基于Scott-Hensley算法的礦井反風(fēng)模擬研究

程 磊，王澤華

(河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 河南 454000)

0 引 言

當(dāng)煤礦井下發(fā)生瓦斯與煤塵爆炸、煤層自然發(fā)火等災(zāi)害事故時(shí)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)是否可靠、災(zāi)害應(yīng)急處理是否及時(shí)有效顯得尤為重要[1]。礦井反風(fēng)是礦井發(fā)生災(zāi)害時(shí)(特別是火災(zāi))所采取的一項(xiàng)重要的控制風(fēng)流的救災(zāi)措施[2]。當(dāng)?shù)V井進(jìn)風(fēng)井口、井筒、井底車場(chǎng)、主要進(jìn)風(fēng)巷和硐室等地點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，進(jìn)行全礦井反風(fēng)，一方面可以防止高溫空氣和有害氣體進(jìn)入井下作業(yè)點(diǎn)，避免造成人員燒傷及有害氣體中毒事故，另一方面可避免火災(zāi)事故擴(kuò)大，為井下人員撤離創(chuàng)造條件。

礦井災(zāi)變時(shí)期，礦井反風(fēng)是礦井災(zāi)害應(yīng)急救援的一項(xiàng)重要措施，井下發(fā)生災(zāi)害時(shí)采取全礦井反風(fēng)措施，可以使有害氣體和火災(zāi)煙流由進(jìn)風(fēng)井筒排出，縮小井下受災(zāi)范圍[3-5]。因此，有必要對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井反風(fēng)的各種方式以及不同反風(fēng)方式產(chǎn)生的反風(fēng)效果進(jìn)行詳細(xì)研究，為給礦井匹配合適的反風(fēng)方式，行之有效的方法是對(duì)礦井反風(fēng)進(jìn)行仿真模擬。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于礦井系統(tǒng)仿真模擬技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了新的高度[6-7]。談國(guó)文[8]對(duì)復(fù)雜礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的可視化動(dòng)態(tài)解算進(jìn)行了研究；鐘德云等[9]對(duì)基于回路風(fēng)量法的復(fù)雜礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的解算算法進(jìn)行了研究；劉興濱等[10]通過建立礦井三維通風(fēng)系統(tǒng)仿真模型對(duì)礦井北翼回風(fēng)立井運(yùn)行后的分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了礦井的精確調(diào)風(fēng)；袁明昌等[11]采用三維仿真系統(tǒng)對(duì)武山銅礦通風(fēng)系統(tǒng)做了優(yōu)化研究，解決了武山銅礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的南北礦帶風(fēng)流干擾嚴(yán)重、風(fēng)速合格率偏低的問題；程磊等[12]通過對(duì)礦井仿真模型的研究提出了礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的自動(dòng)繪制技術(shù)研究；辛嵩等[13]等通過Ventsim建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)模型，對(duì)單翼通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究。

以薛湖煤礦為研究對(duì)象，首先詳細(xì)分析不同礦井所適用的各種反風(fēng)方式，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)礦井建立三維仿真模型，將Scott-Hensley解算算法編寫為MATLAB程序，對(duì)模擬的各種反風(fēng)方式進(jìn)行解算，選出最合適的反風(fēng)方式，實(shí)現(xiàn)全礦反風(fēng)。

1 工程背景

薛湖煤礦井田面積約73.95 km2，為煤與瓦斯突出礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.2 Mt/a，剩余可采儲(chǔ)量86.343 Mt，剩余服務(wù)年限51.4 a。礦井采用立井單水平上下山開拓方式，傾斜(走向)長(zhǎng)壁后退式采煤方法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。礦井通風(fēng)方式為混合式，通風(fēng)方法為抽出式，即：主井、副井進(jìn)風(fēng)，中央風(fēng)井和東風(fēng)井回風(fēng)。中央風(fēng)井安裝2臺(tái)對(duì)旋軸流式主要通風(fēng)機(jī)，工作風(fēng)量7 126 m3/min；東風(fēng)井安裝2臺(tái)對(duì)旋軸流式主要通風(fēng)機(jī)，工作風(fēng)量10 455 m3/min，風(fēng)量滿足安全生產(chǎn)要求。目前，礦井總進(jìn)風(fēng)量為15 956 m3/min，總回風(fēng)量為17 189 m3/min，有效風(fēng)量率為89.95%。

薛湖煤礦最近一次全礦井反風(fēng)演習(xí)：中央風(fēng)井與東風(fēng)井同時(shí)進(jìn)行反風(fēng)，通過風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。此次反風(fēng)演習(xí)8∶52開始，10∶53反風(fēng)結(jié)束，11∶30反風(fēng)演習(xí)結(jié)束，共歷時(shí)158 min。中央風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)反風(fēng)前總風(fēng)量為5 401 m3/min，反風(fēng)時(shí)總風(fēng)量為2 869 m3/min，中央風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)反風(fēng)率為53%；東風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)反風(fēng)前總風(fēng)量為10 480 m3/min，反風(fēng)時(shí)總風(fēng)量為6 770 m3/min，東風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)反風(fēng)率為65%,從指揮部下達(dá)反風(fēng)命令到井下風(fēng)流反向歷時(shí)6 min。

2 反風(fēng)方式分析與模擬算法

2.1 反風(fēng)方式分析

生產(chǎn)礦井主要通風(fēng)機(jī)必須裝有反風(fēng)設(shè)施，并能在10 min內(nèi)改變巷道中的風(fēng)流方向；當(dāng)風(fēng)流方向改變后，主要通風(fēng)機(jī)的供給風(fēng)量不應(yīng)小于正常供風(fēng)量的40%。每季度應(yīng)當(dāng)至少檢查1次反風(fēng)設(shè)施，每年應(yīng)當(dāng)進(jìn)行1次反風(fēng)演習(xí)；礦井通風(fēng)系統(tǒng)有較大變化時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行1次反風(fēng)演習(xí)。礦井通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)簡(jiǎn)化后可分為三類：?jiǎn)物L(fēng)井工作的礦井、有共用進(jìn)風(fēng)段多風(fēng)井工作的礦井、無共用進(jìn)風(fēng)段多風(fēng)井工作的礦井。單風(fēng)井工作的礦井只有一種反風(fēng)方式，只需將該風(fēng)井反風(fēng)即可；有共用進(jìn)風(fēng)段多風(fēng)井工作的礦井和無共用進(jìn)風(fēng)段工作的礦井均有3種反風(fēng)方式，分別為兩風(fēng)井同時(shí)反風(fēng)；僅一個(gè)風(fēng)井單獨(dú)反風(fēng)，另一風(fēng)井保持正常通風(fēng)；僅一個(gè)風(fēng)井單獨(dú)反風(fēng)，另一風(fēng)井停運(yùn)并打開風(fēng)井防爆門。

2.1.1 單風(fēng)井工作的礦井

該類礦井反風(fēng)較為簡(jiǎn)單(圖1)，這種礦井反風(fēng)方式較為單一，只要將該風(fēng)井進(jìn)行反風(fēng)，就可以實(shí)現(xiàn)全礦井的反風(fēng)。

圖1 單風(fēng)井工作的礦井

2.1.2 有共用進(jìn)風(fēng)段多風(fēng)井工作的礦井

有共用進(jìn)風(fēng)段的多風(fēng)井工作的礦井可以簡(jiǎn)化成圖2所示的示意圖，僅以兩個(gè)風(fēng)井為例來進(jìn)行分析。

圖2 有共用進(jìn)風(fēng)段的多風(fēng)井工作的礦井

圖2為通風(fēng)系統(tǒng)示意圖。礦井雖有2個(gè)回風(fēng)井，但他們有共用的進(jìn)風(fēng)段,對(duì)該類礦井進(jìn)行反風(fēng)，有3種不同的反風(fēng)方式。將這3種反風(fēng)方式定義為反風(fēng)方式的集合：M={M1,M2,M3}，其中：M1表示F1和F2兩風(fēng)井同時(shí)反風(fēng)；M2表示僅F1風(fēng)井進(jìn)行單獨(dú)反風(fēng)，F(xiàn)2風(fēng)井保持正常通風(fēng)；M3表示僅F1風(fēng)井進(jìn)行單獨(dú)反風(fēng)，F(xiàn)2風(fēng)井停運(yùn)，并打開該風(fēng)井防爆門。將反風(fēng)條件定義為條件集合T={T1,T2,T3,T4}，其中：T1表示F1、F2兩風(fēng)井風(fēng)機(jī)能力相同，即F1=F2；T2表示F1井風(fēng)機(jī)能力小于F2井風(fēng)機(jī)能力，即F1

當(dāng)反風(fēng)方式為M2，反風(fēng)條件為T1或T2或T3時(shí)，其反風(fēng)結(jié)果如圖3所示。F1風(fēng)井所獨(dú)立擔(dān)負(fù)的區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)反風(fēng)；公共段CO段依然保持進(jìn)風(fēng)，但進(jìn)風(fēng)量減少；F2風(fēng)井的排風(fēng)量增加；F2風(fēng)井所擔(dān)負(fù)的獨(dú)立區(qū)域的風(fēng)量有大部分是來自F1風(fēng)井所獨(dú)立擔(dān)負(fù)區(qū)域的乏風(fēng)。該方式會(huì)造成公共段沒有實(shí)現(xiàn)反風(fēng)、保持正常運(yùn)行系統(tǒng)的風(fēng)量部分來自反風(fēng)系統(tǒng)區(qū)域的乏風(fēng)，存在安全隱患。

圖3 僅F1反風(fēng)且F1=F2或F1

當(dāng)反風(fēng)方式為M2，反風(fēng)條件為T4時(shí)，其反風(fēng)結(jié)果如圖4所示。F1風(fēng)井所獨(dú)立擔(dān)負(fù)的區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)反風(fēng)；公共段CO段微風(fēng)或者反風(fēng)；F2風(fēng)井的排風(fēng)量增加；F2風(fēng)井所擔(dān)負(fù)的獨(dú)立區(qū)域的風(fēng)量全部是乏風(fēng)，是來自F1風(fēng)井所獨(dú)立擔(dān)負(fù)的區(qū)域的乏風(fēng)。該反風(fēng)方式存在不確定性，公共端CO可能會(huì)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)。

圖4 僅F1反風(fēng)且F1>F2

當(dāng)反風(fēng)方式為M3時(shí)，只需保持一個(gè)風(fēng)井反風(fēng)即可實(shí)現(xiàn)全礦反風(fēng)，其反風(fēng)結(jié)果示意圖如圖5所示。該方式不能保證井下所有用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量滿足需求；井下局部用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量較低，不足以排除涌出的瓦斯；F2風(fēng)井擔(dān)負(fù)區(qū)域的風(fēng)量來自F1反風(fēng)系統(tǒng)區(qū)域的乏風(fēng)。

圖5 僅F1反風(fēng)，F(xiàn)2停運(yùn)

2.1.3 無共用進(jìn)風(fēng)段多風(fēng)井工作的礦井

如圖6所示的通風(fēng)系統(tǒng)示意圖，礦井雖有2個(gè)回風(fēng)井，但他們有各自相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)風(fēng)段、回風(fēng)段。從圖6中可以看出，在進(jìn)風(fēng)段中有一段角聯(lián)巷道O1O2，當(dāng)F1、F2兩風(fēng)機(jī)的能力大小基本相同且兩風(fēng)井系統(tǒng)的阻力大小差別不大時(shí)，該端巷道的風(fēng)量較小，方向也容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。對(duì)該類礦井進(jìn)行反風(fēng)同樣有M1、M2、M3三種不同的反風(fēng)方式。

圖6 無共用進(jìn)風(fēng)段的多風(fēng)井工作的礦井

當(dāng)采用的反風(fēng)方式為M1，即F1風(fēng)井和F2風(fēng)井同時(shí)反風(fēng)時(shí)，可直接實(shí)現(xiàn)全礦井反風(fēng)，但角聯(lián)巷道O1O2段的風(fēng)量與風(fēng)向受兩風(fēng)機(jī)能力大小的影響，其反風(fēng)結(jié)果如圖7所示。

圖7 F1、F2同時(shí)反風(fēng)

當(dāng)采用的反風(fēng)方式為M2時(shí)，即僅F1風(fēng)井進(jìn)行單獨(dú)反風(fēng)，F(xiàn)2風(fēng)井保持正常通風(fēng)，且在角聯(lián)巷道O1O2段建立臨時(shí)密閉設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)區(qū)域完全分隔，其反風(fēng)結(jié)果如圖8所示。F1風(fēng)井所獨(dú)立擔(dān)負(fù)的區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)反風(fēng)；對(duì)F2風(fēng)井略有影響，但影響較小。此時(shí)，如果類似于O1O2段的角聯(lián)巷道較多對(duì)造成臨時(shí)工程多，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不容易實(shí)現(xiàn)反風(fēng)。

圖8 F1反風(fēng)、F2正常運(yùn)行

當(dāng)采用的反風(fēng)方式為M3時(shí)，即僅F1風(fēng)井進(jìn)行單獨(dú)反風(fēng)，F(xiàn)2風(fēng)井停運(yùn)，并打開該風(fēng)井防爆門，此時(shí)只需保持一個(gè)風(fēng)井反風(fēng)，即可實(shí)現(xiàn)全礦井反風(fēng)，如圖9所示。但該反風(fēng)方式不能保證井下所有用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量滿足需求；井下局部用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量會(huì)較低，不足以排除涌出的瓦斯；F1風(fēng)井能力大小決定井下各地點(diǎn)反風(fēng)風(fēng)量。

圖9 F1反風(fēng)、F2停運(yùn)

2.1.4 反風(fēng)方式分析結(jié)論

通過各種反風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)及反風(fēng)結(jié)果進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：?jiǎn)物L(fēng)井工作的礦井，可以直接進(jìn)行反風(fēng)，實(shí)現(xiàn)反風(fēng)；對(duì)于多風(fēng)井工作的礦井，宜根據(jù)風(fēng)井的實(shí)際情況來選擇合適的反風(fēng)方式；有共用進(jìn)風(fēng)段多風(fēng)井工作的礦井，宜兩風(fēng)井同時(shí)進(jìn)行反風(fēng)達(dá)到反風(fēng)目的；無共用進(jìn)風(fēng)段多風(fēng)井工作的礦井，既可以兩風(fēng)井同時(shí)反風(fēng)，也可以建立適當(dāng)?shù)呐R時(shí)設(shè)施，風(fēng)井單獨(dú)進(jìn)行反風(fēng)。

2.2 反風(fēng)模擬算法實(shí)現(xiàn)

2.2.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基本數(shù)學(xué)模型

通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)流流動(dòng)遵循三大定律：風(fēng)壓平衡定律、風(fēng)量平衡定律和阻力定律。對(duì)于一個(gè)有N條分支，M個(gè)節(jié)點(diǎn)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)這三個(gè)定律可以建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式(1)是由風(fēng)壓平衡定律確定的(n-m+1)個(gè)非線性方程；式(2)是由風(fēng)量平衡定律確定的(m-1)個(gè)線性方程。對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解算結(jié)果必須使式(1)和式(2)同時(shí)成立。

2.2.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)學(xué)模型

回路風(fēng)量法對(duì)非線性方程組求解有多種算法法，常用的有牛頓法和Scott-Hensley算法[14]。本文采用Scott-Hinsley算法。以獨(dú)立的閉合回路為計(jì)算單元，在每個(gè)獨(dú)立的閉合回路中選取近似風(fēng)量并列出風(fēng)壓平衡方程，再用泰勒級(jí)數(shù)展開求解風(fēng)量的校正值。Scott-Hensley算法數(shù)學(xué)模型見式(3)。

(i=1,2,3,…,M)

(3)

精度指標(biāo)達(dá)式，見式(4)。

max|ΔQi|<ε(1≤i≤M)

(4)

式中，ε設(shè)定的精度條件。用上述ΔQi對(duì)回路中各分支風(fēng)量進(jìn)行迭代修正，如此反復(fù)進(jìn)行，直至所有回路的修正風(fēng)量都達(dá)到指定精度。

3 實(shí)例應(yīng)用

薛湖煤礦通風(fēng)系統(tǒng)屬于有共用進(jìn)風(fēng)段的兩風(fēng)井工作的礦井。根據(jù)第2節(jié)結(jié)論可知該礦井通風(fēng)系統(tǒng)共有5種不同的反風(fēng)方式：①中央風(fēng)井、東風(fēng)井均反風(fēng)；②中央風(fēng)井反風(fēng)、東風(fēng)井正常通風(fēng)；③中央風(fēng)井正常通風(fēng)、東風(fēng)井反風(fēng)；④中央風(fēng)井反風(fēng)、東風(fēng)井停運(yùn)；⑤中央風(fēng)井停運(yùn)、東風(fēng)井反風(fēng)。

5種反風(fēng)方式中最后兩種反風(fēng)方式都存在風(fēng)機(jī)停運(yùn)的情況，當(dāng)風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)不能保證井下所有用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量滿足需求；井下局部用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量較低，不足以排除涌出的瓦斯，可能會(huì)產(chǎn)生次生事故。因此，進(jìn)行反風(fēng)時(shí)一般不會(huì)采用這兩種方式，因此在模擬時(shí)，只對(duì)前三種反風(fēng)方式進(jìn)行模擬。

將Scott-Hensley算法寫成MATLAB程序，并繪制薛湖礦的通風(fēng)系統(tǒng)三維模型，將初始數(shù)據(jù)輸入到算法程序中迭代計(jì)算，滿足5%精度要求后再對(duì)3種不同反風(fēng)方式進(jìn)行迭代計(jì)算，直至這3種反風(fēng)方式迭代計(jì)算出的結(jié)果均符合精度要求。迭代計(jì)算結(jié)果見表1。

薛湖煤礦回風(fēng)井分別為中央風(fēng)井、東風(fēng)井，而且兩風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)的能力相差較大，東風(fēng)井風(fēng)機(jī)能力為中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)能力的1.3倍多。通過對(duì)表1數(shù)據(jù)分析可得出薛湖煤礦不同反風(fēng)方式的結(jié)果：薛湖煤礦反風(fēng)應(yīng)當(dāng)首選中央風(fēng)井、東風(fēng)井同時(shí)反風(fēng)，且各風(fēng)井、巷道反風(fēng)率均大于40%；采用單風(fēng)井反風(fēng)時(shí)，另一個(gè)風(fēng)井風(fēng)機(jī)保持正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)反風(fēng)的風(fēng)井和巷道的反風(fēng)率均大于40%，副井、主井、東翼軌道、輔助進(jìn)風(fēng)巷、膠帶大巷等主要進(jìn)風(fēng)巷道的風(fēng)量并未發(fā)生反向；23采區(qū)、25采區(qū)由東風(fēng)井擔(dān)負(fù)，27采區(qū)、29采區(qū)由中央風(fēng)井擔(dān)負(fù)，要使采區(qū)風(fēng)流反向，需使擔(dān)負(fù)該區(qū)域的風(fēng)井反風(fēng)即可。

表1 薛湖煤礦反風(fēng)模擬結(jié)果表

4 結(jié) 論

1) 單風(fēng)井工作的礦井，可以直接進(jìn)行反風(fēng)，從而實(shí)現(xiàn)反風(fēng)的目的。

2) 有共用進(jìn)風(fēng)段多風(fēng)井工作的礦井，宜兩風(fēng)井同時(shí)進(jìn)行反風(fēng)從而達(dá)到反風(fēng)的目的。

3) 無共用進(jìn)風(fēng)段多風(fēng)井工作的礦井，可以兩風(fēng)井同時(shí)進(jìn)行反風(fēng)達(dá)到反風(fēng)目的，也可以建立臨時(shí)設(shè)施，風(fēng)井單獨(dú)進(jìn)行反風(fēng)，但會(huì)增加臨時(shí)工程量。

4) 薛湖煤礦的反風(fēng)模擬結(jié)果顯示，當(dāng)進(jìn)行全礦反風(fēng)時(shí)應(yīng)采用中央風(fēng)井、東風(fēng)井同時(shí)反風(fēng)的方式且模擬數(shù)據(jù)表明該反風(fēng)方式各風(fēng)井和巷道反風(fēng)率均大于40%；當(dāng)進(jìn)行單翼反風(fēng)時(shí)，采用擔(dān)負(fù)該區(qū)域的風(fēng)井反風(fēng)，其余風(fēng)井正常通風(fēng)的反風(fēng)方式，且模擬數(shù)據(jù)表明實(shí)現(xiàn)反風(fēng)的風(fēng)井和巷道的反風(fēng)率均大于40%。