基于ventsim的礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造

李 陽

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業(yè)有限公司，山西 河津 043302）

礦井通風系統(tǒng)是保障礦井安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，負責將新鮮空氣輸入礦井下，增加氧氣濃度，以稀釋并排除礦井中有毒、有害氣體和粉塵。礦井通風系統(tǒng)的設計與建造是一項動態(tài)復雜的系統(tǒng)工程，在對礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造時往往需要進行通風網(wǎng)絡解算，使之滿足風量、風壓平衡定律。依靠傳統(tǒng)手工解算難以完成解算任務。隨著科學技術的不斷發(fā)展，由澳大利亞Chasm公司開發(fā)的礦井通風模擬軟件Ventsim實現(xiàn)了礦井三維通風系統(tǒng)設計、通風網(wǎng)絡解算、風流動態(tài)模擬和優(yōu)化，為礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造提供技術支持[1]。

1 礦井概況及通風系統(tǒng)存在的問題

1.1 礦井概況

薛虎溝礦位于河東煤田鄉(xiāng)寧礦區(qū)王家?guī)X村南3.1km，隸屬霍州煤電集團晉南煤業(yè)。井田面積約53.6km2，設計生產(chǎn)能力0.80Mt/a，核定生產(chǎn)能力0.90Mt/a，采用斜井開拓，礦井生產(chǎn)水平劃分為+1290m、+1150m和+910m三個水平，目前主要開采+1350m水平。由于該礦井為煤與瓦斯突出礦井，設計建造的通風系統(tǒng)為兩翼對角式，采用機械抽出的通風方式。為了使通風系統(tǒng)滿足煤與瓦斯突出礦井的需求，薛虎溝礦對采區(qū)巷道功能優(yōu)化改造或新開掘巷道，提升了技術標準，對通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改造[2]。

礦井現(xiàn)有主井、副井和中央風井三個進風井，礦井總進風量為16365m3/min；

有北翼和南翼兩個回風斜井，北翼回風井回風量為7306m3/min，南翼回風井回風量為8205m3/min，礦井的總有效回風量為15511m3/min；其中北翼回風井負壓2300Pa，南翼回風井負壓2600Pa，礦井風井平均通風等積孔為5.3m2。薛虎溝礦通風系統(tǒng)未改造時見圖1。

圖1 薛虎溝礦通風系統(tǒng)未改造圖

1.2 礦井通風系統(tǒng)存在問題

經(jīng)過礦井實際調(diào)查觀測與分析，薛虎溝礦通風系統(tǒng)存在以下幾方面問題：

（1）礦井現(xiàn)有通風線路過長達8350m，導致礦井總阻力偏大，巷道拐彎多增加了采區(qū)的通風阻力，由于兩翼回風斜井負壓平均值達2300Pa，通風負壓超標，通風機通常在高負壓環(huán)境下運行。

（2）礦井采掘工作面多，系統(tǒng)復雜。特別是南翼煤層露頭剝挖，嚴重漏風，淺部煤層有自然發(fā)火傾向，對通風造成嚴重的安全隱患。經(jīng)實測發(fā)現(xiàn)，西翼軌道大巷及回風大巷巷道斷面并不是最優(yōu)斷面，實際有效斷面偏小。

（3）礦井北風井現(xiàn)有的一臺對旋軸流式通風機故障頻出，運行不穩(wěn)定，經(jīng)實地測定，有效回風量為93.5m3/s，年產(chǎn)萬噸耗風量僅為3.96m3/s，達不到技術標準。

2 通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案

2.1 技改方案

薛虎溝礦作為煤與瓦斯突出礦井，通風系統(tǒng)優(yōu)化改造時應秉持安全可靠、技術先進、經(jīng)濟合理的原則。縮短通風流程，擴大通風斷面，減少通風阻力，增大通風能力，提高抗災能力，對薛虎溝礦現(xiàn)有通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，改造內(nèi)容包括：

（1）對礦井部分通風系統(tǒng)進行技改，封閉廢舊無用巷道，各采區(qū)設置獨立的專用回風巷道，實現(xiàn)各采掘工作面獨立通風。

（2）對三水平進行延伸，將原有的+1280m運輸大巷主要承擔兩翼回風作用；在北翼兩個采區(qū)間增加一條上回風巷道，形成獨立通風。

（3）由于礦井負壓超標，為解決通風機在高負壓環(huán)境下運行負荷大的問題，礦井南翼回風井可擴大通風斷面來降低阻力；鑒于北翼風井井筒有漏風現(xiàn)象，應新設置一條回風井，達到通風要求。通過總結可得出，薛虎溝礦通風系統(tǒng)優(yōu)化改造的關鍵是對北翼回風井的區(qū)位選擇[3]。結合礦井實際情況，設計并提出兩個通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案：

方案一：充分利用現(xiàn)有北翼回風井場地設置新的北翼回風立井方案，井口標高+1568m，落平標高+1280m。并與+1280m集中回風大巷通過回風石門連接。方案一的系統(tǒng)優(yōu)化改造圖見圖2。

圖2 方案一礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造圖

方案二：利用礦井北翼空地沿煤系地層底板在北翼采區(qū)間的上回風巷道設置新的北翼回風斜井方案，井口標高+1568m，落平標高為+910m，地面至+1150m標高井筒布置在18#煤層底板；+1150m至+910m標高布置在13#煤層底板。并與+1280m集中回風大巷通過回風石門相連。方案二的系統(tǒng)優(yōu)化改造圖見圖3。

圖3 方案二礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造圖

2.2 應用Ventsim軟件對礦井通風系統(tǒng)進行模擬

2.2.1 三維通風仿真系統(tǒng)的構建

針對薛虎溝礦三維通風仿真系統(tǒng)的構建可生成兩種：在Ventsim軟件系統(tǒng)的繪區(qū)域利用鼠標直接繪制；利用DXF文件保存類型直接轉換成通風系統(tǒng)仿真圖。薛虎溝礦通風系統(tǒng)仿真圖使用AutoCAD制圖軟件進行繪制，具體步驟：先將CAD圖形的文件保存類型調(diào)整為DXF文件格式；然后以各水平標高新建圖層，再將各圖層分別導入Ventsim三維通風仿真系統(tǒng)中，標好各水平的標高；為保障各節(jié)點巷道的聯(lián)接需對各節(jié)點進行綁定；同時將礦井通風系統(tǒng)的技術數(shù)據(jù)進行錄入，如摩擦阻力系數(shù)、電機功率、巷道斷面積等；最后對礦井仿真系統(tǒng)進行模擬運行。

2.2.2 薛虎溝礦通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案模擬比較

表1 薛虎溝礦通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案模擬成果比較表

結合礦井實際綜合分析比較，方案二為通風效果最優(yōu)方案。主要具有如下優(yōu)點：（1）經(jīng)礦建部門測算方案二較方案一節(jié)約施工成本295萬元，給優(yōu)化改造工程施工帶來方便，減少人力、物力成本，不影響礦井安全生產(chǎn)；（2）通過將回風斜井與北翼兩個水平的上回風巷聯(lián)合布置，提高礦井通風能力；（3）由于井筒位于地層底板，技改不受地表開挖和煤層突出的影響；（4）縮短礦井通風線路長度，降低礦井負壓和通風阻力；（5）優(yōu)化改造方案對主通風機的影響較小，節(jié)約通風成本[4]。

3 結語

針對薛虎溝礦瓦斯涌出量大和通風系統(tǒng)存在的問題，借助Ventsim三維通風仿真系統(tǒng)對礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案進行模擬，對兩種通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案進行分析比較，選定最優(yōu)的改造方案。Ventsim系統(tǒng)在礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造設計、通風網(wǎng)絡解算及優(yōu)化、除塵降溫、循環(huán)風預測、經(jīng)濟斷面分析、以通風仿真為基礎的通風決策上提供支持，幫助礦井進行科學的通風安全管理，合理節(jié)約通風成本。ventsim軟件在實際應用中起到了指導作用，同時對礦井中長期的通風有了較為準確的預測。優(yōu)化改造提升了薛虎溝礦通風能力，有效降低了礦井總通風阻力，同時節(jié)約能源，提高經(jīng)濟效益，提升礦山企業(yè)整體形象。