基于3DSimOpt2.0 的六家煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

劉志華 王中舉

（1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 葫蘆島125105 2、平煤集團(tuán)六家煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰024000）

礦井通風(fēng)的最終目標(biāo)是保證井下各個(gè)用風(fēng)區(qū)域有足夠多的新鮮空氣進(jìn)入，并排出有毒有害氣體、粉塵等，保證井下有適宜的氣候條件及良好的工作環(huán)境，同時(shí)良好的通風(fēng)也能提高礦井的防災(zāi)、抗災(zāi)能力。要始終高度重視井下通風(fēng)工作的開(kāi)展，以確保礦井安全生產(chǎn)。因此，礦井通風(fēng)是礦井安全生產(chǎn)中最基礎(chǔ)、也是最重要的組成部分。

六家煤礦自1997 年成立投產(chǎn)以來(lái)，隨著礦井向深遠(yuǎn)方向開(kāi)拓發(fā)展、生產(chǎn)重心轉(zhuǎn)移及礦井巷道頻繁改造，造成進(jìn)風(fēng)量增加和通風(fēng)阻力增大，影響了礦井的安全高效生產(chǎn)。只是單純改變主通風(fēng)機(jī)的工作特性是無(wú)法合理解決通風(fēng)問(wèn)題的，對(duì)于復(fù)雜、龐大的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)只靠人工進(jìn)行優(yōu)化，顯然是繁瑣的、不可行的，也缺乏科學(xué)性。有鑒于此，有必要使用三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)針對(duì)六家煤礦通風(fēng)問(wèn)題開(kāi)展理論研究與實(shí)踐，從而改善通風(fēng)系統(tǒng)、提高有效風(fēng)量率，降低礦井通風(fēng)阻力、提高礦井的綜合效益，同時(shí)也為礦井即將進(jìn)行的東一采區(qū)改造，設(shè)計(jì)合理的通風(fēng)方案。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)定

一般有兩種通風(fēng)阻力測(cè)定[1]的方法，分別為氣壓計(jì)法[2]和傾斜壓差計(jì)法[3]。氣壓計(jì)法通常是使用通風(fēng)多參數(shù)檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是攜帶方便、適合井下各種環(huán)境、地形測(cè)量，測(cè)量、讀取、記錄數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單容易。傾斜壓差計(jì)法測(cè)量工序繁瑣，所用時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)也需要多人合作進(jìn)行測(cè)量，對(duì)環(huán)境、地形有較高要求。但在測(cè)量精度、準(zhǔn)確性方面傾斜壓差計(jì)法高于氣壓計(jì)法。

根據(jù)氣壓計(jì)法與傾斜壓差計(jì)法測(cè)定通風(fēng)阻力的特點(diǎn)，六家煤礦本次測(cè)定采用兩種方法相結(jié)合的方式。六家煤礦井下測(cè)定的主要參數(shù)，包括絕對(duì)壓力、溫度、濕度、巷道斷面積、風(fēng)速、風(fēng)量、飽和水等。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 3DSimOpt2.0 三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)

圖1 三維仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

3DSimOpt2.0 系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)定的風(fēng)網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、利用數(shù)學(xué)模型，利用礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖和制圖軟件，同時(shí)根據(jù)井下實(shí)際情況構(gòu)建礦井主要井筒、巷道、通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)構(gòu)筑物位置，設(shè)置風(fēng)向等，進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)解算。3DSimOpt2.0 三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)原理如圖1所示，具有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、三維仿真、數(shù)據(jù)可視化管理等功能，可實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)及通風(fēng)效果模擬，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化提供重要參考。

2.2 建立六家礦井三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)

首先，在了解了六家煤礦井下的通風(fēng)動(dòng)力、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)構(gòu)筑物等信息之后，以井下風(fēng)網(wǎng)測(cè)定參數(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)參考既有文獻(xiàn)中使用的方法，建立六家煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

其次，創(chuàng)建六家礦三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)模型。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖的基礎(chǔ)上，新建一個(gè)圖層，按照六家煤礦井下巷道實(shí)際情況，用單線圖重新繪制一遍通風(fēng)系統(tǒng)，將繪制完畢的通風(fēng)系統(tǒng)圖另存為DXF 格式，打開(kāi)3DSimOpt2.0 軟件系統(tǒng)，找到DXF 格式文件，生成三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)模型。

表1 實(shí)測(cè)風(fēng)量與解算風(fēng)量的對(duì)比

表2 主要用風(fēng)區(qū)模擬優(yōu)化前、后風(fēng)量對(duì)比

表3 主要用風(fēng)區(qū)模擬優(yōu)化前、后風(fēng)量對(duì)比

最后，利用三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行六家礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的模擬解算, 可得各用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量和通風(fēng)阻力分布及主要通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)相關(guān)參數(shù),對(duì)比主要用風(fēng)地點(diǎn)的實(shí)測(cè)風(fēng)量和解算風(fēng)量,如表1 所示，主要測(cè)定線路誤差為5%以內(nèi)時(shí),可以認(rèn)為測(cè)定的風(fēng)網(wǎng)參數(shù)和井下實(shí)際情況相符, 能用于礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案的模擬。

2.3 六家礦井通風(fēng)系統(tǒng)的仿真模擬及優(yōu)化

為了使六家煤礦通風(fēng)系統(tǒng)更加合理，本研究提出如下兩種優(yōu)化方案，并在3DSimOpt2.0 三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)中進(jìn)行了模擬。

2.3.1 優(yōu)化方案一

方案一是在不改變現(xiàn)有開(kāi)拓系統(tǒng)的情況下，所進(jìn)行的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、模擬。

首先，在西二回風(fēng)上山巷道+61 標(biāo)高處設(shè)置通風(fēng)構(gòu)筑物，有效控制風(fēng)流短路。

其次，西二采區(qū)實(shí)際測(cè)量的進(jìn)風(fēng)量為1497.18m3/min，按照煤礦礦井風(fēng)量計(jì)算方法計(jì)算，1200m3/min 的進(jìn)風(fēng)量就可以完全滿足整個(gè)西二采區(qū)的用風(fēng)需求。所以直接減少西二采區(qū)的進(jìn)風(fēng)量，從而可間接減少礦井總的進(jìn)風(fēng)量，進(jìn)行降耗優(yōu)化。

具體做法為：在三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)中模擬該優(yōu)化方案，將回風(fēng)井的固定風(fēng)量由原來(lái)的5218.2m3/ min 降到4858.2m3/ min；并且在新鮮空氣進(jìn)入西二回風(fēng)上山前，設(shè)置風(fēng)窗、等效風(fēng)阻調(diào)制50 Pa，再次模擬解算。

最后，根據(jù)三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)模擬優(yōu)化后各個(gè)巷道風(fēng)量變化情況，對(duì)比礦井主要用風(fēng)區(qū)優(yōu)化前、后風(fēng)量變化情況（見(jiàn)表2），可發(fā)現(xiàn)進(jìn)入南二采區(qū)工作面和進(jìn)入東一輔助運(yùn)輸巷、東一采區(qū)風(fēng)量幾乎沒(méi)有變化，同時(shí)進(jìn)入西二采區(qū)的風(fēng)量，也完全滿足西二采區(qū)風(fēng)量需求，因此模擬優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)既能滿足煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件的要求，又達(dá)到了合理、有效利用風(fēng)量的優(yōu)化目的。

2.3.2 優(yōu)化方案二

根據(jù)礦井存在的主要問(wèn)題及開(kāi)拓計(jì)劃，模擬改變礦井開(kāi)拓系統(tǒng)，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，據(jù)此提出優(yōu)化方案二。

第一，南二采區(qū)開(kāi)采完畢之后對(duì)南二采區(qū)實(shí)行封閉。共計(jì)封閉巷道長(zhǎng)度約2500 米，打密閉8處，目的是降低礦井總的用風(fēng)量和減少巷道日常維護(hù)工作量。封閉南二采區(qū)的同時(shí)，也解決了原來(lái)南二采區(qū)與西二采區(qū)共同使用一個(gè)回風(fēng)巷的問(wèn)題。

第二，在西二采區(qū)專用回風(fēng)上山+71 標(biāo)高處拉門(mén)，掘進(jìn)新的巷道在西二回風(fēng)上山+69 標(biāo)高處貫通，形成西二采區(qū)新的通風(fēng)系統(tǒng)。改造后的西二采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)克服了西二回風(fēng)+25 總排巷道附近彎路多、巷道長(zhǎng)問(wèn)題，同時(shí)封閉巷道+25總排。

第三，對(duì)西二采區(qū)、東一采區(qū)計(jì)算所需風(fēng)量，按需通風(fēng)，計(jì)算得東一采區(qū)工作面所需風(fēng)量約為803 m3/min。

第四，調(diào)整礦井總的進(jìn)風(fēng)量，由5218.2m3/min降為4018.2 m3/min。

第五，模擬礦井改建、解算，對(duì)比優(yōu)化前、后各主要用風(fēng)區(qū)風(fēng)量變化情況（見(jiàn)表3）。從表3 可以看出，模擬優(yōu)化后的風(fēng)量能滿足井下各區(qū)用風(fēng)需求，同時(shí)礦井通風(fēng)阻力由原來(lái)的1211.97 Pa 降為964.34 Pa。從而得出模擬優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)，即符合煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件的要求，又達(dá)到了降阻、降耗的目標(biāo)。

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)對(duì)六家礦詳細(xì)普查與風(fēng)網(wǎng)參數(shù)的測(cè)定,分析通風(fēng)系統(tǒng)存在問(wèn)題,為礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

3.2 利用3DSimOpt2.0 三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)，真實(shí)、直觀、立體地構(gòu)建了六家通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，通過(guò)系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)多種優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)及效果模擬。該系統(tǒng)在六家礦的應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期效果, 為礦井現(xiàn)在及日后開(kāi)采提出了兩種通風(fēng)優(yōu)化方案及效果模擬。

3.3 針對(duì)六家礦通風(fēng)系統(tǒng)研究表明，基于三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)，有效解決井下目前風(fēng)網(wǎng)不合理之處、風(fēng)機(jī)與風(fēng)網(wǎng)不匹配、風(fēng)流紊亂等問(wèn)題，保障井下風(fēng)流有序性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)型，能為今后的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

3.4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)并非一成不變的,要定期進(jìn)行調(diào)查、測(cè)定、分析和評(píng)價(jià), 對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，要及時(shí)改進(jìn)，以此確保礦井生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。