礦井通風(fēng)系統(tǒng)可視化三維建模與優(yōu)化研究

楊軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 大同 037003）

0 引 言

礦井開采過程中，巷道隨著開采深入動(dòng)態(tài)變化，相應(yīng)的巷道內(nèi)通風(fēng)線路也在動(dòng)態(tài)改變。受開采強(qiáng)度、速度等因素的影響，通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能逐漸減弱，通風(fēng)距離不斷加長，用風(fēng)硐室不斷增多，通風(fēng)壓力損失嚴(yán)重，導(dǎo)致井下巷道所需的通風(fēng)量增加，通風(fēng)阻力不斷升高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在進(jìn)行礦井通風(fēng)系統(tǒng)研究分析過程中，使用通風(fēng)解算軟件成為一種主流方式。將礦井內(nèi)的巷道、風(fēng)道用三維仿真軟件完成建模，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行合理取值，達(dá)到提高通風(fēng)風(fēng)量、提高通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，確保井下的安全高效開采。本文以煤峪口礦為例，利用Ventism 軟件建立通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化模型，對該礦現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 工程概況及問題分析

煤峪口礦井的核定生產(chǎn)能力為81 t/a，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為45 萬t/a，開拓方式為一對立井、多水平開拓，可開采的煤層厚度為7.67 m，煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。礦井采用中央并列與分區(qū)混合方式進(jìn)行通風(fēng)，有3 個(gè)進(jìn)風(fēng)井筒，2 個(gè)回風(fēng)井筒。經(jīng)測定礦井的總進(jìn)風(fēng)量為16 747 m3/min，總回風(fēng)量為17 976 m3/min，現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)超過設(shè)計(jì)所需風(fēng)量，可以滿足生產(chǎn)用的總風(fēng)量要求。但在井下生產(chǎn)過程中，由于南采區(qū)的新鮮風(fēng)流不能沖刷作業(yè)面，部分風(fēng)流存在內(nèi)部短路，巷道出現(xiàn)反風(fēng)，造成通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量極小，通風(fēng)效果欠佳。而北采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量較多，通風(fēng)效果較好。

因此，針對煤峪口礦井下的實(shí)際情況，參照已有的井下開采情況平面圖信息，分析不同巷道的拓?fù)潢P(guān)系確定風(fēng)量采集點(diǎn)位，采用Ventism 三維軟件，通過構(gòu)建通風(fēng)系統(tǒng)模型，研究優(yōu)化措施，根據(jù)模擬仿真結(jié)果，分析優(yōu)化方案的具體效果。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 三維建模

Ventism 三維軟件可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的1:1 建模，構(gòu)建等比例仿真模型用于研究分析，將礦井下煤層、巷道具體數(shù)值輸入系統(tǒng)中，根據(jù)軟件內(nèi)部程序運(yùn)算，可精確得到分析計(jì)算結(jié)果。Ventism 三維軟件處理得到的結(jié)果，誤差小、速度快、可靠性高，對研究分析有很大的幫助作用。Ventism 三維建模的流程如圖1 所示。

圖1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建流程Fig.1 Construction process of mine ventilation system

（1） 在對礦井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模的過程中，需要將次要因素合理簡化，依據(jù)礦井內(nèi)部開采平面圖與通風(fēng)巷道結(jié)構(gòu)圖，從推導(dǎo)計(jì)算復(fù)雜程度等角度簡化得到巷道布置圖，將巷道布置圖具體參數(shù)導(dǎo)入Ventism 三維軟件進(jìn)行建模，得到仿真模型。

（2） 根據(jù)礦井內(nèi)各巷道之間的位置關(guān)系，調(diào)整模型的巷道布置，使其與礦井實(shí)際情況相符合，然后將各個(gè)區(qū)段的巷道參數(shù)輸入到軟件模型中。

（3） 建模還需要將摩擦阻力考慮在內(nèi)，對摩擦阻力系數(shù)合理取值。將通風(fēng)機(jī)位置與設(shè)備參數(shù)輸入到三維軟件中，得到與實(shí)際情況相同的仿真模擬圖。

（4） 根據(jù)礦井的實(shí)際通風(fēng)阻力大小，與仿真模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，判斷三維建模的準(zhǔn)確性。

完成上面4 步操作后，在Ventism 三維軟件菜單欄內(nèi)勾選“實(shí)體巷道”選項(xiàng)框，可得到三維模擬圖的雛形，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行再次調(diào)整后，可構(gòu)建井下通風(fēng)系統(tǒng)的三維模型，煤峪口礦三維通風(fēng)系統(tǒng)模型如圖2 所示。

圖2 礦井三維通風(fēng)系統(tǒng)模型Fig.2 Mine three-dimensional ventilation system model

2.2 現(xiàn)狀模擬

對三維通風(fēng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果顯示巷道的進(jìn)、回風(fēng)分布情況與實(shí)際一致，礦井的總進(jìn)風(fēng)量為16 880 m3/min，回風(fēng)量為16 620 m3/min。由于礦井的開采范圍較大，局部開采引發(fā)的風(fēng)流短路、污風(fēng)反向等問題，與調(diào)查顯示的分析結(jié)果相同。

2.3 優(yōu)化方案

礦井在實(shí)際開采過程中，需要考慮到南北2 個(gè)采煤區(qū)內(nèi)通風(fēng)量的差異，通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，南北采煤區(qū)公共部分線路上通風(fēng)量并不完全一致，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)對正常通風(fēng)有阻礙作用。而且北側(cè)采煤區(qū)的風(fēng)阻也相對較大，給通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷提出了更高要求。針對這些問題，提出2 個(gè)優(yōu)化方案，并在Ventism 三維軟件中進(jìn)行建模，分別驗(yàn)證優(yōu)化方案的效果。

（1） 優(yōu)化方案一。通過在運(yùn)輸巷的末端設(shè)置自動(dòng)風(fēng)門以增加通風(fēng)阻力來減少巷道回風(fēng)量，將南北通風(fēng)系統(tǒng)用調(diào)節(jié)風(fēng)窗隔開，然后將巷道內(nèi)的通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，在巷道的1 200 m 處增加1～3 號3個(gè)風(fēng)門，將4、5 號風(fēng)門的風(fēng)窗面積減小至0.4 m2，將6、7 號位置的所有風(fēng)窗全部拆除。具體的調(diào)整方案如圖3 所示。

圖3 通風(fēng)優(yōu)化方案一Fig.3 Ventilation optimization scheme 1

按要求設(shè)置好風(fēng)門后，對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行三維仿真模擬，得到進(jìn)回風(fēng)井的風(fēng)量變化。與優(yōu)化前方案進(jìn)行對比，主井的實(shí)際風(fēng)量為3 144 m3/min，計(jì)算風(fēng)量為2 907 m3/min，進(jìn)風(fēng)量減少了237 m3/min，斜井的實(shí)際風(fēng)量為2 971 m3/min，計(jì)算風(fēng)量為2 713 m3/min，進(jìn)風(fēng)量減少了258 m3/min，北采區(qū)進(jìn)風(fēng)井的實(shí)際風(fēng)量為6 941 m3/min，計(jì)算風(fēng)量為7 120 m3/min，進(jìn)風(fēng)量增加了179 m3/min，回風(fēng)井的回風(fēng)量基本無變化，通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓上升76 Pa，南采區(qū)回風(fēng)井的實(shí)際風(fēng)量為5 022 m3/min，計(jì)算風(fēng)量為5 396 m3/min，回風(fēng)量增加了374 m3/min，通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓下降382 Pa。

（2） 優(yōu)化方案二。針對北采區(qū)回風(fēng)巷較長，維修成本高的問題，對部分巷道進(jìn)行封閉，減小通風(fēng)系統(tǒng)的壓力。將北翼專用回風(fēng)巷的兩端增加密封墻，在1 和4 兩處壘砌；將2、3、5、6、7號處風(fēng)門的風(fēng)窗面積進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的對應(yīng)數(shù)值為1.5、3.1、0.9、2.4、1.2 m2。具體的調(diào)整方案如圖4 所示。

圖4 通風(fēng)優(yōu)化方案二Fig.4 Ventilation optimization scheme 2

對優(yōu)化的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行三維仿真模擬，得到進(jìn)回風(fēng)井的風(fēng)量變化。與優(yōu)化前方案進(jìn)行對比，主井的實(shí)際風(fēng)量為3 144 m3/min，計(jì)算風(fēng)量為3 415 m3/min，進(jìn)風(fēng)量減少了271 m3/min，斜井的實(shí)際風(fēng)量為2 971 m3/min，計(jì)算風(fēng)量為3 176 m3/min，進(jìn)風(fēng)量增加了205 m3/min，北采區(qū)進(jìn)風(fēng)井的實(shí)際風(fēng)量為6 941 m3/min，計(jì)算風(fēng)量為7 361 m3/min，進(jìn)風(fēng)量增加了420 m3/min，回風(fēng)井的實(shí)際風(fēng)量為7 948 m3/min，計(jì)算風(fēng)量為8 164 m3/min，回風(fēng)量增加了216 m3/min，通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓上升76 Pa，南采區(qū)回風(fēng)井的實(shí)際風(fēng)量為5 022 m3/min，計(jì)算風(fēng)量為5 581 m3/min，回風(fēng)量增加了559 m3/min，通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓下降382 Pa。

對2 個(gè)優(yōu)化方案各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)，2 個(gè)方案都是將礦井下通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整以后，主斜井內(nèi)的風(fēng)量發(fā)生了較大的變化。但兩者存在一些不同，優(yōu)化方案一是通過對風(fēng)門、風(fēng)窗的調(diào)整，將南北采煤區(qū)的通風(fēng)線路進(jìn)行了有效隔離，避免了通風(fēng)機(jī)在聯(lián)合運(yùn)行的過程中發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)異常，改善了通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性；優(yōu)化方案二的方法雖然能降低運(yùn)維費(fèi)用的支出，對通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量減少有改進(jìn)作用，但是通風(fēng)機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行穩(wěn)定性差的問題沒有處理，優(yōu)化效果相對差一些。

3 結(jié) 論

（1） 根據(jù)煤峪口礦井的實(shí)際開采情況，分析現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，采用Ventism 三維軟件建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬仿真結(jié)果與調(diào)查顯示的分析結(jié)果相同，能很好地反映煤峪口礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際情況，為通風(fēng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

（2） 針對南北采區(qū)的通風(fēng)問題，設(shè)計(jì)2 種優(yōu)化方案，經(jīng)仿真模型驗(yàn)證，優(yōu)化方案一的通風(fēng)效果較好，且能解決通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行的穩(wěn)定性問題。