王莊煤礦通風系統(tǒng)仿真與評價

劉公權，曹旭升，邵良杉

(1.遼寧工程技術大學 系統(tǒng)工程研究所, 遼寧 葫蘆島 125105；2.潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

王莊煤礦地處山西省長治市故縣，于1966年12月建成投產(chǎn)，經(jīng)過多次技術改造，已經(jīng)成為一座特大型現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井，主采二疊系3號煤層，煤層均厚6.5 m，屬于高瓦斯礦井，礦井通風方式為混合式，共有7個進風井，4個回風井，經(jīng)過多年系統(tǒng)擴建，原有通風系統(tǒng)亟待進一步優(yōu)化[1]。

1930年波蘭學者A. Sakustowicz提出用降阻法實現(xiàn)通風系統(tǒng)網(wǎng)絡優(yōu)化的方法，取得了不錯的效果[2]；隨著計算機技術的發(fā)展，Scott等提出通風網(wǎng)絡的迭代方法，并運用計算機進行驗證[3]，自此，學者們開始越來越多的利用計算機來簡化通風系統(tǒng)的計算過程，R Burton博士開發(fā)了VUMA系統(tǒng)，能實現(xiàn)平面與三維視圖下的通風網(wǎng)絡繪制，但缺乏直觀性；2008年魏連江教授提出了基于GDI+GIS的礦井通風可視化仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了通風系統(tǒng)各種圖形的自動繪制過程，但在解算算法上，難以達到工程需求[4]。遼寧工程技術大學開發(fā)的3DSimOpt2.0三維通風仿真系統(tǒng)，是在2014年開發(fā)的1.0系統(tǒng)基礎上，經(jīng)過多次升級而成的。在2018年，由中國煤炭工業(yè)協(xié)會牽頭，組織相關專家鑒定，確定其已達到國際領先水平，獲得國家軟件著作權[5]。本文在此基礎上，通過巷道中的對象和巷道構筑物、節(jié)點、通風動力配套裝置以及風流方向?qū)ο笾g關系，并根據(jù)無初值迭代法，通過無向圖的網(wǎng)絡解算算法，實現(xiàn)徹底的通風網(wǎng)絡解算工程化，最終經(jīng)過計算機精確運算得到最優(yōu)調(diào)節(jié)方案，實施后增加了礦井通風系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

1 3DSimOpt2.0三維通風仿真系統(tǒng)介紹

針對復雜通風系統(tǒng)，在利用通路法進行調(diào)節(jié)的前提下，提出利用通路法的節(jié)點壓能的驅(qū)動調(diào)節(jié)，可以大大加快調(diào)節(jié)速度，使得復雜的通風網(wǎng)絡能夠容易調(diào)節(jié)，利用通風系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡進行智能仿真，實現(xiàn)反演巷道風阻系數(shù)，并在建立煤礦的通風三維仿真系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎上，開發(fā)出礦井通風的三維仿真系統(tǒng)。

軟件兼具三維可視化與立體示意圖以及通風網(wǎng)絡圖同步顯示等多種功能，軟件系統(tǒng)能夠隨操作人員的指揮改變通風系統(tǒng)結構、巷道尺寸形狀、新掘巷道與通風動力(葉片的角度調(diào)節(jié)、頻率的改變、開停風機等操作)、通風構筑物的狀態(tài)(增加、拆除和開啟)等，繼而以仿真運算來達到通風系統(tǒng)狀態(tài)變化后新系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題。

1.1 仿真系統(tǒng)建立

圖1為王莊煤礦在3DSimOpt系統(tǒng)下的通風系統(tǒng)圖(540水平部分系統(tǒng))。

圖1 王莊礦通風系統(tǒng)示意(540水平部分系統(tǒng))

1.2 數(shù)據(jù)處理

測定中使用的儀表的精度會受測定技巧以及其他各種因素影響，難免會發(fā)生各種誤差。如果誤差在允許范圍以內(nèi)，則測定結果是可用的，為此，必須對測定結果進行驗證后方可錄入。

數(shù)據(jù)錄入后，經(jīng)過反復的調(diào)試，再對測試巷道實測數(shù)據(jù)跟仿真計算值進行對比分析，得到整個礦井仿真結果，并進行誤差分析，確定誤差在要求范圍內(nèi)，其目的在于所建立的仿真系統(tǒng)能夠真實反映實際工況。具體的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。根據(jù)王莊煤礦要求，測量數(shù)據(jù)應包含主要巷道的信息，由表中數(shù)據(jù)可以看出，主要巷道仿真計算所得數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)相對誤差僅約在5%，再縱觀整個測試的巷道，僅有極少數(shù)的聯(lián)絡巷相對誤差較大，但絕對誤差很小，且相對誤差不大于5%的巷道包括了各主要大巷和采區(qū)，故可以認為誤差分布在合理范圍內(nèi)，誤差符合要求。

表1 基準井巷統(tǒng)計

表2 誤差分析

表3 誤差分布統(tǒng)計

2 王莊煤礦通風系統(tǒng)仿真結果分析

2.1 通風機聯(lián)合運轉(zhuǎn)分析

在對王莊煤礦相關通風系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整并進一步優(yōu)化三維通風仿真系統(tǒng)后，再對仿真系統(tǒng)進行反復調(diào)試，以達到誤差能夠完全滿足現(xiàn)場實際工作需要，然后利用完善后的仿真系統(tǒng)對通風系統(tǒng)進行分析評價，并對提出的改進方案進行仿真模擬，分析+540風井與北栗風井通風機聯(lián)合運轉(zhuǎn)、通風動力與通風阻力合理匹配、通風系統(tǒng)優(yōu)化及可靠性。

為了掌握各主要通風機運行工況及性能，進行通風機的聯(lián)合運行分析，確保通風機穩(wěn)定、合理運行，實現(xiàn)礦井通風節(jié)能的目的。通風機滿足生產(chǎn)相應的風量要求，并留大約30%的富余量。

網(wǎng)絡解算條件的概況如表4所示，其總分支總數(shù)達到1 448條，地面運轉(zhuǎn)主要通風機4臺。

表4 網(wǎng)絡解算條件

礦井總排風量1 006 m3/s，相關參數(shù)如表5所示，其中風機所負擔風量的統(tǒng)計如表6所示。依據(jù)礦井等積孔計算結果可以看出，各個回風井均是通風容易的風井，并且滿足“煤礦井工開采通風技術條件AQ1028-2006”中的相關要求。

表5 礦井總風量、風網(wǎng)功耗、總等積孔

表6 回風井參數(shù)

西風井風機主要服務于52、61采區(qū)，62風井負擔62采區(qū)的通風任務，+540風井負擔71采區(qū)的通風任務，北栗回風井負擔81采區(qū)、91采區(qū)通風任務。仿真分析可知，通風系統(tǒng)中存在著大量的阻力偏大巷道，主要原因是巷道較長、風量較大。

2.2 通風系統(tǒng)可靠性分析

礦井通風系統(tǒng)的可靠性指井下的通風系統(tǒng)在運行過程中能夠維持正常工作參數(shù)的能力，用來確保井下具有足夠的新鮮風量。礦井的通風系統(tǒng)肩負井下安全生產(chǎn)的重要責任，其正常穩(wěn)定的工作具有十分重要的意義，隨著井下開采深度的增加，井下地形的復雜變化，各種不確定突發(fā)情況伴隨產(chǎn)生，這些都會令井下通風系統(tǒng)的可靠性大打折扣，甚至可能造成整個通風系統(tǒng)癱瘓，從而危及人身設備安全，故必須保證井下通風系統(tǒng)的可靠。

2.2.1 通風設施可靠性分析

王莊煤礦通風系統(tǒng)復雜，風門等井下通風設施較多，共有277處，風門壓差超過1 000 Pa的有7處，500～1 000 Pa的有61處，100～500 Pa的有73處，小于100 Pa的有136處。對于壓差大的風門，要特別加強維護，使正、反向均處于良好狀態(tài)，保障通風系統(tǒng)的可靠。

如風門失效或非正常開啟，將影響相關巷道的風量、風流方向，這將意味著礦井局部區(qū)域、整個采區(qū)、或整個礦井通風系統(tǒng)失效，導致通風系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2.2.2 風門失效仿真分析

風門等通風設施是井下通風系統(tǒng)的重要組成部分，它們將井下的風流進行調(diào)控，以按照需求完成風量分配，因而對通風設施進行合理設置，不僅能增加安全性，而且也是通風經(jīng)濟性的一項關鍵手段。運行中風門可能因各種因素而損壞，無法正常工作，這時將使風量無法正常分配，對于開采工作面等瓦斯粉塵濃度高的區(qū)域還將因風量不足而造成爆炸危險。以540回風立井風門為例，利用3DSimOpt2.0三維通風仿真系統(tǒng)進行仿真，得出風門失效后相關巷道的風量變化。

經(jīng)過風門失效仿真，可以看出：

1) 540進風井風量增加175.8 m3/min；風門失效后對北栗進、回風井，62進、回風井，西進、回風井風量幾乎無影響。

2) 風門失效后，對71、81采區(qū)風量影響較大，對于其他采區(qū)(91等采區(qū))的風量影響極小，可以忽略不計。

3) 71采區(qū)回風大巷風量變化率為12.59%，較風門失效前風量減少849.01 m3/min；71采區(qū)輔助運輸大巷風量變化率為12.25%，風量減少493.8 m3/min；71采區(qū)膠帶運輸大巷風量變化率為12.59%，風量減少378.6 m3/min；7105工作面風量由2 256.6 m3/min減少到1 977 m3/min，風量變化率達到12.37%；8102工作面風量變化率為12.81%，風量減少為1 782 m3/min；8103工作面風量由原來的2 193.6 m3/min降到1 913.4 m3/min，風量變化率為12.78%。

4) 540-2膠帶巷風量變化率12.61%，風量減少125.4 m3/min；中部車場風量變化率13.77%，風量減少23.4 m3/min。

5) 風門失效后，工作面的風量減少，用風量難以滿足安全生產(chǎn)要求，有可能導致生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。

為防止類似情況發(fā)生，應嚴格按照規(guī)定安設風門等構筑物，并加強日常管理與維護，從而保障通風系統(tǒng)運行穩(wěn)定，預防礦井災害發(fā)生。

3 結 語

針對傳統(tǒng)煤礦通風系統(tǒng)仿真軟件優(yōu)化效果難以達到工程實際需求的問題，開發(fā)了3DSimOpt2.0三維通風仿真系統(tǒng)，對王莊煤礦通風系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化，實現(xiàn)了通風阻力與通風動力合理匹配，保障了通風系統(tǒng)的穩(wěn)定。