寺河煤礦二號井通風(fēng)智能決策支持系統(tǒng)的建立及優(yōu)化

梁 謙 董錦洋

（1.晉能控股集團(tuán)寺河煤礦二號井；2.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院）

煤礦井下的通風(fēng)系統(tǒng)十分復(fù)雜，當(dāng)遇到2個通風(fēng)系統(tǒng)貫通的問題時，更是無法單純地依靠人工來解決［1］。有效地借助計算機軟件輔助礦井通風(fēng)領(lǐng)域的工作者進(jìn)行設(shè)計和研究，顯得尤為重要［2-4］。采用煤礦通風(fēng)智能決策支持系統(tǒng)，對寺河煤礦二號井與寺河礦2個通風(fēng)系統(tǒng)的貫通進(jìn)行仿真模擬，并對方案進(jìn)行優(yōu)選，所得的方案可以將風(fēng)機運行工況點降至合理范圍，使通風(fēng)系統(tǒng)管理更加高效。

1 礦井概況

寺河煤礦二號井位于寺河井田東區(qū)的東部，采用“四進(jìn)兩回”的抽出式通風(fēng)系統(tǒng)。2個水平聯(lián)合開采9號和15號煤層，其中，9號煤層正在回采九四和九七盤區(qū)；15號煤層正在回采十五三盤區(qū)。寺河礦有4個回風(fēng)井，其中，上莊風(fēng)井場地位于寺河二號井井田西部的中心，共布置2個井筒，分別為上莊進(jìn)風(fēng)立井和上莊回風(fēng)立井。

現(xiàn)寺河煤礦二號井通風(fēng)系統(tǒng)存在以下2個問題：1號和2號通風(fēng)機運行工況點偏高，通風(fēng)機風(fēng)量負(fù)壓匹配值均接近于《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》［5］中對于風(fēng)量和負(fù)壓要求極限值，受限于巷道斷面小及通風(fēng)路線長等諸多因素，在目前基礎(chǔ)上改善空間??；礦井通風(fēng)路線長，角聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)較多，分區(qū)通風(fēng)不明顯，通風(fēng)系統(tǒng)管理工作困難。

2 通風(fēng)系統(tǒng)分析

礦井的阻力是對礦井通風(fēng)情況最直觀的反映，不合理的阻力分布與阻力值都會對通風(fēng)產(chǎn)生負(fù)面的影響，可以通過阻力路線和三區(qū)阻力2個方面對通風(fēng)阻力進(jìn)行分析。

2.1 最大阻力路線分析

通過最大阻力路線可以直觀得到礦井在各位置的阻力分布，便于發(fā)現(xiàn)阻力過大的部分，最大阻力路線及變化曲線分別見圖1、圖2。通過分析發(fā)現(xiàn)，寺河煤礦二號回風(fēng)井的阻力較高，可以考慮對回風(fēng)巷道擴面降阻。

2.2 三區(qū)阻力分析

如圖3所示，通過對最大阻力路線進(jìn)行三區(qū)劃分，發(fā)現(xiàn)三區(qū)阻力分布與0.25∶0.45∶0.3的合理分配比例相差較遠(yuǎn)，存在阻力分布不均勻問題。寺河煤礦一號進(jìn)風(fēng)立井由于回風(fēng)段阻力偏高，引起阻力分布不均勻；寺河二號用風(fēng)路段線路太長、沿程阻力較大，二號回風(fēng)井?dāng)嗝孑^小，且承擔(dān)著九七盤區(qū)和一五三盤區(qū)回風(fēng)任務(wù)，回風(fēng)量大，故該段阻力較大?？梢钥紤]對二號回風(fēng)井服務(wù)區(qū)域進(jìn)行降阻，擴充主要進(jìn)風(fēng)巷道和二號回風(fēng)立井的過風(fēng)斷面，改善分布不合理的情況。表1展示了寺河煤礦二號井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量情況。

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3 通風(fēng)智能決策支持系統(tǒng)

建立寺河二號井的通風(fēng)智能決策支持系統(tǒng)，對礦井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并利用平差調(diào)節(jié)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使系統(tǒng)達(dá)到使用要求，為系統(tǒng)優(yōu)化方案的模擬做準(zhǔn)備。

3.1 數(shù)據(jù)采集及處理

3.1.1 阻力參數(shù)采集及處理

通過對寺河煤礦二號井進(jìn)行全礦測阻，得到了150組左右的數(shù)據(jù)。參數(shù)獲取采用傾斜壓差計法和氣壓法相結(jié)合的測量方法，能夠視現(xiàn)場環(huán)境最大限度地發(fā)揮傾斜壓差計法高精度與氣壓計法易于測定的優(yōu)勢［6］。測定工作完成后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了平差調(diào)節(jié)，減小了主客觀誤差對通風(fēng)系統(tǒng)模擬帶來的偏差［7］。

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，9號、15號煤層各回風(fēng)井阻力分布比較合理；1號通風(fēng)機的等積孔為3.24 m2，2號通風(fēng)機的等積孔為2.21 m2，通風(fēng)難易程度為容易；各風(fēng)井外部漏風(fēng)均符合要求；經(jīng)過并聯(lián)風(fēng)路閉合誤差分析和負(fù)壓測試數(shù)據(jù)分析，可以認(rèn)為本次測定數(shù)據(jù)及分析結(jié)果是可靠的。

3.1.2 風(fēng)機參數(shù)采集及處理

在風(fēng)硐的適當(dāng)位置布置風(fēng)速傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器，將測試得到的數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸至電腦端進(jìn)行匯總。將測試得到的風(fēng)速和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用Origin軟件對二者進(jìn)行最小二乘法擬合，得到風(fēng)機特性曲線及特征方程［8-9］。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)模型

礦井通風(fēng)是不斷變化的動態(tài)系統(tǒng)，為了保證通風(fēng)系統(tǒng)模擬的準(zhǔn)確性與有效性，使通風(fēng)智能決策支持系統(tǒng)能夠更好地輔助技術(shù)人員模擬方案與決策，必須建立拓?fù)潢P(guān)系正確的、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的通風(fēng)系統(tǒng)模型。

經(jīng)過對寺河煤礦二號井通風(fēng)系統(tǒng)普查、通風(fēng)系統(tǒng)圖繪制、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)錄入、網(wǎng)絡(luò)解算模擬及平差調(diào)節(jié)，建立了寺河煤礦二號井9號、15號煤層的通風(fēng)系統(tǒng)模型，如圖4所示。

3.3 誤差控制

模擬的誤差主要通過以下方法進(jìn)行控制，以達(dá)到可以使用的工業(yè)要求。

（1）以各個重要用風(fēng)點處回風(fēng)量之和為約束條件，其相對誤差控制在5%以下。

（2）主要通風(fēng)機的工況點的相對誤差控制在5%以下。

（3）主要井巷的風(fēng)量誤差一般控制在5%以下。

為了確保后期網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)據(jù)的可靠性，對構(gòu)建的解算網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行增阻調(diào)節(jié)，使得各主要測試巷道的解算精度達(dá)到可靠范圍。解算系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，風(fēng)井風(fēng)量及負(fù)壓的誤差和部分用風(fēng)巷道的模擬結(jié)果與實際測量值的對比結(jié)果如表2～表4所示，模擬精度均小于5%，達(dá)到了工程應(yīng)用要求，可以滿足進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)解算方案模擬分析需要。

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為了能更好地預(yù)測貫通對于各個風(fēng)機風(fēng)量、負(fù)壓的影響，得出最優(yōu)的貫通方案，需參考風(fēng)機測試報告來擬合風(fēng)機特性曲線。經(jīng)計算可得：負(fù)責(zé)9號煤層的一號風(fēng)立井-3°特性曲線函數(shù)表達(dá)式為負(fù)責(zé)9號、15號煤層的二號回風(fēng)立井-12.5°特性曲線函數(shù)表達(dá)式為

4 實際應(yīng)用

4.1 階段劃分

依據(jù)寺河二號井采掘計劃安排，在未來5 a內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)大致存在2個重要巷道貫通時間節(jié)點，可以依據(jù)這2個時間節(jié)點，將未來大致劃分為2021年1月—2022年7月和2022年7月—2023年12月2個階段，分別進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計。2022年7月左右，9號煤層將通過北膠帶大巷和北回風(fēng)大巷同上莊風(fēng)井進(jìn)行貫通；2023年底，寺河煤礦二號井9號煤層九七盤區(qū)通過98101巷、98102巷、98103巷同上莊風(fēng)井區(qū)域進(jìn)行貫通；15號煤層通過南翼輔運大巷和南翼回風(fēng)大巷同上莊風(fēng)井進(jìn)行貫通。

4.2 優(yōu)化方案

（1）2021—2022年階段上莊風(fēng)井未同寺河煤礦二號井主系統(tǒng)相連通，無法借助上莊風(fēng)井輔助提升寺河煤礦二號井通風(fēng)能力，因而需要論證在該時期內(nèi)隨著采掘進(jìn)度的改變，現(xiàn)有的一號回風(fēng)井和二號回風(fēng)井的主扇在滿足礦井風(fēng)量需求的同時，主扇負(fù)壓仍保持在合理范圍內(nèi)，并提出相關(guān)優(yōu)化方案。

（2）2022—2023年階段加入上莊風(fēng)井，應(yīng)統(tǒng)籌考慮對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，對上莊回風(fēng)立井、一號回風(fēng)立井和二號回風(fēng)立井同九六盤區(qū)、九七盤區(qū)、一五三盤區(qū)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃，采用極值流匹配的方法得出27種方案。

用①、②、③分別代表上莊回風(fēng)立井、一號回風(fēng)立井和二號回風(fēng)立井（下同），具體方案如表5所示。

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由于一些現(xiàn)實性原因，有些方案在目前階段無 法實現(xiàn)。例如：一號風(fēng)機和二號風(fēng)機受風(fēng)機能力限制，不能負(fù)擔(dān)3個盤區(qū)系統(tǒng)的通風(fēng)任務(wù)；一號風(fēng)機受能力限制不能負(fù)擔(dān)2個盤區(qū)系統(tǒng)的通風(fēng)任務(wù)；目前上莊風(fēng)井并未同15號煤層相貫通，若是負(fù)擔(dān)九七盤區(qū)的回風(fēng)任務(wù)，回風(fēng)線路過長，通風(fēng)難度大；二號回風(fēng)井負(fù)擔(dān)2個盤區(qū)已經(jīng)接近其最大通風(fēng)能力，后續(xù)開采會導(dǎo)致阻力進(jìn)一步增加，因而排除該情況。

因此通過以上現(xiàn)實原因的初步篩選，僅剩余3種優(yōu)化方案，如表6所示。

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4.3 方案模擬

采用智能決策支持系統(tǒng)對2個階段的優(yōu)化方案分別進(jìn)行仿真模擬，回風(fēng)井和主要用風(fēng)地點的模擬結(jié)果如表7和表8所示。

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4.4 優(yōu)化結(jié)果分析

4.4.1 2021—2022年階段

從模擬結(jié)果中可以看出，此階段在困難時期時，各個盤區(qū)的需風(fēng)量大致可以得到滿足，達(dá)到了《煤礦安全規(guī)程》［10］的要求，但是存在一號風(fēng)機的風(fēng)量和負(fù)壓過高而產(chǎn)生喘振風(fēng)險。提出如下解決方案。

（1）考慮從上莊風(fēng)井和九六盤區(qū)方向雙向?qū)颍涌炀蜻M(jìn)速度提早實現(xiàn)貫通。

（2）選用大功率的局扇，或者選擇挖掘風(fēng)庫進(jìn)行長距離的接力通風(fēng)，進(jìn)一步降低一號風(fēng)機的負(fù)壓。

因此，在不改變現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)情況下，在2021—2022年現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)大致可以滿足生產(chǎn)和掘進(jìn)的需求。若出現(xiàn)通風(fēng)困難，需要考慮更換大局扇、增加風(fēng)筒距離、增加風(fēng)庫、增加局扇；雙向掘進(jìn)提高掘進(jìn)速度，提前貫通日期。

4.4.2 2022—2023年階段

方案20中，首先對一號風(fēng)井進(jìn)行封閉處理；之后隨著大巷的不斷延伸，二號風(fēng)機能力會逐漸不足，可能會出現(xiàn)供風(fēng)不足的情況，應(yīng)避免巷道內(nèi)物料堆積，及時修整變形巷道，適當(dāng)擴大斷面面積來適當(dāng)減小巷道的通風(fēng)阻力；最后還應(yīng)考慮在貫通前采取雙向掘進(jìn)加快掘進(jìn)速度，縮短貫通時間。方案22和方案23中，二號回風(fēng)井的最低角度為-15°，不存在再向下調(diào)整的可能性，所以選擇方案20作為最終方案。

4.5 系統(tǒng)優(yōu)化建議

寺河礦通風(fēng)同寺河二號井貫通前，無法實現(xiàn)大的通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整，且無法借助寺河礦風(fēng)井輔助提升寺河二號井通風(fēng)能力。該階段九四盤區(qū)開采轉(zhuǎn)向九六盤區(qū)開采和北膠帶大巷和北回風(fēng)大巷開拓的延伸過程中對風(fēng)量的需求變化不大。因而在北膠帶大巷和北回風(fēng)大巷開拓的過程中可以考慮選用大局扇，增加中間風(fēng)庫或者局扇接力的方式來實現(xiàn)長距離掘進(jìn)，保證主扇的穩(wěn)定性；或采用上莊區(qū)域和寺河二號井雙向?qū)蛳锏赖姆椒▉砑涌炀蜻M(jìn)速度，縮短施工周期。

寺河礦通風(fēng)系統(tǒng)同九六盤區(qū)貫通后，由于風(fēng)機角度無法下調(diào)，會造成單個風(fēng)機負(fù)擔(dān)某一個盤區(qū)回風(fēng)任務(wù)時出現(xiàn)風(fēng)量和負(fù)壓極度不匹配的情況，無法實現(xiàn)完全的分區(qū)通風(fēng)。方案22中，上莊風(fēng)井負(fù)擔(dān)九六盤區(qū)，一號回風(fēng)立井負(fù)擔(dān)九七盤區(qū)，二號回風(fēng)立井負(fù)擔(dān)一五三盤區(qū)。方案23中，上莊風(fēng)井負(fù)擔(dān)九六盤區(qū)，一號回風(fēng)立井負(fù)擔(dān)一五三盤區(qū)，二號回風(fēng)立井負(fù)擔(dān)九七盤區(qū)。由于這2種方案均無法實現(xiàn)，因而采用上莊回風(fēng)立井負(fù)擔(dān)九六盤區(qū)的回風(fēng)任務(wù)，二號風(fēng)井負(fù)擔(dān)九七盤區(qū)和一五三盤區(qū)的回風(fēng)任務(wù)，這種方案具有可行性。隨著開采的延伸，可能會出現(xiàn)二號風(fēng)機能力不足的情況。在開拓過程中同樣考慮選用大局扇，增加中間風(fēng)庫或者局扇接力的方式來實現(xiàn)長距離掘進(jìn)，保證主扇的穩(wěn)定性?；虿捎蒙锨f區(qū)域和寺河二號井雙向?qū)蛳锏赖姆椒▉砑涌炀蜻M(jìn)速度，縮短施工周期。

5 結(jié) 論

采用極值流匹配法對寺河煤礦二號井和寺河礦的通風(fēng)系統(tǒng)貫通進(jìn)行了方案匯總，并利用定性分析的方法排除了部分方案；利用通風(fēng)智能決策支持系統(tǒng)對定性分析篩選后的方案進(jìn)行仿真模擬，最終確定了2個階段的優(yōu)化方案，降低了通風(fēng)機運行工況點，使各個盤區(qū)的風(fēng)量調(diào)整至合理范圍。礦井通風(fēng)智能決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用為通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化問題的解決提供了基礎(chǔ)，為類似問題提供了參考。