基于3DSimOpt3.0 的三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化研究

曹偉平

（潞安化工集團(tuán)能源事業(yè)部，山西 長(zhǎng)治 046200）

礦井通風(fēng)是保證礦井安全的重要手段之一[1-3]。通風(fēng)阻力是礦井通風(fēng)測(cè)量的基本指標(biāo)，也是礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)[4-6]。若礦井內(nèi)通風(fēng)阻力過(guò)高，會(huì)影響礦井的生產(chǎn)安全[7-9]。為全面了解李村煤礦通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況，利用3DSIMOPT3.0 對(duì)煤礦進(jìn)行防阻檢測(cè)，分析測(cè)量數(shù)據(jù)，提出解決方案。

1 概 況

李村煤礦位于長(zhǎng)子縣境內(nèi)，潞安區(qū)煤炭基礎(chǔ)建筑規(guī)劃新建一口井。李村煤礦現(xiàn)有5 個(gè)井筒，3 進(jìn)2 回，分別為主井、副井、中央風(fēng)井、堯神溝進(jìn)風(fēng)井、堯神溝回風(fēng)井。井下實(shí)行分區(qū)通風(fēng)，采用3 進(jìn)2 回通風(fēng)系統(tǒng)，采掘工作面均實(shí)現(xiàn)獨(dú)立通風(fēng)。礦井通風(fēng)方式為分區(qū)式通風(fēng)，機(jī)械抽出式。主井、副井和堯神溝進(jìn)風(fēng)井為進(jìn)風(fēng)井，中央風(fēng)井和堯神溝回風(fēng)井為回風(fēng)井；中央風(fēng)井擔(dān)負(fù)一采區(qū)和西翼采區(qū)回風(fēng)任務(wù)，堯神溝回風(fēng)井擔(dān)負(fù)二采區(qū)回風(fēng)任務(wù)。中央風(fēng)井總進(jìn)風(fēng)量為24 079 m3/min，中央風(fēng)井總回風(fēng)量為26 346 m3/min；堯神溝回風(fēng)井總進(jìn)風(fēng)量為25 929 m3/min，回風(fēng)井總回風(fēng)量為23 745 m3/min。

2 李村煤礦礦風(fēng)網(wǎng)參數(shù)的測(cè)定

2.1 礦井通風(fēng)阻力測(cè)定的方法

此次測(cè)定采用氣壓計(jì)測(cè)定法，使用陜西斯達(dá)防爆有限公司生產(chǎn)的礦用本安型通風(fēng)多參數(shù)測(cè)定儀（相對(duì)壓力的測(cè)試精度為±10 Pa）、激光測(cè)距儀、SSN-71 大氣壓溫濕度自動(dòng)記錄儀。采用整體控制較好的基點(diǎn)測(cè)定法，將SSN-71 大氣壓溫濕度自動(dòng)記錄儀設(shè)定好后放置于井口位置測(cè)量[10]。在測(cè)量相對(duì)基點(diǎn)靜壓時(shí)，應(yīng)測(cè)量絕對(duì)靜壓、巷道風(fēng)速、溫度和相對(duì)濕度，并計(jì)算速度壓力。測(cè)量或檢查巷道上每個(gè)點(diǎn)的高度，以計(jì)算潛在壓力。

2.2 阻力測(cè)定及路線布置

2.2.1 測(cè)線的選擇

選擇的測(cè)定路線要能夠反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)特征，它包括許多形式的支點(diǎn)和巷道類型[11]。主要實(shí)測(cè)距離應(yīng)包括礦井內(nèi)主要空氣點(diǎn)，便于在主流方向測(cè)量。為準(zhǔn)確測(cè)量2 個(gè)測(cè)量點(diǎn)間的阻力，測(cè)量點(diǎn)應(yīng)從加固好、切割穩(wěn)定、前后無(wú)積料、氣流穩(wěn)定的區(qū)間中選擇。對(duì)阻力測(cè)量結(jié)果影響較小的節(jié)點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)組合簡(jiǎn)化。

路線1： 副井—南翼軌道石門—南翼軌道大巷—一采區(qū)輔運(yùn)聯(lián)巷—一采區(qū)輔運(yùn)巷—一采區(qū)輔運(yùn)下山—1305 進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷—1305 進(jìn)風(fēng)巷—1305 工作面—1305 回風(fēng)巷—一采區(qū)回風(fēng)下山—一采區(qū)回風(fēng)巷—南翼2 號(hào)回風(fēng)巷—中央風(fēng)井。

路線2：堯神溝進(jìn)風(fēng)井—二采區(qū)輔運(yùn)聯(lián)巷—二采區(qū)輔運(yùn)巷—2303 進(jìn)風(fēng)巷—2303 工作面—2303 回風(fēng)巷—二采區(qū)回風(fēng)措施巷—二采區(qū)2 號(hào)回風(fēng)巷—堯神溝回風(fēng)井。

2.2.2 測(cè)點(diǎn)的布置

測(cè)點(diǎn)位于流量穩(wěn)定點(diǎn)，路段平整，3 m 支點(diǎn)完好無(wú)損；當(dāng)流量分布點(diǎn)、流量集中點(diǎn)和局部阻力較大時(shí)，測(cè)量點(diǎn)和流量變化點(diǎn)應(yīng)保持一定距離（前緣寬度大于3 倍，后緣寬度大于8 倍）。對(duì)于安裝點(diǎn)，確保2 個(gè)相鄰點(diǎn)之間的差壓不超過(guò)20 Pa 或裝置的測(cè)量范圍。這些點(diǎn)的布置要控制礦井和巷道主要通風(fēng)道中阻力分布和風(fēng)量的變化，盡量控制巷道中屋頂或基礎(chǔ)高度接近已知導(dǎo)線點(diǎn)的布置。在坑內(nèi)測(cè)量中，各測(cè)量點(diǎn)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，所以選擇點(diǎn)能夠有效控制主工作面與工作面之間的阻力分布。

3 礦井三維通風(fēng)仿真與優(yōu)化系統(tǒng)建立與分析

3Dsimopt3.0 是遼寧工程技術(shù)大學(xué)系統(tǒng)建設(shè)研究所開發(fā)的三維通風(fēng)模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立了巷道目標(biāo)與節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、潮流等關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，基于初步估算圖網(wǎng)絡(luò)破解算法，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)破解的工程應(yīng)用[12]。

導(dǎo)入文件并在3Dsimopt 中構(gòu)建分解方案[13]。李村礦井通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量完成后，處理數(shù)據(jù)，輸入系統(tǒng)。建立李村煤礦通風(fēng)三維模擬系統(tǒng)，確定部分巷道風(fēng)量，模擬其流量分布，反復(fù)調(diào)整，使風(fēng)量與最大阻力位置一致。該參數(shù)基于最小功耗原理和沖頭驅(qū)動(dòng)原理，根據(jù)需要調(diào)整空氣分配。利用三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)對(duì)李村礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬解算。

4 李村煤礦通風(fēng)系統(tǒng)分析

4.1 誤差分析

在采集過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)受測(cè)量誤差、測(cè)量精度等因素的影響。應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行分析，分析時(shí)的測(cè)量誤差小于5%[14]，滿足要求。

通風(fēng)系統(tǒng)阻力測(cè)定精度評(píng)價(jià)見(jiàn)式（1）。

式中：δ 為阻力測(cè)定誤差，%；h 為測(cè)定的礦井通風(fēng)總阻力，Pa；hfs為通風(fēng)機(jī)裝置靜壓，Pa；hs為通風(fēng)機(jī)風(fēng)硐測(cè)壓點(diǎn)靜壓，Pa；hv為通風(fēng)機(jī)風(fēng)硐測(cè)壓點(diǎn)動(dòng)壓，Pa；hn為礦井自然風(fēng)壓，Pa。

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 路線1 通風(fēng)系統(tǒng)的測(cè)定誤差Table 1 Measurement error of route 1 ventilation system

表2 路線2 通風(fēng)系統(tǒng)的測(cè)定誤差Table 2 Measurement error of route 2 ventilation system

4.2 模擬結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行測(cè)定和計(jì)算，李村礦井2條測(cè)試路線總通風(fēng)阻力為2 282.08 Pa、2 152.22 Pa，其中路線一進(jìn)風(fēng)區(qū)段通風(fēng)阻力615.67 Pa，用風(fēng)區(qū)段阻力849.89 Pa，回風(fēng)區(qū)段阻力816.52 Pa，三區(qū)的通風(fēng)阻力比為26.98∶37.24∶35.78。路線二進(jìn)風(fēng)區(qū)段通風(fēng)阻力557.03 Pa，用風(fēng)區(qū)段阻力857.84 Pa，回風(fēng)區(qū)段阻力737.36 Pa，三區(qū)的通風(fēng)阻力比為25.88∶39.86∶34.2。用風(fēng)區(qū)段的通風(fēng)阻力明顯高于進(jìn)、回區(qū)段。

4.3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行合理性分析

風(fēng)扇功率有風(fēng)功率曲線（H-Q）、波功率曲線（n-Q）、有效風(fēng)系數(shù)曲線（H-Q）。這3 條曲線測(cè)量了不同情況下的風(fēng)量、風(fēng)壓和風(fēng)扇波功率，并使用最小二乘法對(duì)這些離散點(diǎn)進(jìn)行校正。根據(jù)李村煤礦通風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果和2021 年潞安集團(tuán)監(jiān)測(cè)中心通風(fēng)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，分析主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，如圖1、圖2 所示。

圖1 中央風(fēng)井主扇運(yùn)行狀態(tài)Fig.1 Operation state of main fan in central air shaft

圖2 堯神溝回風(fēng)井主扇運(yùn)行狀態(tài)Fig.2 Operation state of main fan in Yaoshengou return air shaft

中央風(fēng)井主扇439.14 m3/s，堯神溝回風(fēng)井主扇420.38 m3/s，2 個(gè)主扇位于曲線穩(wěn)定工作區(qū)，同時(shí)在效率曲線極值點(diǎn)，風(fēng)機(jī)效率最大，軸功率接近最大，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。

5 李村煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

5.1 優(yōu)化方案

（1） 優(yōu)化方案一：在圖中所示位置新建西三區(qū)回風(fēng)立井，如圖3 所示。

圖3 方案一模擬Fig.3 Simulation of scheme 1

（2） 優(yōu)化方案二：在圖中顏色較深的巷道位置進(jìn)行清理雜物巷道斷面擴(kuò)大處理，如圖4 所示。

圖4 方案二模擬Fig.4 Simulation of scheme 2

5.2 優(yōu)化后模擬結(jié)果分析

方案一模擬結(jié)果分析：中央風(fēng)井風(fēng)量為19 806 m3/min，西三區(qū)回風(fēng)立井風(fēng)量變?yōu)? 540 m3/min，中央回風(fēng)井負(fù)壓由原來(lái)的2 148.79 Pa 變?yōu)? 738.55 Pa。該方案能夠減少礦井通風(fēng)阻力；并且中央回風(fēng)井風(fēng)量也會(huì)減少，該回風(fēng)巷風(fēng)速度不再超標(biāo)；同時(shí)能夠滿足高瓦斯礦分區(qū)通風(fēng)的要求，建議采用優(yōu)化方案一。

方案二模擬結(jié)果分析：對(duì)中央風(fēng)井巷道進(jìn)行清理雜物和擴(kuò)充斷面后，增加有效通風(fēng)面積；降低巷道風(fēng)速，回風(fēng)段風(fēng)阻也有所降低。雖然能減小回風(fēng)巷風(fēng)速，礦井通風(fēng)阻力也有所減小，但不能從根本上解決問(wèn)題，因此不推薦該方案。具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化后風(fēng)量對(duì)比Table 3 Air volume comparison after optimization

6 結(jié) 論

本文采取了理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、三維通風(fēng)系統(tǒng)仿真等方法，對(duì)李村煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，并且對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，總結(jié)如下。

（1） 根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，礦井通風(fēng)阻力不得超過(guò)2 940 Pa，后期當(dāng)風(fēng)量超過(guò)20 000 m3/min 時(shí)，不宜超過(guò)3 920 Pa，優(yōu)化后礦井通風(fēng)阻力為2 148.79 Pa，阻力相對(duì)合理。

（2） 對(duì)李村煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的研究表明，基于三維通風(fēng)模擬系統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化可以有效解決地下通風(fēng)系統(tǒng)水平增長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。

（3） 利用三維通風(fēng)模擬優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)，優(yōu)化礦井主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行，調(diào)整礦井通風(fēng)系統(tǒng)，確定優(yōu)化的調(diào)整方案，為實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)風(fēng)”提供科學(xué)依據(jù)。