花草灘煤礦通風(fēng)系統(tǒng)仿真與通風(fēng)阻力解算

郗海龍，李勤生，王國棟，周 鋒，牛文波，高 倫，鄭 帥，陳志興，賈瑞敏，隋磊，王懿軒

（1.張掖市宏能煤業(yè)有限公司，甘肅 張掖 734100；2.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000；3.陜西黃河礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 韓城 715400；4.銀川科技學(xué)院，寧夏 銀川 750011；5.包鋼集團(tuán)公司有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014080；6.冀中能源集團(tuán)有限公司，河北 邢臺 054001）

0 引言

數(shù)字計(jì)算技術(shù)用于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析始于1953 年。20 世紀(jì)60 年代末，在世界范圍內(nèi)，計(jì)算機(jī)廣泛地應(yīng)用于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。到目前為止，已有大量有關(guān)礦井通風(fēng)的軟件，用于解決地下開采中出現(xiàn)的不同問題。國外最具代表性的是波蘭科學(xué)院的WENTGRA 系統(tǒng)，它配合POZAR 系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)時(shí)期風(fēng)流狀態(tài)仿真；國內(nèi)一些學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。為全面分析礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，指導(dǎo)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，解決礦井通風(fēng)系統(tǒng)問題，花草灘煤礦開展通風(fēng)系統(tǒng)仿真與優(yōu)化研究工作，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性、有效性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性提供理論基礎(chǔ)。

花草灘煤礦礦井采用中央并列式通風(fēng)方式，通風(fēng)方法為抽出式，副井進(jìn)風(fēng)，主井回風(fēng)。隨著煤礦開采深度的增加，礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理逐漸不便，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能化管理是行之有效的一種方法。井下工作內(nèi)容特殊，傳統(tǒng)方法進(jìn)行礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析時(shí)給礦山工作者帶來了很大的不便，效率低下。基于此，有必要開展礦井通風(fēng)系統(tǒng)診斷與優(yōu)化策略研究。礦井信息可視化展示為礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)提供了便利，利用可視化仿真平臺進(jìn)行礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的建模及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的解算，提高煤礦的管理水平，實(shí)現(xiàn)動態(tài)展示和管理的一體化，為現(xiàn)在及將來的通風(fēng)需求優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持，保證通風(fēng)系統(tǒng)與生產(chǎn)能力相適應(yīng)。

1 礦井通風(fēng)參數(shù)測試

根據(jù)礦井需要，對花草灘煤礦通風(fēng)系統(tǒng)阻力測試，以獲得通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)，為系統(tǒng)優(yōu)化提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)。

在阻力測試過程中，為了方便對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、辨別和處理，對眾多測點(diǎn)統(tǒng)一命名。測點(diǎn)標(biāo)識以英文字母“F（巷道斷面）”或“V（風(fēng)門）”+“數(shù)字”+“-”+“數(shù)字”的形式表示，第一個(gè)數(shù)字表示測試天數(shù)，“-”+“數(shù)字”表示當(dāng)天的測點(diǎn)數(shù)?；ú轂┟旱V通風(fēng)系統(tǒng)測試的測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 花草灘煤礦通風(fēng)系統(tǒng)測試的測點(diǎn)布置Fig.1 Arrangement of measuring points for ventilation system test in Huacaotan Coal Mine

部分測試數(shù)據(jù)見表1 和表2。

表1 巷道斷面風(fēng)量記錄數(shù)據(jù)Table 1 Air volume record data of roadway section

表2 風(fēng)門測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of air door

2 礦井通風(fēng)云仿真系統(tǒng)（HCT-CloudSS）開發(fā)

2.1 礦井通風(fēng)云仿真系統(tǒng)構(gòu)建

花草灘煤礦通風(fēng)仿真文件的創(chuàng)建采用了直接繪制的方式，仿真系統(tǒng)局部放大圖如圖2 所示，仿真系統(tǒng)如圖3 所示。

圖2 花草灘煤礦通風(fēng)仿真系統(tǒng)局部放大圖Fig.2 Local magnification diagram of ventilation simulation system in Huacaotan Coal Mine

圖3 花草灘煤礦通風(fēng)仿真系統(tǒng)Fig.3 Ventilation simulation system of Huacaotan Coal Mine

利用系統(tǒng)本身的功能進(jìn)行如下檢查，并在仿真系統(tǒng)軟件下對其進(jìn)行相關(guān)編輯，確保仿真圖的完整性。

（1）圖的連通性檢查。檢查仿真圖形的連通性等于1 時(shí)，說明該仿真圖形為一個(gè)連通圖。

（2）進(jìn)、回風(fēng)井檢查。若進(jìn)、回風(fēng)井的個(gè)數(shù)或者風(fēng)流方向與礦井通風(fēng)系統(tǒng)不一致，必須進(jìn)行修改，方法是改變風(fēng)流方向，直到與實(shí)際情況一致。

（3）單向回路檢查。若礦井僅作風(fēng)流分配或者按需調(diào)節(jié)這項(xiàng)檢查是不必要的，但分析通風(fēng)系統(tǒng)的角聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，這項(xiàng)檢查是必要的。

（4）風(fēng)流方向檢查。除了進(jìn)、回風(fēng)井的風(fēng)流方向必須與礦井實(shí)際情況一致外，其它巷道的風(fēng)流方向可以不必檢查。

2.2 礦井通風(fēng)阻力系數(shù)云反演

通過人工測風(fēng)法測試了花草灘煤礦29 個(gè)主要地點(diǎn)巷道的風(fēng)量，見表3。通過智能算法，利用測試得到的觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)，對全礦井的通風(fēng)阻力系數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，并不斷調(diào)整計(jì)算精度，最終得到花草灘煤礦每條巷道分支的阻力系數(shù)和全礦的阻力分布情況。

表3 花草灘煤礦通風(fēng)系統(tǒng)觀測點(diǎn)風(fēng)量Table 3 Air volume of observation points of ventilation system in Huacaotan Coal Mine

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)仿真

通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，利用JL-Cloud 通風(fēng)阻力系數(shù)智能反演算法，反演出了花草灘煤礦巷道通風(fēng)阻力系數(shù)。使用花草灘煤礦礦井通風(fēng)云仿真系統(tǒng)（HCT-CloudSS），利用反演出來的巷道通風(fēng)阻力系數(shù)，對花草灘煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，解算的結(jié)果見表4，礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖4 所示。

表4 通風(fēng)網(wǎng)路解算Table 4 Ventilation network solution

圖4 花草灘煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Ventilation network diagram of Huacaotan Coal Mine

4 花草灘煤礦通風(fēng)系統(tǒng)分析

4.1 礦井總風(fēng)量、風(fēng)網(wǎng)功耗和等積孔

利用花草灘煤礦通風(fēng)仿真系統(tǒng)對礦井的通風(fēng)難易程度、阻力分布等進(jìn)行分析，網(wǎng)絡(luò)解算條件概況見表5，總的分支總數(shù)達(dá)到148 條，地面運(yùn)轉(zhuǎn)主要通風(fēng)機(jī)1 臺，井下局部通風(fēng)機(jī)6 處。

表5 網(wǎng)絡(luò)解算條件Table 5 Network solution conditions

礦井總排風(fēng)量為155.46 m3/s，見表6。根據(jù)礦井的等積孔計(jì)算結(jié)果，回風(fēng)主井為通風(fēng)容易風(fēng)井，滿足“煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件AQ 1028-2006”的相關(guān)規(guī)定。

表6 礦井總風(fēng)量、風(fēng)網(wǎng)功耗和等積孔Table 6 Mine total air volume,air network power consumption and equal-area holes

4.2 通風(fēng)系統(tǒng)分析

通過回風(fēng)主井的最大阻力為2146.77 Pa，最大阻力路線如圖5 所示，具體為副井井口—副井—井底車場—+1550 軌道石門—軌道暗斜井通路—軌道暗斜井—1109 運(yùn)順車場—1109 運(yùn)輸順槽—1109 綜采工作面—1109 回風(fēng)順槽—1109 回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道—回風(fēng)暗斜井—+1610 風(fēng)道—回風(fēng)石門—主井。

圖5 礦井最大阻力路線Fig.5 Maximum resistance route of mine

為了反映回風(fēng)主井最大阻力路線上各節(jié)點(diǎn)的壓能分布情況，繪制了回風(fēng)主井最大阻力路線壓能分布圖，如圖6 所示。

圖6 礦井最大阻力路線壓能分布Fig.6 Pressure energy distribution of maximum resistance route in mine

根據(jù)最大阻力路線圖，通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的進(jìn)風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)、回風(fēng)區(qū)的阻力統(tǒng)計(jì)見表7。根據(jù)最大阻力路線圖以及參考風(fēng)井的等級孔計(jì)算結(jié)果，結(jié)合礦井總阻力和總風(fēng)量考慮，東風(fēng)井屬于通風(fēng)容易風(fēng)井，進(jìn)風(fēng)區(qū)段阻力為27.31%，用風(fēng)區(qū)段的阻力為7.90%，回風(fēng)區(qū)段阻力為64.79%，不太合理。

表7 礦井通風(fēng)阻力三區(qū)分布情況Table 7 Distribution of three zones of mine ventilation resistance

5 困難時(shí)期礦井通風(fēng)系統(tǒng)仿真分析及優(yōu)化

5.1 巷道布置及需風(fēng)量

花草灘煤礦五采區(qū)最困難時(shí)期的通風(fēng)系統(tǒng)，采掘布置為1 采（5101 采煤工作面）1 備（5102備采工作面）5 掘（5103 運(yùn)輸順槽、5103 回風(fēng)順槽、5104 運(yùn)輸順槽、5104 回風(fēng)順槽和5105 運(yùn)輸順槽）。掘進(jìn)工作面均采用2×37 kW 局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)，最長通風(fēng)距離為2 400 m，單臺局扇吸風(fēng)量為640 m3/min，5101 采煤工作面采用U 型通風(fēng)方式，5101 工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)順槽回風(fēng)，工作面計(jì)劃風(fēng)量為980 m3/min，5102 備采工作面風(fēng)量按5101 工作面的1/2 配置為490 m3/min，掘進(jìn)工作面需風(fēng)量為4 200 m3/min（增加5 臺局扇前的過路風(fēng)1 000 m3/min）；采煤工作面和備采工作面需風(fēng)量為1 500 m3/min；其他硐室需風(fēng)量為1 500 m3/min；其他用風(fēng)地點(diǎn)需風(fēng)量為1 500 m3/min；按照1.15 的風(fēng)量富余系數(shù)計(jì)算，困難時(shí)期礦井總風(fēng)量為10 005 m3/min。

5.2 通風(fēng)系統(tǒng)仿真

在建立的花草灘煤礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀仿真模型的基礎(chǔ)上，建立花草灘煤礦困難時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)仿真模型，如圖7 所示，并根據(jù)風(fēng)量分配要求，完善仿真模型巷道參數(shù)錄入。

圖7 花草灘煤礦困難時(shí)期礦井通風(fēng)仿真模型Fig.7 Mine ventilation simulation model of Huacaotan Coal Mine in difficult period

5.3 通風(fēng)阻力計(jì)算

通過花草灘煤礦困難時(shí)期礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)，按照現(xiàn)有主體巷道，未進(jìn)行降阻優(yōu)化，計(jì)算最大阻力路線上各巷道通風(fēng)阻力見表8。

表8 花草灘煤礦困難時(shí)期礦井各巷道通風(fēng)阻力仿真計(jì)算統(tǒng)計(jì)Table 8 Ventilation resistance simulation calculation statistics of each roadway in Huacaotan Coal Mine during difficult period

分析表8 可知，花草灘煤礦困難時(shí)期礦井最大阻力路線上各巷道通風(fēng)阻力之和，即通風(fēng)總阻力為6 620.27 Pa，總風(fēng)量為166.75 m3/min。礦井風(fēng)網(wǎng)功耗和等積孔計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 困難時(shí)期礦井總風(fēng)量、風(fēng)網(wǎng)功耗和等積孔Table 9 Mine total air volume,air network power consumption and equalizing hole in difficult period

由表9 可知，礦井通風(fēng)困難時(shí)期由于通風(fēng)路線長，礦井總阻力較大?，F(xiàn)場測試時(shí)發(fā)現(xiàn)回風(fēng)暗斜井（1108 運(yùn)、回順段）頂板及兩幫受壓力影響，巷道變形嚴(yán)重，斷面過小。仿真結(jié)果顯示該段巷道通風(fēng)阻力系數(shù)R 達(dá)到了0.084 037。若將該段巷道進(jìn)行修整，可將該段巷道通風(fēng)阻力系數(shù)R 降到0.006 左右，困難時(shí)期該段巷道通風(fēng)阻力可由原來的1 765.66 Pa 降到378.23 Pa，礦井困難時(shí)期通風(fēng)總阻力可下降至5232.84 Pa，即使對回風(fēng)暗斜井（1108 運(yùn)、回順段）進(jìn)行降阻優(yōu)化，花草灘煤礦困難時(shí)期礦井總阻力仍不符合礦井通風(fēng)阻力的要求。

6 結(jié)語

通過模擬仿真軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對花草灘礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀的模擬分析，方便通風(fēng)系統(tǒng)的管理，對未來礦井改造優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。