運(yùn)用礦井通風(fēng)信息管理系統(tǒng)對(duì)衰老礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化

◎寇曉明

煤礦井下因通風(fēng)系統(tǒng)所引起的危害事故的發(fā)生及發(fā)展稱之為“因風(fēng)致災(zāi)”；同時(shí)，良好的通風(fēng)系統(tǒng)又為治理這些災(zāi)害提供了最基本、最常用和最有效的手段，這稱為“以風(fēng)治災(zāi)”。曉南礦隨著礦井生產(chǎn)不斷延伸、規(guī)模不斷的擴(kuò)大，通風(fēng)系統(tǒng)日趨復(fù)雜，目前曉南礦井有兩個(gè)回風(fēng)井（東風(fēng)井、中央風(fēng)井）、兩個(gè)進(jìn)風(fēng)井（主井、副井），現(xiàn)中央風(fēng)井主要服務(wù)于北一、北二采區(qū)；東風(fēng)井負(fù)責(zé)南翼采區(qū)、東一采區(qū)的通風(fēng)任務(wù)。中央回風(fēng)井負(fù)擔(dān)回風(fēng)量相對(duì)較大，東風(fēng)井存在風(fēng)量富余，整礦通風(fēng)動(dòng)力與阻力分配不均勻。曉南礦需要對(duì)當(dāng)前的礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布和主要通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析，并全面掌握礦井通風(fēng)壓能參數(shù)分布和主要通風(fēng)機(jī)性能狀況，使之能更好的協(xié)調(diào)礦井安全生產(chǎn)和開拓，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)的最優(yōu)化及安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。利用曉南礦礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)的壓能分析，進(jìn)行相應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。

曉南礦現(xiàn)已進(jìn)入衰老礦井行列，隨著礦井生產(chǎn)不斷延伸、規(guī)模不斷的擴(kuò)大，通風(fēng)系統(tǒng)日趨復(fù)雜，當(dāng)前礦井有兩個(gè)回風(fēng)井（東風(fēng)井、中央風(fēng)井），進(jìn)風(fēng)井（主井、副井）。

因此，曉南礦需要對(duì)礦井目前的通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布及各主要通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析，全面掌握礦井通風(fēng)壓能參數(shù)分布及各主要通風(fēng)機(jī)性能狀況，使之更好的協(xié)調(diào)礦井安全生產(chǎn)與開拓，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)的最優(yōu)化及安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，一是實(shí)現(xiàn)日常通風(fēng)管理、進(jìn)行各種通風(fēng)系統(tǒng)方案模擬，如通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化工程方案、礦井?dāng)U能改造建設(shè)方案，以風(fēng)定產(chǎn)技術(shù)保障等；二是實(shí)時(shí)壓能分析，壓能變化是反映瓦斯涌出規(guī)律的一個(gè)重要參數(shù)，利用曉南礦仿真系統(tǒng)的壓能分析，進(jìn)行相應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。確保煤礦安全、可持續(xù)生產(chǎn)，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

一、研究的主要內(nèi)容及目標(biāo)

1.主要研究?jī)?nèi)容。

通過(guò)曉南礦通風(fēng)系統(tǒng)普查和通風(fēng)阻力測(cè)試，完善現(xiàn)有的曉南礦礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)，對(duì)曉南礦生產(chǎn)銜接計(jì)劃與當(dāng)前的通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，保障中央風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)以及東風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。項(xiàng)目具體內(nèi)容如下：

（1）對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行普查。

（2）對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

（3）對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)分析，確保通風(fēng)機(jī)能夠穩(wěn)定、合理、可靠運(yùn)行。

（4）研究通風(fēng)系統(tǒng)分析和優(yōu)化方案實(shí)際應(yīng)用情況：并對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析：對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)各區(qū)段阻力分布進(jìn)行全面分析；合理改造通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布情況，并為降低通風(fēng)阻力提供依據(jù)；對(duì)有效風(fēng)量和通風(fēng)構(gòu)筑物的漏風(fēng)情況等進(jìn)行分析，用以提高有效的風(fēng)量率。最終實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整后穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

2.研究目標(biāo)。

（1）通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算工程化研究，包括拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)建立與管理問(wèn)題、迭代計(jì)算的初值問(wèn)題、風(fēng)機(jī)特性曲線導(dǎo)致的假收斂、無(wú)向圖網(wǎng)絡(luò)解算算法等主要問(wèn)題研究與應(yīng)用；

（2）中央風(fēng)井負(fù)擔(dān)的北一、北二采區(qū)，東風(fēng)井負(fù)擔(dān)的南翼、東一采區(qū)各區(qū)段阻力分布分析。掌握礦井各主要巷道風(fēng)流變化情況，找出系統(tǒng)存在問(wèn)題并提出合理的解決方案。

（3）對(duì)當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究并預(yù)測(cè)分析，提出合理有效的解決方案。

二、技術(shù)路線

1.對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)全部巷道進(jìn)行普查。普查內(nèi)容應(yīng)該包括：礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖、礦井通風(fēng)網(wǎng)路圖、全礦采掘位置、全部通風(fēng)構(gòu)筑物；主要巷道還應(yīng)包括：名稱、支護(hù)形式、斷面大小、周長(zhǎng)范圍、始末點(diǎn)標(biāo)高及長(zhǎng)度，需風(fēng)量和風(fēng)機(jī)參數(shù)等。

2.提出的改造方案應(yīng)該有準(zhǔn)確可靠的技術(shù)參數(shù)，所以應(yīng)先對(duì)現(xiàn)有礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)阻力測(cè)定；然后對(duì)礦井地面和井下巷道的氣壓、溫度及濕度進(jìn)行測(cè)試；對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力測(cè)試和構(gòu)筑物的性能參數(shù)測(cè)試。

3.應(yīng)建立礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)，并將普查和測(cè)試到的數(shù)據(jù)錄入礦井通風(fēng)網(wǎng)仿真圖里，依照礦井通風(fēng)測(cè)阻時(shí)的狀態(tài)，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面的仿真調(diào)試，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)和測(cè)阻時(shí)的礦井通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)相一致。

4.根據(jù)曉南礦的實(shí)際需要，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整方案進(jìn)行科學(xué)有效的仿真模擬。通過(guò)對(duì)比，從理論上提出可行的改造方案。

三、通風(fēng)阻力測(cè)試

1.礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀。

曉南礦井分為兩個(gè)水平開采，一水平標(biāo)高是-385m；二水平標(biāo)高是-522m?，F(xiàn)一水平已經(jīng)回采結(jié)束，二水平現(xiàn)有北一采區(qū)、北二采區(qū)和南翼采區(qū)。

曉南礦的采掘工作面布置現(xiàn)狀如下：

中央風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)：采煤工作面有2 個(gè)分別為N1-1506工作面和N2-1401 工作面；掘進(jìn)工作面有2 個(gè)分別為N2-1401 軌道順槽和N2-1403 運(yùn)輸順槽。

東風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)：拆除工作面1 個(gè)為SE1402 工作面；掘進(jìn)工作面有2 個(gè)分別為E1-401 運(yùn)順和E1-401 回順。

曉南礦通風(fēng)方法是抽出式，通風(fēng)方式為中央并列與單翼對(duì)角混合式。由副井和主井進(jìn)風(fēng)，中央風(fēng)井與東風(fēng)井回風(fēng)。中央風(fēng)井負(fù)責(zé)北一采區(qū)、北二采區(qū)回風(fēng)，東風(fēng)井負(fù)責(zé)南翼采區(qū)、東一采區(qū)回風(fēng)。礦井、采區(qū)及工作面都具備獨(dú)立完善的通風(fēng)系統(tǒng)。采區(qū)為分區(qū)通風(fēng)，各采區(qū)都設(shè)有專用回風(fēng)巷并且貫通整個(gè)采區(qū)。

四、礦井通風(fēng)阻力測(cè)定測(cè)點(diǎn)布置

1.通風(fēng)阻力測(cè)定測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖1 曉南礦通風(fēng)阻力測(cè)定測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 曉南礦通風(fēng)阻力測(cè)定測(cè)點(diǎn)布置圖

五、礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)

礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)服務(wù)器、客戶端、以及管理終端建立連接后即可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸、在線查詢、在線管理等功能。

1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系的自動(dòng)建立。

在已有的國(guó)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)解算算法中，都需要人工建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，即要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的分支、始節(jié)點(diǎn)、末節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)處理，形成網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)據(jù)表。運(yùn)用通風(fēng)信息管理系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)生成技術(shù)無(wú)需對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編號(hào)，只要有連通圖，即可自動(dòng)生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。與以往的礦井通風(fēng)仿真軟件相比，建立礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)省時(shí)省力，效略高，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

2.基于最小調(diào)節(jié)功耗的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)。

通常采用的回路法在余支上調(diào)節(jié)，無(wú)法保證其調(diào)節(jié)位置不在最大阻力路線上，可能在最大阻力路線的分支上設(shè)調(diào)節(jié)，這就導(dǎo)致了解算后礦井通風(fēng)阻力增大，各調(diào)節(jié)設(shè)施（風(fēng)門、風(fēng)窗）的調(diào)節(jié)阻力增大，無(wú)用功耗增加，造成通風(fēng)能量浪費(fèi)。運(yùn)用通風(fēng)信息管理系統(tǒng)，采用通路法調(diào)節(jié)，在各分支都滿足用風(fēng)量要求的前提下，求出礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的所有通路，采用增阻法調(diào)節(jié)時(shí)，以最大阻力路線的通路陽(yáng)力為基準(zhǔn)，在其他通路的分支上，可選擇分支增加阻力調(diào)節(jié)，能保證整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)解量為最小。

六、曉南礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

1.礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀。

曉南礦目前整個(gè)南翼、東翼（東風(fēng)井負(fù)擔(dān)部分）生產(chǎn)任務(wù)減少，中央回風(fēng)井風(fēng)機(jī)主要服務(wù)于北一、北二采區(qū)的通風(fēng)任務(wù)。而主要生產(chǎn)集中在北一、北二采區(qū)（中央回風(fēng)井負(fù)擔(dān)部分）。需要在生產(chǎn)任務(wù)作業(yè)不均衡的條件下，進(jìn)行全礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整，通過(guò)新掘?qū)Ｓ没仫L(fēng)巷，調(diào)整東風(fēng)井負(fù)擔(dān)區(qū)域，緩解中央回風(fēng)井通風(fēng)壓力，提高礦井整體通風(fēng)能力。調(diào)整后系統(tǒng)保證北一采區(qū)、北二采區(qū)不低于現(xiàn)有配風(fēng)量。

2.通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整方案。

（1）方案1：東風(fēng)井負(fù)擔(dān)北一采區(qū)。

新掘北一15 層回風(fēng)中巷至二水平南翼皮帶大巷專用回風(fēng)巷，長(zhǎng)度1415m，凈斷面不小于15m2；新設(shè)二水平北翼集中回風(fēng)上山東側(cè)風(fēng)門或者密閉進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整。

具體位置與仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 新施工一條北一專用回風(fēng)巷仿真圖

方案模擬結(jié)果

主要風(fēng)井、大巷風(fēng)量變化如表1 所示。

注：增加量為負(fù)值表示是減少。

模擬結(jié)果：在目前通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行施工專用回風(fēng)巷，同等條件下該方案東風(fēng)井總風(fēng)量增加1521m3/min，負(fù)壓增加1633Pa，能夠滿足風(fēng)量北一采區(qū)風(fēng)量要求；中央風(fēng)井風(fēng)量降低2209m3/min，負(fù)壓增加39Pa，中央風(fēng)井總阻力基本保持不變；各工作面用風(fēng)量沒(méi)有影響。具體用風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量見仿真系統(tǒng)。

該方案技術(shù)上可行，主要問(wèn)題：東風(fēng)井總阻力3070Pa，不滿足《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件AQ1028-2006》最大阻力不超過(guò)2500Pa 的規(guī)定。如果實(shí)施該方案，優(yōu)先考慮東風(fēng)井回風(fēng)大巷拉底降阻，滿足其最大阻力小于2500Pa 的規(guī)定。

（2）方案2：東風(fēng)井負(fù)擔(dān)北二采區(qū)。

新掘北翼回風(fēng)輔助道巷至二水平南翼皮帶大巷專用回風(fēng)巷，長(zhǎng)度1284m，凈斷面不小于15m2；拆除北翼回風(fēng)輔助道東側(cè)風(fēng)門；新建專用回風(fēng)道西側(cè)與北二回風(fēng)上山兩處風(fēng)門或者密閉進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整。

圖4 新施工北二?；胤抡鎴D

方案模擬結(jié)果

主要風(fēng)井、大巷風(fēng)量變化如表2 所示。

注：增加量為負(fù)值表示是減少。

模擬結(jié)果：進(jìn)行分區(qū)通風(fēng)后，同等條件下該方案東風(fēng)井總回風(fēng)量增加1521m3/min，通風(fēng)負(fù)壓增加1733Pa；中央風(fēng)井總回風(fēng)量降低2209m3/min，通風(fēng)負(fù)壓增加33Pa，中央風(fēng)井總風(fēng)阻力趨于基本保持不變的狀況。二水平南翼回風(fēng)大巷風(fēng)量增加1996m3/min 對(duì)北一采區(qū)沒(méi)有影響，對(duì)各工作面風(fēng)量影響不大。其他巷道風(fēng)量見仿真系統(tǒng)。

該方案技術(shù)上可行，其中主要的問(wèn)題包括：東風(fēng)井總回風(fēng)阻力3170Pa，不能滿足《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件AQ1028-2006》最大阻力不超過(guò)2500Pa 的規(guī)定。如果實(shí)施該方案，優(yōu)先考慮東風(fēng)井回風(fēng)大巷拉底降阻，滿足其最大阻力小于2500Pa 的規(guī)定。

3.通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整方案結(jié)果分析。

東風(fēng)井負(fù)擔(dān)北一采區(qū)、東風(fēng)井負(fù)擔(dān)北二采區(qū)兩種通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整方案，兩種方案技術(shù)上均可行，兩種方案比較結(jié)果相差不大，具體結(jié)合地質(zhì)施工條件進(jìn)行確定，各方案及可行性分析如表3 所示。

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七、主要研究成果與結(jié)論

1.進(jìn)行礦井通風(fēng)參數(shù)測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)等提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.完備了曉南礦通風(fēng)管理信息系統(tǒng)，借助曉南礦通風(fēng)管理信息系統(tǒng)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)各區(qū)段進(jìn)行阻力分布、有效風(fēng)量、通風(fēng)構(gòu)筑物壓差和通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)等參數(shù)分析。

3.針對(duì)曉南礦生產(chǎn)任務(wù)作業(yè)不均衡的條件下，進(jìn)行全礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整論證，通過(guò)新掘?qū)Ｓ没仫L(fēng)巷，達(dá)到通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)與多風(fēng)井通風(fēng)動(dòng)力合理匹配，緩解中央回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量緊張等問(wèn)題，提高礦井整體通風(fēng)能力。