雙主風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

摘 要：【目的】為解決平煤九礦雙主風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)通風(fēng)系統(tǒng)在開采后期存在的丁組風(fēng)機(jī)風(fēng)量富裕、己組風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)載荷過大的問題，需要對雙主風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)下的礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化?！痉椒ā坎捎脭?shù)值模擬的方法，構(gòu)建平煤九礦中長時期的通風(fēng)Ventsim三維可視化模型，提出相關(guān)優(yōu)化方案，對不同方案從通風(fēng)效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行對比分析?！窘Y(jié)果】研究結(jié)果表明，通過擴(kuò)修己二東翼回風(fēng)下山、己二回風(fēng)下山和己組總回風(fēng)等高阻力段巷道斷面至16 m2，新建回風(fēng)聯(lián)巷溝通己二回風(fēng)下山和丁組回風(fēng)下山，調(diào)節(jié)丁組風(fēng)機(jī)角度至-14°，使丁組風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)己二東翼回風(fēng)風(fēng)量，己組風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)己二西翼回風(fēng)風(fēng)量，有效降低了礦井的通風(fēng)阻力，實(shí)現(xiàn)按需分配，滿足各用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量的要求，己組和丁組風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)的風(fēng)量和風(fēng)壓更加合理?！窘Y(jié)論】優(yōu)化方案有效解決了該礦井中存在的問題，提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的信息化管理水平。

關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)；雙主風(fēng)機(jī)；通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)；仿真模擬

中圖分類號：TD724" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0033-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.007

Optimization of Combined Operation Ventilation System of Double Main Fans

WU Yidan1 WANG Songmin2 SHI Xiukai2

（1.School of Safety Science and Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003， China;

2.Pingdingshan Tianan Coal Industry No.9 Mine Co.， Ltd.， Pingdingshan 467000， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problem that the air volume of the Ding-group fan is rich and the load of the Ji-group fan is too large in the late mining period of the combined operation ventilation system of the double main fan in Pingmei No.9 Mine， it is necessary to optimize the mine ventilation system under the combined operation of the double main fan.[Methods] By using the method of numerical simulation， the medium and long-term ventilation Ventsim three-dimensional visualization model of the ventilation of Pingmei No. 9 Coal Mine is constructed， and the relevant optimization schemes are put forward. The different schemes are compared and analyzed from the aspects of ventilation effect and technical economy.[Findings] According to the research results， by expanding the roadway section of the high resistance sections such as the Ji-2 return air downhill of the east wing， the Ji-2 return air of the group and the total return air downhill to 16 m2， and" by using the new return air joint roadway that is used to communicate the Ji-2 return air of the group and the total return air downhill， and reduce the angle of the Ding-group fan to-14°， the Ding-group fan is responsible for the Ji-2 return air downhill of the east wing， and the Ji-group fan is responsible for the Ji-2 return air downhill of the west wing， which effectively reduces the ventilation resistance of the mine， realizes the on-demand distribution， meets the requirements of the air volume of each wind site， and ensures that the air volume and air pressure borne by the fans are more reasonable.[Conclusions] The optimization scheme effectively solves the problems existing in the mine， and is convenient to improve the information management level of the mine ventilation system.

Keywords： mine ventilation; double main fan; ventilation network; analogue simulation

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用［1-2］。但隨著礦井開采的不斷深入，淺部煤炭資源逐漸枯竭，采掘布置形式不斷交替變化，礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了顯著改變。因此，礦井通風(fēng)系統(tǒng)需要不斷調(diào)整，并及時合理地完善優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)，以保證礦井實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。

通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整前的仿真模擬可以保證通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)施調(diào)整時高效、安全和順利進(jìn)行，國內(nèi)外相關(guān)專家和學(xué)者在通風(fēng)優(yōu)化方面已經(jīng)有了較多的研究成果，尤其是通風(fēng)模擬軟件Ventsim［3］方面，盛建紅等［4］采用Ventsim模擬分析了區(qū)域單元、兩翼對角混合式通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用效果及合理性；黃傳寶等［5］基于Ventsim對淺部生產(chǎn)期和中深部開采期開展通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，確定采用礦區(qū)兩翼對角抽出式和中段分單元通風(fēng)方案；Liang 等［6］通過Ventsim軟件對補(bǔ)連塔煤礦長壁采空區(qū)殘煤自燃情況進(jìn)行模擬，提出了隔離和增壓方案對其進(jìn)行緩解；程志楷等［7］利用Ventsim研究了趙固二礦的通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整情況；辛嵩等［8］針對單翼通風(fēng)系統(tǒng)存在的共性問題，運(yùn)用Ventsim網(wǎng)絡(luò)解算與動態(tài)模擬進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化；陳國芳等［9］基于Ventsim模擬武山銅礦中段通風(fēng)容易時期和困難時期的通風(fēng)量，以解決工程存在的實(shí)際問題；盧輝等［10］通過設(shè)計不同的均壓通風(fēng)方案，利用Ventsim對南山煤礦孤島工作面進(jìn)行模擬，得到最優(yōu)的設(shè)計方案；聶軍等［11］基于Ventsim軟件對高峰礦業(yè)公司三進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案進(jìn)行了模擬分析；楊鐵江等［12］利用Ventsim完成了玲南金礦礦井反風(fēng)模型的建立和反風(fēng)方案的設(shè)計；吳文博等［13］針對現(xiàn)存的問題，利用Ventsim對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過實(shí)施改進(jìn)方案，有效增加了通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量；趙興東等［14］利用Ventsim模擬分析了地下水封洞庫各不同施工階段通風(fēng)方式。

平煤九礦通風(fēng)系統(tǒng)是雙主風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要開采丁組和己組煤層。為了分析預(yù)測雙風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的礦井通風(fēng)系統(tǒng)狀況，充分利用通風(fēng)系統(tǒng)資源，在開展礦井通風(fēng)阻力測定的基礎(chǔ)上，利用Ventsim礦井通風(fēng)模擬軟件建立平煤九礦現(xiàn)狀通風(fēng)系統(tǒng)的三維巷道模型，確定了所建立的平煤九礦三維可視化模型與礦井實(shí)際運(yùn)行的偏差，且解算模型的風(fēng)量與礦井中實(shí)際風(fēng)量之間的相對誤差較小，都在5 %以內(nèi)，準(zhǔn)確度較高，可用于后續(xù)模擬研究。在此基礎(chǔ)上再建立平煤九礦中長時期通風(fēng)系統(tǒng)的三維巷道模型，研究分析該礦存在的問題，并結(jié)合實(shí)際情況提出優(yōu)化方案，以預(yù)測通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整方案的合理性和可行性，減小通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整實(shí)施過程中存在的事故風(fēng)險。

1 礦井概況

平煤九礦核定生產(chǎn)能力為90萬t/a，礦井分為兩個水平開采，一水平標(biāo)高為-120 m，二水平標(biāo)高為-390 m。礦井通風(fēng)方法是抽出式，礦井開拓方式為斜、立井綜合開拓，由主斜井、副立井、下料斜井、行人斜井進(jìn)風(fēng)，丁組、己組風(fēng)井回風(fēng)。實(shí)測礦井總進(jìn)風(fēng)量為9 304 m3/min，總回風(fēng)量為9 319 m3/min，其中副立井進(jìn)風(fēng)6 116 m3/min，主斜井、下料斜井、行人斜井共進(jìn)風(fēng)3 188 m3/min，丁組回風(fēng)立井回風(fēng)4 352 m3/min，己組立井回風(fēng)4 967 m3/min。己組、丁組風(fēng)井各安裝兩臺同等型號的風(fēng)機(jī)，一臺工作，一臺備用，礦井各采區(qū)及工作面都具有完整、獨(dú)立且合理的通風(fēng)系統(tǒng)。

2 中長時期礦井通風(fēng)系統(tǒng)情況

2.1 中長時期采掘布置及需風(fēng)量

根據(jù)礦井采掘接替情況，礦井中長時期生產(chǎn)布置為2個采面、5個掘進(jìn)面和8個硐室。即己16-17-22081采面、己15-22100采面、己15-22070風(fēng)、機(jī)巷，己二西翼回風(fēng)下山、己二下延軌道下山、己二下延皮帶下山、-390變電所、-390火藥庫、-490瓦斯抽放泵站、-618變電所、-618己二采區(qū)避難硐室、-700變電所、-618充電硐室、己二下延軌道絞車房等，屆時丁二采區(qū)回采結(jié)束封閉，礦井主要工作（用風(fēng)）地點(diǎn)全部轉(zhuǎn)入己組二水平，各地點(diǎn)需風(fēng)量見表1。

根據(jù)礦井通風(fēng)中長時期采掘部署繪制通風(fēng)系統(tǒng)圖及網(wǎng)絡(luò)圖，采掘布置如圖1所示，中長時期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，構(gòu)建此時期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題

根據(jù)中長時期各用風(fēng)地點(diǎn)需風(fēng)量固定風(fēng)量進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算發(fā)現(xiàn)，平煤九礦通風(fēng)系統(tǒng)在中長時期存在以下問題：①現(xiàn)階段風(fēng)量基本能夠滿足各用風(fēng)地點(diǎn)的需要，下一步生產(chǎn)重心轉(zhuǎn)移到己組采區(qū)，下延工程開工，生產(chǎn)2面5頭，滿足此時期用風(fēng)量時，由于己組煤層向深部開采，通風(fēng)線路長，局部風(fēng)阻大，導(dǎo)致系統(tǒng)總風(fēng)阻較大，己組風(fēng)機(jī)需要提供的負(fù)壓非常高為8 383 Pa，需要提供的風(fēng)量為7 608 m3/min，擔(dān)負(fù)風(fēng)量增加了2 641 m3/min，而現(xiàn)有的己組風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)已無法滿足該時期的通風(fēng)需求。②從礦井中長時期生產(chǎn)部署計劃來看，丁組二水平即將回采結(jié)束，礦井全部生產(chǎn)將集中到己組煤層，屆時丁組風(fēng)井將面臨保留再利用或是關(guān)閉的問題。因此，亟須結(jié)合中長期礦井采掘規(guī)劃對平煤九礦進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化方案的提出

目前，丁組煤層已近枯竭，根據(jù)礦井煤層儲量賦存情況及中長時期生產(chǎn)計劃，待丁組煤層回采結(jié)束后，丁組全部封閉，礦井主要工作（用風(fēng)）地點(diǎn)全部轉(zhuǎn)入己組二水平。屆時，丁組風(fēng)機(jī)風(fēng)量富余、礦井風(fēng)量全部集中于己組風(fēng)機(jī)，己組風(fēng)機(jī)風(fēng)量不足。為優(yōu)化雙風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，充分利用丁組通風(fēng)系統(tǒng)資源，以緩解中長時期己組通風(fēng)困難的問題，結(jié)合礦井發(fā)展規(guī)劃，綜合技術(shù)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性三方面的因素，利用所建立的平煤九礦中長時期Ventsim三維可視化模型，制定了以下幾種優(yōu)化方案。

方案Ⅰ：由于己組系統(tǒng)阻力較高，故先對礦井高阻力巷道進(jìn)行擴(kuò)巷降阻，在滿足硐室、掘進(jìn)面、備采面、采面等用風(fēng)地點(diǎn)用風(fēng)需求的同時，結(jié)合附近巷道斷面大小將巷道斷面刷大至16 m2，具體如圖3所示。

方案Ⅱ：在高阻力段刷巷基礎(chǔ)上，將-215進(jìn)風(fēng)巷改造為回風(fēng)巷、打開己二輔助回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，使丁組風(fēng)機(jī)幫助己組風(fēng)機(jī)分擔(dān)部分回風(fēng)，如圖4所示。

方案Ⅲ：在高阻力段刷巷基礎(chǔ)上，由于丁二采區(qū)回采結(jié)束，丁組風(fēng)機(jī)閑置，則用丁組風(fēng)機(jī)分擔(dān)己組風(fēng)機(jī)供風(fēng)量。因此，新建回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷溝通己二回風(fēng)下山和丁組回風(fēng)下山，并將丁組風(fēng)機(jī)角度下調(diào)到-14°，使丁組風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)己二東翼回風(fēng)風(fēng)量，己組風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)己二西翼回風(fēng)風(fēng)量，如圖5所示。

方案Ⅳ：在高阻力段刷巷基礎(chǔ)上，由于向深部開采，主要用風(fēng)地點(diǎn)集中在礦井的北側(cè)，而礦井的回風(fēng)井均在南側(cè)，導(dǎo)致回風(fēng)線路長，通風(fēng)阻力大，因此新建回風(fēng)井，分擔(dān)采區(qū)回風(fēng)，如圖6所示。

3.2 優(yōu)化方案的確定

利用Ventsim三維模擬軟件對中長時期平煤九礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。由于己組系統(tǒng)阻力太高，首先對高阻力段進(jìn)行擴(kuò)巷降阻，沿程跟蹤系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)礦井中長時期高阻力段參數(shù)見表2。

在滿足硐室、掘進(jìn)面、備采面、采面等用風(fēng)地點(diǎn)用風(fēng)需求的同時，結(jié)合附近巷道斷面大小將上述巷道斷面刷大至16 m2，通過網(wǎng)絡(luò)解算得到礦井主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況，見表3。

由解算結(jié)果可知，通過實(shí)施方案Ⅰ后，即對部分高阻力段巷道刷巷降阻，降阻效果明顯，可以將己組風(fēng)機(jī)負(fù)壓降低至3 032 Pa，但其負(fù)壓仍然較高。考慮到此時丁二采區(qū)回采結(jié)束，丁組風(fēng)機(jī)閑置，計劃利用丁組風(fēng)機(jī)分擔(dān)己組風(fēng)機(jī)供風(fēng)量。為驗(yàn)證雙主風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的可行性，對方案Ⅱ、方案Ⅲ、方案Ⅳ等幾種優(yōu)化方案進(jìn)行模擬解算，模擬結(jié)果見表4、表5。

由表4、表5可知：①方案Ⅲ實(shí)施后，滿足了礦井總需風(fēng)量的要求，各個主要用風(fēng)地點(diǎn)也滿足需風(fēng)量要求，采區(qū)不低于現(xiàn)有的配風(fēng)量。但是實(shí)施效果不好，原因在于將己組風(fēng)機(jī)和丁組風(fēng)機(jī)集中并聯(lián)，己組回風(fēng)流分風(fēng)點(diǎn)在己組總回風(fēng)巷，這只能降低己組總回風(fēng)巷至己組回風(fēng)井部分區(qū)域阻力，但是丁組回風(fēng)系統(tǒng)的丁組回風(fēng)下山風(fēng)阻也較大，這導(dǎo)致丁組負(fù)壓較高，己組風(fēng)機(jī)負(fù)壓降低有限，此外丁組風(fēng)機(jī)、己組風(fēng)機(jī)容易出現(xiàn)風(fēng)機(jī)對拉現(xiàn)象，影響通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故此方案不可行。②方案Ⅱ和方案Ⅳ實(shí)施后，不僅能夠有效地滿足礦井總需風(fēng)量的要求，而且通風(fēng)系統(tǒng)的阻力在礦井總風(fēng)量為5 000 ～10 000 m3/min時保持在不超過2 500 Pa的范圍內(nèi)；礦井總風(fēng)量為3 000 ～5 000 m3/min時，保持在不超過2 000 Pa的范圍內(nèi)。系統(tǒng)各個用風(fēng)地點(diǎn)滿足需風(fēng)量，風(fēng)量分配合理，保證了采區(qū)不低于現(xiàn)有配風(fēng)量，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)安全穩(wěn)定。③在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到地質(zhì)條件，礦井采掘深度為-900 m左右，方案Ⅳ新建回風(fēng)井，在工程量和費(fèi)用方面，耗費(fèi)時間多，井巷工程量大，經(jīng)濟(jì)成本耗費(fèi)較大，方案Ⅱ的實(shí)施操作相對簡單，建設(shè)工期最短，對礦井正常生產(chǎn)影響較小，主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)成本較低，該結(jié)果說明方案Ⅱ更為合理，因此本研究通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案確定為方案Ⅱ。

綜上所述，并結(jié)合該礦的具體情況，最終選定方案Ⅱ作為最佳的通風(fēng)系統(tǒng)改造方案。

4 結(jié)論

①根據(jù)中長時期各用風(fēng)地點(diǎn)需風(fēng)量固定風(fēng)量進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算，得到滿足此時期用風(fēng)量時，己組風(fēng)機(jī)需要提供的負(fù)壓為8 383 Pa，超過風(fēng)機(jī)負(fù)荷能力范圍，己組風(fēng)機(jī)需要提供的風(fēng)量為7 608 m3/min，在中長時期己組風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)風(fēng)量比當(dāng)前系統(tǒng)增加了2 641 m3/min，現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)將無法滿足此時期整個礦井的通風(fēng)要求。

②針對平煤九礦中長時期雙主風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)中存在的問題，通過擴(kuò)修己二西翼回風(fēng)下山、己組總回風(fēng)和丁二回風(fēng)下山等高阻力段巷道斷面至16 m2，新建回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷溝通己二回風(fēng)下山和丁組回風(fēng)下山，同時將丁組風(fēng)機(jī)角度下調(diào)到-14°，使丁組風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)己二東翼回風(fēng)風(fēng)量，己組風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)己二西翼回風(fēng)風(fēng)量。解算得到的己組風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)的風(fēng)量和風(fēng)壓為102 m3/s、2 459.2 Pa，丁組風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)的風(fēng)量和風(fēng)壓為53.3 m3/s、1 984.2 Pa。各風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷在安全穩(wěn)定可行的范圍內(nèi)，主要用風(fēng)地點(diǎn)通過的風(fēng)量滿足用風(fēng)要求，采區(qū)不低于現(xiàn)有配風(fēng)量，各地點(diǎn)的風(fēng)量分配合理，在實(shí)際生產(chǎn)中工程量和費(fèi)用最少，實(shí)施性較強(qiáng)。

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收稿日期：2023-12-06

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（52274187）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計劃資助項目（2020GGJS053）。

作者簡介：吳一丹（2000—），女，碩士生，研究方向：通風(fēng)與防火防爆。