m2，5 處風(fēng)窗面積改為0.9 m2，6處風(fēng)窗面積改為2.4 m2，7 處風(fēng)窗面積改為1.2 m2。

3.2 數(shù)值驗(yàn)算

根據(jù)優(yōu)化方案1 所述，在構(gòu)建好的礦井三維通風(fēng)模型中將所列的7 處通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)Ventsim 模擬軟件進(jìn)行驗(yàn)算分析，得到進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井的風(fēng)量變化。進(jìn)、回風(fēng)井風(fēng)量變化見表1，南、北翼主通風(fēng)機(jī)工況變化見表2。

表1 方案1 進(jìn)、回風(fēng)井風(fēng)量變化表

表2 方案1 通風(fēng)機(jī)工況變化表

通過(guò)對(duì)表1 的風(fēng)量變化分析可知，主井與明斜井進(jìn)風(fēng)量與優(yōu)化前相比分別減少了237 m3/min 和258 m3/min，北翼進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量增加了179 m3/min，南翼回風(fēng)井回風(fēng)量增加了374 m3/min，而北翼回風(fēng)井風(fēng)量基本沒有發(fā)生變化。

分析通風(fēng)機(jī)工況變化情況，北翼通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓偏高且上升了76 Pa，風(fēng)量減少了114 m3/min。南翼通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓下降382 Pa，風(fēng)量增加了443 m3/min。

根據(jù)優(yōu)化方案2 提出的措施，在礦井三維通風(fēng)模型的對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行調(diào)整。采用Ventsim 模擬軟件進(jìn)行驗(yàn)算分析，得到優(yōu)化方案2 的進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井的風(fēng)量變化數(shù)據(jù)。進(jìn)、回風(fēng)井風(fēng)量變化見表3，南、北翼主通風(fēng)機(jī)工況變化見表4。

表3 方案2 進(jìn)、回風(fēng)井風(fēng)量變化表

表4 方案2 通風(fēng)機(jī)工況變化表

通過(guò)對(duì)表3 的前后風(fēng)量變化對(duì)比分析可知，進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井風(fēng)量變化均有所增加。主井與明斜井進(jìn)風(fēng)量分別增加了271 、205 m3/min，北翼進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量則增加了420 m3/min，南翼回風(fēng)井回風(fēng)量增加了559 m3/min，北翼回風(fēng)井風(fēng)量增加了216 m3/min。

分析優(yōu)化方案2 通風(fēng)機(jī)工況變化情況，北翼通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓下降了175 Pa，風(fēng)量增加了130 m3/min。南翼通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓下降499 Pa，風(fēng)量增加了580 m3/min。

對(duì)比2 個(gè)優(yōu)化方案的風(fēng)量變化可知，通風(fēng)設(shè)備的調(diào)整對(duì)主井和明斜井的影響比較大，方案1 計(jì)算風(fēng)量減小，而方案2 計(jì)算風(fēng)量增大。另外，方案1 的調(diào)整對(duì)北翼回風(fēng)井的影響較小。

3.3 優(yōu)化方案評(píng)選

通過(guò)Ventsim 軟件模擬分析，方案1 對(duì)北翼通風(fēng)系統(tǒng)的影響較小。通過(guò)調(diào)整第7 處通風(fēng)設(shè)備將礦井南、北翼通風(fēng)線路分開，有效解決了礦井風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行不穩(wěn)定的問(wèn)題，使礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行趨于平穩(wěn)。

從方案2 的模擬結(jié)果分析，南翼回風(fēng)井風(fēng)量增加559 m3/min，而北翼回風(fēng)井回風(fēng)量增加216 m3/min。北翼采區(qū)供風(fēng)量不足，回采面風(fēng)量減少，影響礦井的安全生產(chǎn)。另外，采用方案2 封閉了一段北翼回風(fēng)巷，雖然降低了一定的維護(hù)成本，緩解了北翼采區(qū)供風(fēng)量緊張的問(wèn)題，但從通風(fēng)系統(tǒng)安全運(yùn)行角度分析，沒有根本解決礦井風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行的問(wèn)題。

4 結(jié) 論

1）結(jié)合礦井內(nèi)部通風(fēng)情況，采用Ventsim 模擬軟件構(gòu)建礦井三維模型。通過(guò)對(duì)礦井內(nèi)部各巷道具體參數(shù)以及通風(fēng)設(shè)備的準(zhǔn)確輸入，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行精確計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果具有一定的可信性。

2）提出2 種通風(fēng)優(yōu)化方案，通過(guò)Ventsim 模擬軟件進(jìn)行分析驗(yàn)算后，評(píng)選方案1 為最優(yōu)方案，有效解決了礦井風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行不穩(wěn)定的問(wèn)題。