基于Ventsim對平煤四礦后期通風改造方案優(yōu)化分析

徐明偉，張 驎，張 勇，湯 舟

(1.華北科技學院，北京 東燕郊 101601;2國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京 100731)

基于Ventsim對平煤四礦后期通風改造方案優(yōu)化分析

徐明偉1，張 驎2，張 勇1，湯 舟1

(1.華北科技學院，北京 東燕郊 101601;2國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京 100731)

隨著平煤四礦三水平采區(qū)開拓向下部進行，戊煤采區(qū)繼續(xù)北部延伸。原有的通風系統(tǒng)不合理性顯現(xiàn)。在測定平煤四礦全礦井通風阻力的基礎上，利用Ventsim建立的平煤四礦全礦井三維可視化模型，對四礦后期的開拓提出的方案進行逐一分析，對其通風阻力變化、通風安全管理可行性分析、經(jīng)濟合理性論證。最終根據(jù)分析結果選擇最優(yōu)方案作為四礦后期改造方案，這對于節(jié)約成本，提高礦山安全管理，準確定量通風核算，加快礦山數(shù)字化建設具有重要意義。

Ventsim；三維建模；風阻測定；通風優(yōu)化

0 引言

平煤四礦1955年開工建設，1958年8月投產(chǎn)，是新中國成立后最早的一批礦井之一。平煤四礦由于開采強度不斷增加，礦井向深部開采的速度加快，瓦斯涌出量普遍增大，地溫升高，礦井通風系統(tǒng)變得越來越復雜。四礦生產(chǎn)正由二水平向三水平過渡，形成了多進風井、多回風井、多水平的復雜通風系統(tǒng)，由于多進風井和多回風井通風系統(tǒng)的不完全獨立性，使得通風網(wǎng)絡不可避免存在一些角聯(lián)分支，風流穩(wěn)定性受到較大程度的影響[1]。隨著開拓的進行，一味延長通風路線勢必會造成巨大的能量浪費。礦井通風阻力分布不盡合理，存在高阻力回風段，多風井多風機聯(lián)合運轉(zhuǎn)的相互影響較大，給礦井日常通風調(diào)節(jié)管理、礦井災害的預防和控制帶來很大的困難，對礦井通風系統(tǒng)安全可靠性造成較大的威脅。另外隨著煤炭形勢的低迷，煤炭經(jīng)濟遭遇困難，這給下一步開拓方案經(jīng)濟可行性分析帶來嚴苛的挑戰(zhàn)。本文在收集平煤四礦通風參數(shù)的基礎上利用ventsim軟件，建立全礦井通風三維可視化模型，模擬所提出的改造方案，對后期礦井改造提供依據(jù)。

1 通風阻力的測定

結合礦井的生產(chǎn)布局和通風系統(tǒng)現(xiàn)狀，選擇4條風流路線長、風量大，且包含采區(qū)或工作面，能反映礦井通風系統(tǒng)特征的路線做為主要測定路線，其他做為輔助測定路線。煤礦開采方法及技術對煤礦的安全生產(chǎn)、生產(chǎn)成本、經(jīng)濟效益具有十分重要的作用[7-10]。采用精密氣壓計逐點測定法測定巷道分支處大氣壓力，在各測點測定風流壓力的同時應測量巷道的風速、斷面尺寸、氣象條件等。如此依次測定全部的測點，待測點氣壓計回到井口時再重新校對儀器讀數(shù)，以檢查儀器的誤差，至此測定完畢[2-4]。則兩測點間的通風阻力為：

hr(i,i+1)=hs(i,i+1)+hz(i,i+1)+hv(i,i+1)

(1)

式中：hs—靜壓差；hz—位壓差；hv—速壓差。

表1 主要線路通風阻力分布

根據(jù)本次通風測定結果分析：一水平風井戊組采區(qū)通風系統(tǒng)通風總線路較長，通風阻力較大，約為3797.5Pa，礦井回風系統(tǒng)中尤其突出通風阻力1993.3Pa，占總阻力的52.5%，除三水平風井丁九采區(qū)通風系統(tǒng)回風段通風阻力占總阻力比例較小外，其它系統(tǒng)回風段阻力均超過40%。根據(jù)實測數(shù)據(jù)顯示，平煤四礦通風系統(tǒng)不合理極凸顯。因此，對四礦進行通風優(yōu)化改造是必要的。

2 建立全礦井Ventsim模型

Ventsim可以風流動態(tài)模擬、對各種關鍵數(shù)據(jù)進行著色，結果直觀，可非常方便的對風流、壓力、通風成本和其他通風相關的主要數(shù)據(jù)進行建模。與其他軟件相比在可視化程度，計算精度以及計算速度方面具有優(yōu)越性，與同等通風網(wǎng)絡結算軟件對比具有優(yōu)越性，如圖1。

(1) 理論分析

軟件采用Hardy-Cross迭代法求解通風網(wǎng)絡[5]，在本質(zhì)上是依據(jù)風量平衡定律、風壓平衡定律、風阻定律和通風系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)的基礎上建立的系統(tǒng)模型。根據(jù)通風網(wǎng)絡中各個分支巷道的初始風量，近似求出各個風路的風量增值ΔQk(修正值)，對風路中各分支巷道的風量分別進行修正，再迭代計算，直到修正值ΔQk滿足給定精度。

對節(jié)點為m、分支為n的通風網(wǎng)路，可選定N=n-m+1個余樹枝和獨立回路。以余樹枝風量為變量，樹枝風量可用余樹枝風量來表示。根據(jù)風壓平衡定律，每一個獨立回路對應一個方程，這樣建立起一個由N個變量和N個方程組成的方程組，求解該方程組的根即可求出0個余樹枝的風量，然后求出樹枝的風量[6]。

1 與同類通風優(yōu)化軟件相比柱狀圖

簡化后得出回路風量修正值的一般數(shù)學表達式為：

(2)

H通——獨立回路中的通風機風壓，其作用的風流方向與余樹枝同向時取負值，反之為正值。

H自——獨立回路中的自然風壓，其作用的風流方向與余樹枝同向時取負值，反之為正值。

按公式(2)分別求出各回路的風量修正值，由此對各回路中的分支風量進行修正，求得風量的近似真實值，即

(3)

根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立三維可視化模型，根據(jù)實測值輸入個巷道風阻，并且根四礦實際情況添加風機。

(2) 礦井通風可視化模擬誤差分析

礦井通風系統(tǒng)可視化自動解算優(yōu)化系統(tǒng)模擬解算出的結果是否與實際礦井一致，是礦井智能優(yōu)化的前提和關鍵，只有與礦井實際情況盡量一致，模擬后提出的礦井優(yōu)化方案才具有可行性，所以必須對系統(tǒng)模擬解算結果進行驗證。針對四礦井下風量數(shù)據(jù)，課題實際風量和模擬風量進行了對比，見下表。

表2 通風現(xiàn)狀部分巷道風量數(shù)據(jù)對照表

續(xù)表

從模擬結果可以得出：當?shù)V井通風系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，主要巷道的模擬風量與實測風量的偏差率都在10%以內(nèi)，符合要求。故該三維模型可以作為四礦模型進行模擬。

3 優(yōu)化方案的提出與分析優(yōu)化分析

3.1 課題組人員與四礦技術人員提出三套優(yōu)化方案，并分別進行模擬

方案一：庚一采區(qū)開采，二水平風井只承擔庚一采區(qū)回風任務。

為使庚一采區(qū)形成工作面后，工作面風量達到要求，且調(diào)整己三采區(qū)與三水平采通風角聯(lián)區(qū)域，使用二水平風井單獨為庚煤回風。此時調(diào)整原己三東?；貫檫M風巷，密閉原己三西專回，己1617—23120工作面改為三水平回風井回風。原己三采區(qū)回風任務由三水平回風井承擔。

方案二：開采庚一采區(qū)，增加庚一采區(qū)專用回風巷道使庚一采區(qū)回風至三水平，停轉(zhuǎn)二風井風機，使其變?yōu)檫M風井。

圖2 庚煤回風

方案三：戊九下延掘回風巷與丁九總回風巷相連，二水平回風井獨立承擔己三采區(qū)的排風任務，關閉丁九采區(qū)和庚一采區(qū)

隨著丁九采區(qū)結束，停用一水平回風井，戊九采區(qū)繼續(xù)下延，考慮到未來開拓情況以及縮短丁九采區(qū)的回風路線，提前將戊九下延與丁九下延回風巷道打通。二水平回風井單獨給己三采區(qū)供風，增加了己三采區(qū)通風的獨立性，增強了礦井抗風險能力。

用ventsim模型模擬個巷道風量風壓情況。

表3 各方案主要巷道的風量

圖3 新增戊組總回

風壓(Pa)北風井一水平風井二水平回風井三水平回風井方案一2096.7/2922.24353.15方案二/3678.8/4278.3方案三//26844375.2

表5 各風機運行情況模擬結果

經(jīng)過模擬計算分析方案一己三皮帶出現(xiàn)風速超標，方案二二水平進風井出現(xiàn)風速超標。三方案風速在規(guī)定范圍內(nèi)，并且全礦能降阻力400Pa。通過風壓對比分析，可判斷出方案三在降低通風阻力方面有較強優(yōu)勢。結合平煤四礦目前開采情況和礦區(qū)遠景規(guī)劃，丁九采區(qū)未來數(shù)月結束后，封閉丁組供風巷道以及丁九回風巷道。避免其漏風造成的不必要的能量浪費。此時停止運行一水平回風井，使其作為進風井繼續(xù)承擔戊九采區(qū)部分供風任務。

庚組煤屬于高硫，易燃并且庚組煤瓦斯含量高，屬于突出煤層?？紤]到目前煤炭形勢以及開采成本。故建議關閉庚組煤，需要調(diào)節(jié)的巷道為：庚一運輸石門打密閉墻，并且封閉庚組總回巷道。

己三采區(qū)下部車場通風較為復雜，做好己三下部車場的通風管理工作。己三巖石東?；叵虏看蛎荛]，使己三采區(qū)風流向上由己三巖石東專回最終進入二水平回風井。

隨著戊九采區(qū)的才開以及下延開拓繼續(xù)，戊九采區(qū)回風線路過長，通風阻力過大。提前讓戊九下延與丁九總回貫通，能搞大大降低通風效率。綜合因素考慮，推薦平煤四礦參考方案三。

4 結論

(1) 在礦井開拓規(guī)劃中，結合ventsim模擬結果，可以有效對方案中的通風情況預測，直觀顯示工程量。對方案的評判提供較高可信度的依據(jù)，節(jié)約成本。

(2) 模擬改造后方案，能夠成三維可視化形式顯示。并且個巷道風量，風速清晰地顯示?；仫L井風機性能也能直觀顯示出來，極大地方便了改造方案優(yōu)選的工作量。

(3) 根據(jù)模擬結果顯示，選擇的方案符合礦井的通風安全管理，經(jīng)濟指標合理，工程量較小，符合礦井遠景規(guī)劃，并且已被企業(yè)采用。

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Analysis of ventilation reconstruction scheme in the later stage of optimization in Pingdingshan No.4 Coal Mine based on Ventsim

XU Ming-wei， ZHANG Lin, ZHANG Yong, TANG Zhou

(1.NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China；2.StateAdministrationofWorkSafety,Beijing, 100731,China)

With the deeper mining at the No.3 flat mining area of Pingdingshan No.4 Coal Mine, and the northerner mining at the Wumei area, the irrationality of the original ventilation has appeared. On the basis of the ventilation resistance determination of the whole Pingdingshan No.4 Coal Mine，its 3D visualization model is established by means of Ventsim, the later stage of the mine's development scheme is analyzed one by one which is presented in about the ventilation resistance changes, the feasibility analysis of ventilation safety management， and economic rationality. Eventually, according to the results of the analysis, the best optimization scheme is chosen for late reconstruction scheme，which is of important significance to save costs, improve mine safety management, accurate quantitative ventilation calculation, and accelerate the digital mine construction .

Ventsim; 3D visualization model; resistance determination; ventilation optimization

2016-03-19

中央高?；究蒲袠I(yè)務基金資助項目(3142014116)

徐明偉(1990-)，男，河南舞陽人，華北科技學院在讀碩士研究生，從事礦山安全方面研究。E-mail：476593817@qq.com

TD724

A

1672-7169(2016)03-0024-06