礦井通風系統三維模型構建與優化設計

耿守鋒

（河南煤安檢測檢驗有限公司, 河南 鄭州 455000）

0 引 言

礦井通風系統高效穩定的運行關乎著整個煤礦的安全生產[1-2]。在煤礦開采過程中，巷道不斷發生變化，通風線路也會發生相應的改變。如何保證礦井通風系統能夠持續處在最優運行狀態，一直是礦井開采設計過程中需要重點考慮的問題[3-4]。隨著礦井不斷生產，通風系統穩定性逐漸變差，通過對礦井通風系統進行優化，能夠改善井下工作環境，提高巷道通風風量，減少礦井瓦斯災害事故的發生，使礦井通風系統的穩定性得到提高，保證礦井持續安全高效生產[5]。

1 工程概況

平煤六礦所采的丁組煤層直接頂與老頂巖性分別為砂質泥巖和中粒砂巖，底板為泥巖和砂質泥巖。根據煤層頂底板巖性以及現場實際勘察情況，丁組煤層具有良好的瓦斯儲存條件。另外，經鑒定礦井煤塵具有爆炸危險性，煤層具有自然發火傾向性，礦井屬于自然發火礦井。

礦井通風方式為中央并列與分區混合通風。礦井采用3 個進風井筒，分別為主井、明斜井和北翼進風井。回風井筒分別為北翼回風井和南翼回風井。礦井設計需風量為16 591 m3/min，實際風量為19 594 m3/min，有效風量為17 069 m3/min。各風井通風方式均為機械通風。

目前礦井在生產過程中，南翼通風系統用風量較少，運行穩定，而北翼通風系統需風量較多。亟待解決礦井南、北翼分區用風量不均衡問題。針對存在的問題，通過Ventsim 軟件構建出礦井通風模型，提出了具體的優化措施，并在通風模型中進行模擬驗算，進而對各優化方案的實施效果進行分析，得到最優方案。

2 礦井通風模型建立

Ventsim 通風模擬軟件通過對礦井進行三維建模，可以真實反映礦井內部通風情況，能夠實時對通風系統的局部進行分析計算。礦井三維模型的建立是根據礦井實際大小1∶1 建立的。通過對礦井內部各巷道具體參數的準確輸入，依據軟件內部的計算方法，可以對通風網絡進行精確計算，得到的計算結果具有一定的可信性。

建模步驟如下：

1）整理礦井的采掘平面圖以及通風系統圖等資料，對巷道布置圖進行簡化處理后導入到軟件中，生成基本模型。

2）根據巷道的空間關系，對模型進行具體調整，使模型中巷道空間布置關系與實際相符。將不同區段巷道的具體參數輸入到模型中。

3）為巷道的摩擦阻力系數賦值，并將通風機的位置以及參數輸入到模型中。根據礦井實際情況，在巷道內部添加通風調節設備，使通風模型與實際情況保持一致。

4）通過測定礦井的通風阻力與模型計算結果進行對比，驗證模型建立是否合理準確。

構建完成的礦井三維通風模型如圖1 所示。

圖1 礦井通風模型圖

3 通風系統優化設計

3.1 優化方案

目前礦井通風系統存在南、北翼共用通風管路的情況。由于在實際的礦井生產過程中南、北翼采區所需風量不同，礦井通風系統在聯合運轉時，公用通風線路由于所占風量比例不同，會產生一定程度的阻礙作用。另外北翼通風系統通風阻力偏大，造成風機運行負荷增加。針對以上問題，提出2 個優化方案，并通過Ventsim 模擬軟件進行分析，達到優化礦井通風系統的目的。

優化方案1：增設通風系統風門，調節風窗，使南、北翼通風系統分隔。該優化方案調整7 處通風設備，具體通風優化方案如圖2 所示。

圖2 方案一調整位置圖

北翼皮帶巷、北翼軌道巷和北翼回風巷為3 條公用風路。分別在3 條巷道1 200 m 處增設風門，在第4、5 處調整風窗大小為0.4 m2，在第 6、7 處將原有的風窗拆除。

優化方案2：封閉部分北翼回風巷，由于北翼回風巷總長較長，維護成本較高，將部分巷道封閉可以減小通風系統的通風壓力。具體調整位置見圖3。

圖3 方案2 調整位置圖

在1 處和4 處分別壘砌密封墻以封閉回風巷0-1 200 m 段。調節2 處風窗面積為1.5 m2，將3 處風窗面積改為3.1 m2，5 處風窗面積改為0.9 m2，6處風窗面積改為2.4 m2，7 處風窗面積改為1.2 m2。

3.2 數值驗算

根據優化方案1 所述，在構建好的礦井三維通風模型中將所列的7 處通風設備進行調整。通過Ventsim 模擬軟件進行驗算分析，得到進風井和回風井的風量變化。進、回風井風量變化見表1，南、北翼主通風機工況變化見表2。

表1 方案1 進、回風井風量變化表

表2 方案1 通風機工況變化表

通過對表1 的風量變化分析可知，主井與明斜井進風量與優化前相比分別減少了237 m3/min 和258 m3/min，北翼進風井風量增加了179 m3/min，南翼回風井回風量增加了374 m3/min，而北翼回風井風量基本沒有發生變化。

分析通風機工況變化情況，北翼通風機風壓偏高且上升了76 Pa，風量減少了114 m3/min。南翼通風機風壓下降382 Pa，風量增加了443 m3/min。

根據優化方案2 提出的措施，在礦井三維通風模型的對應位置進行調整。采用Ventsim 模擬軟件進行驗算分析，得到優化方案2 的進風井和回風井的風量變化數據。進、回風井風量變化見表3，南、北翼主通風機工況變化見表4。

表3 方案2 進、回風井風量變化表

表4 方案2 通風機工況變化表

通過對表3 的前后風量變化對比分析可知，進風井與回風井風量變化均有所增加。主井與明斜井進風量分別增加了271 、205 m3/min，北翼進風井風量則增加了420 m3/min，南翼回風井回風量增加了559 m3/min，北翼回風井風量增加了216 m3/min。

分析優化方案2 通風機工況變化情況，北翼通風機風壓下降了175 Pa，風量增加了130 m3/min。南翼通風機風壓下降499 Pa，風量增加了580 m3/min。

對比2 個優化方案的風量變化可知，通風設備的調整對主井和明斜井的影響比較大，方案1 計算風量減小，而方案2 計算風量增大。另外，方案1 的調整對北翼回風井的影響較小。

3.3 優化方案評選

通過Ventsim 軟件模擬分析，方案1 對北翼通風系統的影響較小。通過調整第7 處通風設備將礦井南、北翼通風線路分開，有效解決了礦井風機聯合運行不穩定的問題，使礦井通風系統運行趨于平穩。

從方案2 的模擬結果分析，南翼回風井風量增加559 m3/min，而北翼回風井回風量增加216 m3/min。北翼采區供風量不足，回采面風量減少，影響礦井的安全生產。另外，采用方案2 封閉了一段北翼回風巷，雖然降低了一定的維護成本，緩解了北翼采區供風量緊張的問題，但從通風系統安全運行角度分析，沒有根本解決礦井風機聯合運行的問題。

4 結 論

1）結合礦井內部通風情況，采用Ventsim 模擬軟件構建礦井三維模型。通過對礦井內部各巷道具體參數以及通風設備的準確輸入，對通風系統進行精確計算，得到的計算結果具有一定的可信性。

2）提出2 種通風優化方案，通過Ventsim 模擬軟件進行分析驗算后，評選方案1 為最優方案，有效解決了礦井風機聯合運行不穩定的問題。