基于VentSim的斜溝煤礦15采區(qū)通風系統(tǒng)優(yōu)化設計

賈星存

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

近年來，成熟的礦井通風輔助決策型軟件已經(jīng)幫助不少礦井完成了優(yōu)化改造[1,2]. 借助計算機強大的計算能力，再復雜的風網(wǎng)也能夠快速完成解算任務[3,4]. 這使得人們能夠在計算機上對通風系統(tǒng)調(diào)節(jié)方案進行“預演”，找到最優(yōu)的優(yōu)化方案[5,6]. 本文運用Ventsim三維通風仿真軟件，對斜溝煤礦15采區(qū)進行了三維通風仿真模型的建立和優(yōu)化調(diào)節(jié)方案的仿真設計.

1 工程背景

斜溝煤礦15采區(qū)通風由斜溝回風井負擔，由副平硐、主帶式輸送機井進風，斜溝回風井同時給+700水平提供約1 000 m3/min 風量。15采區(qū)共有18503工作面和16502工作面兩個生產(chǎn)工作面；有18505材料巷和18505帶式輸送機巷兩個煤巷掘進生產(chǎn)工作面；其他用風地點有井下火藥庫、水倉水泵房、15采區(qū)變電所、15采區(qū)消防材料庫。

優(yōu)化前斜溝回風井主扇負壓：1 600 Pa，風葉角度：-3°/-3°，排風量：8 460 m3/min，采區(qū)目前通風阻力分布合理，符合規(guī)程要求，但考慮到日后加大產(chǎn)量，需降低阻力，提高風量，以保障生產(chǎn)需求，需要對15采區(qū)通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

2 通風網(wǎng)絡解算理論及Ventsim介紹

2.1 通風網(wǎng)絡解算理論

斯考得亨斯雷算法是通風網(wǎng)絡解算的通用算法，經(jīng)過大量實踐驗證，穩(wěn)定高效，且能夠獲得高精度解[7-9]. 求解的基本方程有：

1) 質(zhì)量守恒。

網(wǎng)絡中流入和流出節(jié)點的質(zhì)量守恒，網(wǎng)絡m個節(jié)點，可建立m-1個方程。

(1)

式中：

bij—基本關聯(lián)矩陣的元素；

qi—第i條分支的流量。

式(1)用矩陣表達為：

BQ=0

(2)

式中：

B—基本關聯(lián)矩陣；

Q—分支流量列矩陣。

2) 能量守恒。

對于一條巷道，根據(jù)伯努利方程可得：

(3)

hi=ΔP+ΔD+ΔW=Rq2

(4)

對任一個穩(wěn)態(tài)回路：

∑hi-hz-hf=0

(5)

對所有的回路，表示成矩陣形式為：

CH=0

(6)

風網(wǎng)有n條分支，m個節(jié)點，這樣又得到n-m+1個方程。式中：C為基本回路矩陣；H為分支阻力列矩陣；R為巷道的風阻；hi、hz、hf分別為分支阻力、自然風壓和機械風壓。

根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒共n個方程n個未知量，可以聯(lián)立這些方程求解。聯(lián)立上述方程得到一組非線性方程組：

Fn(Qn)=0

(7)

因為是非線性方程組，用迭代法求解：

(8)

(9)

(10)

(11)

這樣便得到了一次迭代修正后的風量值，經(jīng)過反復迭代運算，ΔQ小到滿足精度的要求，便可完成解算，此時的Q便是需要的解。

具體到通風網(wǎng)絡解算中，斯考德亨斯雷解法是將J矩陣簡化為主對角矩陣，見式(11)，以簡化矩陣求逆操作，減少計算量，但同時其收斂效果受到影響，這種解法需要將解算的量進行適當排序方可有較好的收斂效果，但同時這種解法對初始值的要求放寬了。

2.2 Ventsim介紹

Ventsim三維通風仿真系統(tǒng)提供了一個用于分析風流模擬、熱模擬、污染物模擬和通風經(jīng)濟性的集成工具箱。Ventsim能夠模擬與記錄生產(chǎn)礦井風流及風壓，模擬新掘和廢棄井巷后風網(wǎng)系統(tǒng)的變化，輔助進行短期和長期通風系統(tǒng)規(guī)劃，輔助礦井通風系統(tǒng)進行風機選型，輔助進行礦井通風經(jīng)濟性分析，模擬煙霧、粉塵、有害氣體擴散路徑和濃度，輔助災害和緊急情況處理預案制定，可對煤礦井下熱源、濕源和冷源進行分析，支持深井空氣壓縮分析、主要風路經(jīng)濟斷面選型、風網(wǎng)通風經(jīng)濟性和通風能力分析，通過在礦井中的不同情況，基于動態(tài)時間分析污染物、氣體、柴油顆粒和熱擴散、串聯(lián)通風和循環(huán)風預測，可對井下柴油機排放顆粒物濃度進行模擬[10-11].

3 基于VentSim建模及優(yōu)化分析

3.1 基于Ventsim的三維通風模型建立

1) 建立模型。通過在采掘工程平面圖上的導線點標高，提取巷道中心線，導入到Ventsim中，通過轉(zhuǎn)化成巷道功能將中心線轉(zhuǎn)化成三維巷道模型。模型見圖1.

圖1 15采區(qū)三維通風系統(tǒng)模型圖

2) 錄入數(shù)據(jù)。雙擊三維巷道，在提供的屬性對話框中錄入巷道的名稱、形狀、斷面尺寸等信息，特別是要錄入阻力測定的巷道摩擦阻力系數(shù)，另外長度如果和Ventsim依據(jù)坐標計算的有較大差別，也應該錄入。對于有調(diào)節(jié)設施的巷道，應盡量測得兩段壓差，如若不能，則可暫時設置為固定風量分支，錄入漏風量即可。斜溝風機將代表風硐的巷道設置為風機分支，然后錄入風機特性曲線。與其他采區(qū)連通的巷道，在負壓變化不大的情況下，暫時設置為固定風量分支。15采區(qū)阻力測定部分數(shù)據(jù)見表1.

表1 15采區(qū)阻力測定部分結(jié)果匯總表

3) 模擬解算。數(shù)據(jù)錄入完成后，進行試解算，然后將解算結(jié)果與實測風量進行對比，模擬數(shù)值與實測值的對比結(jié)果見表2.誤差在5%以內(nèi)，此模型可用于進一步優(yōu)化方案仿真。

表2 實際風量與模擬風量對比表

3.2 優(yōu)化調(diào)節(jié)方案

經(jīng)過對15采區(qū)通風系統(tǒng)的分析，提出兩種優(yōu)化方案，并分別進行了模擬，均達到了理想的優(yōu)化效果。

1) 優(yōu)化方案一。

主要考慮供給6#煤層系統(tǒng)巷的風可以同時作為16502工作面進風，增加16502工作面進風的同時，減少系統(tǒng)總的通風阻力。

目前，供給6#煤層的風一部分供給16502工作面，一部分供給帶式輸送機和輔運下山，實際經(jīng)過系統(tǒng)巷后的風可以再通往工作面。具體措施是從16502工作面進風巷道打一條短巷到集中回風下山延長段，工作面原來進風變成回風，新鮮風由6#煤帶式輸送機下山和輔運下山經(jīng)材料巷到工作面。同時，去掉與材料巷連接的系統(tǒng)巷風窗，16502通風系統(tǒng)優(yōu)化方案見圖2.

綜合分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)巷耗費了大量新鮮風，應適當加固風門，調(diào)節(jié)風窗減少系統(tǒng)巷供風。方案一對15采區(qū)回風上山調(diào)節(jié)措施增大阻力；集中帶式輸送機下山延長段18605工作面進風后，風門進行加固。

優(yōu)化前后15采區(qū)工作面風量變化對比見表3，另外工作面優(yōu)化前斜溝風機風量8 473 m3/min，風壓1 623.5 Pa；優(yōu)化后風量8 635 m3/min，風壓1 453.8 Pa.優(yōu)化調(diào)節(jié)效果明顯。

表3 方案一優(yōu)化前后風量對比表

A—新掘巷道 B—加風墻(風門)封堵 C—拆除風窗 D—加風墻(風門)封堵圖2 優(yōu)化方案一示意圖

2) 優(yōu)化調(diào)節(jié)方案二。

由表2可知，15采區(qū)集中回風下山延長段風量為7 440 m3/min，風速為5.2 m/s，風量過于集中，增加了礦井通風阻力，增大了通風成本。方案二設計增加一條專用回風道，見圖3. 圖中A為新增加的15采區(qū)專用回風巷，設計斷面為20 m2.

利用VentSim對方案進行模擬，其中新掘巷道摩擦阻力系數(shù)依據(jù)經(jīng)驗值，按照錨噴支護，普通爆破斜巷取0.010 7 Ns2/m8，優(yōu)化前后用風地點風量對比見表4.

表4 方案二優(yōu)化前后風量對比表

A—新掘巷道 B—加風墻(風門)封堵 C—加風墻(風門)封堵圖3 優(yōu)化方案二示意圖

優(yōu)化前斜溝風機風量8 473 m3/min，風壓1 623.5 Pa；優(yōu)化后風量8 622 m3/min，風壓1 467 Pa.

4 結(jié) 論

利用Ventsim對斜溝煤礦15采區(qū)通風系統(tǒng)進行了優(yōu)化模擬仿真，提出了兩種通風系統(tǒng)優(yōu)化方案，并進行了仿真實驗。由仿真結(jié)果可知，兩種方案在優(yōu)化后系統(tǒng)總阻力均有所下降，分別是170 Pa、156 Pa，風量均有所增加，總風量均分別增加了162 m3/min、149 m3/min.兩種方案優(yōu)化效果相當，在實際改造中可根據(jù)經(jīng)濟性進行選擇。