基于網(wǎng)絡(luò)解算的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

陳永軍

（山西高平科興龍馬煤業(yè)有限公司，山西 高平 048407）

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，其由許多縱橫交錯(cuò)的井巷構(gòu)成，并且隨著礦井開采時(shí)間的延長，會不斷出現(xiàn)新的掘進(jìn)工作面和采煤工作面，也會出現(xiàn)許多采空區(qū)，通風(fēng)系統(tǒng)也愈加復(fù)雜，礦井通風(fēng)阻力也會越來越大。礦井通風(fēng)阻力的增大，會導(dǎo)致礦井主通風(fēng)機(jī)需要提供更大的風(fēng)速和風(fēng)量才能夠滿足井下工人和工作面的基本需求，如果僅僅通過調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)的性能來實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，不符合礦井綠色節(jié)能高效的要求。需要對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性的測定和分析，分析整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中存在的問題，有針對性地采取巷道改造和降阻優(yōu)化措施，最終實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化。然而僅僅通過人工進(jìn)行分析和測算，得出的數(shù)據(jù)存在很大的誤差，也無法對擬采取的措施所能夠達(dá)到的效果進(jìn)行提前預(yù)判，不利于得到最優(yōu)化的通風(fēng)系統(tǒng)改造方案。而網(wǎng)絡(luò)解算則是通過對實(shí)際礦井所有參數(shù)的有效仿真和模擬，讓模擬的通風(fēng)系統(tǒng)無限接近于現(xiàn)實(shí)，將擬定的通風(fēng)減阻方案通過網(wǎng)絡(luò)解算進(jìn)行分析，模擬其所能夠達(dá)到的通風(fēng)減阻效果，通過方案對比獲取最優(yōu)化的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造措施[1]。

1 通風(fēng)系統(tǒng)的測定與分析

本文以某煤礦作為研究對象進(jìn)行分析，該煤礦采用兩翼對角式通風(fēng)，主、副井用于進(jìn)風(fēng)，南、北風(fēng)井用于回風(fēng)。主通風(fēng)機(jī)均安裝在回風(fēng)井的地面通風(fēng)機(jī)房當(dāng)中。主要參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 回風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)參數(shù)表

1.1 通風(fēng)阻力測定

首先確定該煤礦323 采煤工作面的通風(fēng)阻力測定路線，然后確定本次通風(fēng)阻力的測定方法采用氣壓計(jì)法，需要用到的設(shè)備主要包括兩臺精密數(shù)字氣壓計(jì)，通風(fēng)干濕表、風(fēng)表等[2]。通過通風(fēng)阻力測定發(fā)現(xiàn)，進(jìn)風(fēng)段總長度2 135 m，通風(fēng)阻力實(shí)測值為390 Pa，占礦井通風(fēng)阻力的24%；用風(fēng)段總長度1 299 m，通風(fēng)阻力實(shí)測值為197.6 Pa，占礦井通風(fēng)阻力的12.2%；回風(fēng)段總長度3 161 m，通風(fēng)阻力實(shí)測值為1 035.6 Pa，占礦井通風(fēng)阻力的63.8%。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，回風(fēng)段通風(fēng)阻力過大，超過了進(jìn)風(fēng)段和用風(fēng)段的通風(fēng)阻力之和。在實(shí)際測算過程中發(fā)現(xiàn)，在南翼進(jìn)風(fēng)和北翼進(jìn)風(fēng)的公共疊合區(qū)域個(gè)別區(qū)段存在通風(fēng)斷面小、風(fēng)量、風(fēng)速以及風(fēng)阻過大的問題，如果采煤工作面風(fēng)量增加，該區(qū)段的風(fēng)速、風(fēng)量以及風(fēng)阻將進(jìn)一步增大；回風(fēng)段中一采區(qū)的回風(fēng)巷道有長達(dá)1 000 m 的區(qū)域存在巷道頂部冒落、兩幫及底部上鼓，導(dǎo)致該區(qū)域的回風(fēng)巷道實(shí)際有效通風(fēng)斷面不超過5 m2，通風(fēng)阻力過大。

1.2 主通風(fēng)機(jī)性能評價(jià)

圖1 為南風(fēng)井風(fēng)機(jī)的實(shí)際特性曲線，該風(fēng)機(jī)當(dāng)前的實(shí)際工況處于特性曲線的右下側(cè)，即單獨(dú)下降的區(qū)段，該通風(fēng)機(jī)當(dāng)前的風(fēng)量在4 600 m3/min 左右，其最高風(fēng)量可達(dá)5 200 m3/min 左右，因此該風(fēng)機(jī)當(dāng)前處于安全平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。圖2 為北風(fēng)井風(fēng)機(jī)的實(shí)際特性曲線，該風(fēng)機(jī)當(dāng)前的實(shí)際工況處于特性曲線的右下側(cè)，即單獨(dú)下降的區(qū)段，該通風(fēng)機(jī)當(dāng)前的風(fēng)量在3 500 m3/min 左右，其最高風(fēng)量可達(dá)4 300 m3/min 左右，雖然北風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)當(dāng)前供風(fēng)量距離最大供風(fēng)量還存在一定的富余，但是隨著北翼采取工作面供風(fēng)量需求的進(jìn)一步增加，所能夠提供的風(fēng)量有效。

圖1 南風(fēng)井風(fēng)機(jī)實(shí)際特性曲線

圖2 北風(fēng)井風(fēng)機(jī)實(shí)際特性曲線

2 基于網(wǎng)絡(luò)解算的礦井通風(fēng)系統(tǒng)模擬

礦井通風(fēng)系統(tǒng)模擬實(shí)際上就是通過對實(shí)際的礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化，將礦井通風(fēng)巷道作為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的線，巷道與巷道的連接處設(shè)置節(jié)點(diǎn)，為了能夠簡化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以對一些巷道進(jìn)行合并，將礦井通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際長度、斷面大小及形式、通風(fēng)阻力、風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)壓等參數(shù)賦予相應(yīng)的線條，通過多次網(wǎng)絡(luò)解算以及不斷調(diào)整，使得模擬的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中的風(fēng)量、風(fēng)阻與礦井實(shí)際的參數(shù)相符[3]。然后對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析和模擬，結(jié)合礦井實(shí)際狀況，對礦井當(dāng)前的通風(fēng)系統(tǒng)性能進(jìn)行研究和分析，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，最終制定優(yōu)化方案，通過有效模擬，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案效果的可視化，對通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜的大型礦井降阻優(yōu)化輔助作用更大[4]。

本文首先繪制研究對象煤礦的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，在繪制過程中對井底車場、采區(qū)的車場以及其他一些無關(guān)緊要的短巷道進(jìn)行簡化，簡化成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)或者一小段巷道，通過計(jì)算一個(gè)等效風(fēng)阻值來取代實(shí)際區(qū)域的風(fēng)阻值。將實(shí)際測算到的礦井通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)納入到模擬的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中，通過不斷地對主要通風(fēng)機(jī)工況、風(fēng)量以及分支風(fēng)阻等進(jìn)行校驗(yàn)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)模擬值與實(shí)測值相一致，為實(shí)現(xiàn)正確模擬和預(yù)測提供基礎(chǔ)和依據(jù)[5]。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

通過對323 采煤工作面的通風(fēng)阻力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測定，分析其存在的問題，特提出相應(yīng)的降阻優(yōu)化措施。

措施一：對南翼進(jìn)風(fēng)和北翼進(jìn)風(fēng)的公共疊合區(qū)域通風(fēng)斷面小、風(fēng)量、風(fēng)速以及風(fēng)阻過大的區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)修，將其巷道斷面由原來的10 m2擴(kuò)大到20 m2，解決通風(fēng)斷面小、風(fēng)量、風(fēng)速以及風(fēng)阻過大的現(xiàn)狀，同時(shí)解決后期工作面風(fēng)量增加帶來的該區(qū)域風(fēng)速超限等問題。

措施二：對回風(fēng)段中一采區(qū)長達(dá)1 000 m 有效通風(fēng)斷面不超過5 m2的回風(fēng)巷道進(jìn)行擴(kuò)修，對巷道周邊進(jìn)行擴(kuò)修，確保其有效通風(fēng)斷面不得小于10 m2。以此來有效降低回風(fēng)巷的通風(fēng)阻力。

措施三：施工一條聯(lián)絡(luò)巷道，并在必要的位置設(shè)置永久正反風(fēng)門，實(shí)現(xiàn)一采區(qū)的軌道上山、運(yùn)輸上山與三采區(qū)的軌道上山、運(yùn)輸上山之間并聯(lián)回風(fēng)，縮短總回風(fēng)巷道的長度，降低回風(fēng)段的通風(fēng)阻力。

措施四：由于北回風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)的最大供風(fēng)量小于南回風(fēng)井，后期北回風(fēng)井更容易飽和，因此提前將北回風(fēng)井的部分回風(fēng)風(fēng)量引至南回風(fēng)井系統(tǒng)線路，由南回風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)分擔(dān)部分北回風(fēng)井的回風(fēng)風(fēng)量。

針對以上四種措施，特提出四種降阻優(yōu)化方案：方案一是僅采取措施一來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)降阻；方案二是在采取措施一的基礎(chǔ)上，再采取措施二、措施三進(jìn)行進(jìn)一步的降阻優(yōu)化；方案三是在采取了措施一、措施二和措施三的基礎(chǔ)上，將南回風(fēng)井的500 m3/min 回風(fēng)量引至北回風(fēng)井；方案四是在采取了措施一、措施二和措施三的基礎(chǔ)上，將南回風(fēng)井的1 000 m3/min 回風(fēng)量引至北回風(fēng)井。

將采取方案一、方案二、方案三、方案四所帶來的有效通風(fēng)面積、通風(fēng)阻力、巷道長度等變化計(jì)算出來，然后分別代入礦井模擬通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中，求解出采取相應(yīng)方案后各分支的風(fēng)阻、風(fēng)量等變化。模擬結(jié)果如下：

方案一措施效果：擴(kuò)修該段巷道成功解決了該段巷道的通風(fēng)風(fēng)速超限、風(fēng)量過大、風(fēng)阻過大等問題，但是網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果顯示礦井總的通風(fēng)阻力僅僅降低了157 Pa，因此方案一對整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化效果甚微。

方案二措施效果：方案二除了擴(kuò)修兩段巷道實(shí)現(xiàn)局部阻力降低外，還通過并聯(lián)通風(fēng)減短回風(fēng)巷通風(fēng)長度減低風(fēng)阻，通過網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果顯示礦井通風(fēng)總阻力降低了750 Pa 左右，通風(fēng)降阻措施對整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化效果較為明顯。

方案三措施效果：方案三在方案二的基礎(chǔ)上通過構(gòu)筑正反風(fēng)門和聯(lián)絡(luò)通道等實(shí)現(xiàn)部分本應(yīng)流至北回風(fēng)井的風(fēng)量引至南回風(fēng)井流出，分流風(fēng)量達(dá)到500 m3/min。通過網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果顯示礦井通風(fēng)總阻力在方案二的基礎(chǔ)上再降低207 Pa 左右，該措施對整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化效果較為明顯。

方案四措施效果：方案四在方案三的基礎(chǔ)上分流風(fēng)量再增加500 m3/min。通過網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果顯示礦井通風(fēng)總阻力在方案三的基礎(chǔ)上再降低70 Pa 左右，該措施對整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化效果較方案三效果不明顯。

4 結(jié)論

新建礦井的通風(fēng)系統(tǒng)相對比較簡單，開采時(shí)間越長，礦井巷道越多，礦井通風(fēng)系統(tǒng)越復(fù)雜。尤其是大型煤礦，其礦井通風(fēng)系統(tǒng)更為復(fù)雜，在如此復(fù)雜的礦井通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中尋找影響礦井通風(fēng)阻力的主要巷道和因素難度非常大。網(wǎng)絡(luò)解算能夠較為方便地對整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，尋找優(yōu)化整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的對策措施，但是這需要通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高，前期測量需要耗費(fèi)較大的人力、物力和時(shí)間。另外通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的繪制以及網(wǎng)絡(luò)算法的選擇也十分關(guān)鍵。這些都能夠大大提升網(wǎng)絡(luò)解算的測算精度和準(zhǔn)確性。本文通過實(shí)測尋找出礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，制定了四個(gè)通風(fēng)優(yōu)化方案，通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)算發(fā)現(xiàn)方案三的優(yōu)化措施能夠有效減低整個(gè)礦井的通風(fēng)總阻力，達(dá)到良好的通風(fēng)減阻節(jié)能效果。