動態(tài)管理模型監(jiān)測技術(shù)在通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

寧玉淼

(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200)

1 前言

礦產(chǎn)資源的迫切需求和采礦技術(shù)的發(fā)展使得越來越多的大型企業(yè)進(jìn)行深度開采，以便獲取足夠的礦產(chǎn)原料。但是，原礦井通風(fēng)系統(tǒng)難以滿足深度開采的需求，新通風(fēng)系統(tǒng)面臨著風(fēng)流短路、風(fēng)量不足、調(diào)控效率低等多種問題。針對此問題，相關(guān)專家和學(xué)者進(jìn)行了研究。黃俊歆、鐘德云等從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)算的角度為通風(fēng)系統(tǒng)的有效解算提供了理論支撐[1-2]；劉成敏、孫世彪、程子華等從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案、通風(fēng)回路角度對礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化[3]；何敏、吳兵借助現(xiàn)有的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)軟件對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了三維仿真，以便進(jìn)行更加精準(zhǔn)地管理[4-5]；周志揚(yáng)等對擴(kuò)改鐵礦的通風(fēng)系統(tǒng)的方案進(jìn)行對比分析，提升了原系統(tǒng)的通風(fēng)效果[6]?；谇叭说难芯?，本文將通風(fēng)節(jié)點、風(fēng)路、巷道、風(fēng)機(jī)等封裝到一起，形成動態(tài)管理模型，對通風(fēng)系統(tǒng)的各個部分進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測值與通風(fēng)軟件的解算值進(jìn)行比較，當(dāng)差異較大時，進(jìn)行及時預(yù)報，以便減少礦井損失，確保深度開采施工安全。

2 工程概況

現(xiàn)某大型礦山企業(yè)的一個礦井通過深度開掘的方式將生產(chǎn)能力從120萬t/a提升到250萬t/a，主要的開拓方式包括豎井、斜井和斜坡道。由于上部巖層的破斷，東部不再向下掘進(jìn)，西部則進(jìn)行深度擴(kuò)展。此背景下，受自然風(fēng)壓的影響，深度復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)難以進(jìn)入新鮮風(fēng)流，工作面污風(fēng)難以及時排除，給深度開采工作帶來極大挑戰(zhàn)。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查和測定，礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，深度的中段、斜坡、豎井十分多，工作面分布比較分散，單靠原有通風(fēng)系統(tǒng)難以輸出足夠風(fēng)量，更無法有效地進(jìn)行風(fēng)流調(diào)控；井下運輸設(shè)備、固定設(shè)施占用了風(fēng)機(jī)安裝的最佳位置，甚至部分區(qū)域難以進(jìn)行風(fēng)流調(diào)控；主通風(fēng)機(jī)裝置的進(jìn)風(fēng)量不夠，容易受到自然風(fēng)壓影響，損失率比較高。為此，需要針對礦井的實際進(jìn)行制定可行性通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)方案，實現(xiàn)礦井內(nèi)部進(jìn)出風(fēng)的良性循環(huán)。

3 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案

根據(jù)現(xiàn)有的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，對礦井深度開掘部分進(jìn)行設(shè)計?？紤]到通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的變化和通風(fēng)系統(tǒng)的成本，決定在原有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行改進(jìn)，增加接入節(jié)點，適應(yīng)通道的掘進(jìn)變化。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計將全面衡量礦井的科學(xué)性和承載力，確保既不浪費資源，又能夠滿足各工作面的需求。

將礦井的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。鑒于現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)難以滿足整個礦井的通風(fēng)需求，對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)。首先，在西回風(fēng)井、副井的聯(lián)絡(luò)道上分別安裝風(fēng)門，讓副井、西回風(fēng)井形成獨立的通風(fēng)回路，滿足這一部分的風(fēng)量需求；然后，在200m中段為主箕斗井聯(lián)絡(luò)道提供風(fēng)機(jī)，用于補(bǔ)充西風(fēng)井的回風(fēng)作用；最后，在東回風(fēng)井添加風(fēng)機(jī)，滿足這一區(qū)域的風(fēng)量需求和調(diào)配。除此之外，考慮到自然風(fēng)壓、溫度、大氣壓的因素，在主要的交叉口布置多功能空氣幕和風(fēng)門，加強(qiáng)對分流的調(diào)控水平，防止出現(xiàn)新鮮空氣段路和污氣循環(huán)。

圖1 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

這一方案充分考慮了通風(fēng)總量、通風(fēng)管理和工程耗費。一方面不必再挖掘斜井進(jìn)行連通。另一方面通過風(fēng)機(jī)、風(fēng)門和空氣幕將復(fù)雜的區(qū)域劃分為多井、多層的相對獨立通風(fēng)結(jié)構(gòu)。在后期的動態(tài)管理模型中，可以較為獨立的控制各個層次的通風(fēng)狀態(tài)。這為礦井工作面的向前推進(jìn)提供了良好的安全保障。

4 動態(tài)管理模型監(jiān)測技術(shù)

4.1 通風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的各項參數(shù)是動態(tài)模型創(chuàng)建的基本要素，關(guān)系到解算的速度和精準(zhǔn)度。礦井的實際結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、工作面數(shù)量較多，需要深入其中進(jìn)行全面測定。通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)主要分為5大類：通風(fēng)機(jī)參數(shù)、構(gòu)筑物參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、工作面參數(shù)、環(huán)境參數(shù)。這些參數(shù)的具體內(nèi)容見表1。根據(jù)這些參數(shù)不僅可以計算出各部分的風(fēng)量、風(fēng)壓，還能夠在動態(tài)管理模型中對方案的效果進(jìn)行預(yù)判。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)列表

4.2 回路風(fēng)量解算方法

回路風(fēng)量法是目前進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算的主流方法，具有容易實現(xiàn)、收斂速度快的優(yōu)點。鑒于本礦井的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，回路比較多，容易出現(xiàn)誤判或回路復(fù)雜化。因此，優(yōu)化BFS生成樹，實現(xiàn)雙通路法解算，提高解算的效率和精準(zhǔn)度，其算法過程如圖2所示。

圖2 最優(yōu)回路BFS算法圖

從圖2可知，找到通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的一個初始節(jié)點，沿著初始節(jié)點進(jìn)行層次劃分和排列。首先，從判斷初始節(jié)點的關(guān)聯(lián)分支數(shù)，為分支排列順序、設(shè)定等級；然后，在以各個分支為起點，再進(jìn)行層次劃分和排序，為第二層分支設(shè)定順序和等級；最后，每個分支都劃分到最終的節(jié)點，整個訪問結(jié)束。在進(jìn)行回路解算的過程會按照不同的層次和等級設(shè)定對應(yīng)的權(quán)重，進(jìn)而實現(xiàn)精準(zhǔn)地風(fēng)量、風(fēng)壓模型分析。

4.3 動態(tài)管理模型創(chuàng)建和可視化

在設(shè)計好通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)方案、測定好各項參數(shù)、確定好解算方法后，將這些內(nèi)容封裝到一起形成較為獨立的結(jié)構(gòu)，在計算機(jī)的快速解算下成為動態(tài)管理模型，用于對礦井通風(fēng)情況進(jìn)行實時監(jiān)測。

首先，基于SQL Server建立動態(tài)管理模型的數(shù)據(jù)庫，將包括節(jié)點、風(fēng)路、風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)輸入其中；然后，借助優(yōu)化BFS生成樹，對各個節(jié)點的風(fēng)量進(jìn)行解算。在動態(tài)管理模型的創(chuàng)建和設(shè)計中，將軟件解算的模擬值與測定的實際值進(jìn)行比對。如果二者的誤差大于10%便會發(fā)出預(yù)報，若不大于10%便會根據(jù)多次測定的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解算參數(shù)的調(diào)整，動態(tài)管理模型的處理流程如圖3所示。

圖3 動態(tài)管理模型的處理流程

在此動態(tài)管理模型中，通過設(shè)定判斷誤差范圍來調(diào)節(jié)解算參數(shù)，使軟件的解算能夠得到增強(qiáng)。操作員可選擇不修改參數(shù)，對礦井的風(fēng)量、風(fēng)阻和工況進(jìn)行多次判斷驗證后，再進(jìn)行修改。這一監(jiān)測技術(shù)能夠通過改變參數(shù)來適應(yīng)礦井的通道變化，可通過改變解算參數(shù)來適應(yīng)礦井的個例規(guī)律，也能夠發(fā)現(xiàn)不同氣候條件下，自然風(fēng)壓對深部開采部分的影響作用?？傊?，此系統(tǒng)減少了人員對通風(fēng)系統(tǒng)的盲目判斷，能夠及時有效地反應(yīng)礦井通風(fēng)變化。

5 動態(tài)管理模型的應(yīng)用分析

動態(tài)管理模型以通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點為主要監(jiān)測點，對整個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。按照通風(fēng)系統(tǒng)的方案設(shè)計，將風(fēng)門、風(fēng)機(jī)和空氣幕進(jìn)行對應(yīng)布置。斜井和豎井與主聯(lián)通道路相關(guān)聯(lián)，故而將各段的斜井、豎井按照層次、等級進(jìn)行風(fēng)量分配，在交叉口的風(fēng)機(jī)上安裝對應(yīng)數(shù)量的通風(fēng)機(jī)，確保具有風(fēng)量穩(wěn)定。在此礦區(qū)進(jìn)行了通風(fēng)系統(tǒng)的布設(shè)，將動態(tài)管理模型的數(shù)值與實際測定值進(jìn)行了比對，對比見表2。

表2 動態(tài)管理模型模擬值與實際測定值對比表

此通風(fēng)系統(tǒng)在礦山進(jìn)行布設(shè)后，對現(xiàn)場的主要節(jié)點進(jìn)行了測定，以便評價動態(tài)管理模型的準(zhǔn)確性。通過表2所列的數(shù)據(jù)可以看出，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)滿足了主要聯(lián)絡(luò)道的風(fēng)量需求，能夠持續(xù)性滿足風(fēng)量需求。從通風(fēng)網(wǎng)咯節(jié)點實測值與動態(tài)管理模型模擬值看，二者的變化趨勢和結(jié)果比較吻合，動態(tài)管理模型能夠正確模擬出各個節(jié)點的風(fēng)量變化。經(jīng)過一段時間持續(xù)觀測，加強(qiáng)了空氣幕調(diào)控風(fēng)流的作用，調(diào)整了供風(fēng)器的位置，進(jìn)一步阻止了小范圍的污風(fēng)串聯(lián)問題，減弱了自然風(fēng)壓對通風(fēng)系統(tǒng)的影響，大大提高了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

本文以礦井深部通風(fēng)系統(tǒng)改造為研究對象，在200m深度的聯(lián)絡(luò)道、交叉口布置了風(fēng)機(jī)、空氣幕、風(fēng)門，使深部通風(fēng)系統(tǒng)形成相對獨立的子循環(huán)系統(tǒng)，滿足了深部風(fēng)量的需求。為了加強(qiáng)對風(fēng)流的調(diào)控，避免污風(fēng)串聯(lián)，減小自然風(fēng)壓對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，在實踐中調(diào)整了供風(fēng)器的角度，進(jìn)一步增強(qiáng)了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。此研究得到了以下3點結(jié)論：

(1)以節(jié)點、風(fēng)路、通道、風(fēng)機(jī)等多項參數(shù)為支撐的動態(tài)管理模型能夠?qū)φ麄€通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點的風(fēng)量、風(fēng)壓等進(jìn)行持續(xù)、穩(wěn)定、有效的監(jiān)測，能夠為開掘工作提供良好的外部環(huán)境。

(2)復(fù)雜多變的深部通風(fēng)系統(tǒng)可采用分層、分等級的方式進(jìn)行風(fēng)量分配和布置，加大深部通風(fēng)的管理力度，減小小范圍的污風(fēng)串聯(lián)和自然風(fēng)壓影響。同時，修改參數(shù)的管理設(shè)計，不僅能夠靈活應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)需求，還能夠適應(yīng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)變化。

(3)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)回路通風(fēng)法的解算可通過優(yōu)化的BFS生成樹對各處的風(fēng)量進(jìn)行解算，加快解算速度和精度，降低解算失敗的概率。