礦井通風系統可視化三維建模與優化研究

楊軍

（晉能控股煤業集團有限公司，山西 大同 037003）

0 引 言

礦井開采過程中，巷道隨著開采深入動態變化，相應的巷道內通風線路也在動態改變。受開采強度、速度等因素的影響，通風系統的穩定性能逐漸減弱，通風距離不斷加長，用風硐室不斷增多，通風壓力損失嚴重，導致井下巷道所需的通風量增加，通風阻力不斷升高。隨著科學技術的發展，在進行礦井通風系統研究分析過程中，使用通風解算軟件成為一種主流方式。將礦井內的巷道、風道用三維仿真軟件完成建模，對礦井通風系統的主要參數進行合理取值，達到提高通風風量、提高通風系統穩定性的目的，確保井下的安全高效開采。本文以煤峪口礦為例，利用Ventism 軟件建立通風系統三維可視化模型，對該礦現有通風系統進行優化改進。

1 工程概況及問題分析

煤峪口礦井的核定生產能力為81 t/a，設計生產能力為45 萬t/a，開拓方式為一對立井、多水平開拓，可開采的煤層厚度為7.67 m，煤層地質結構復雜。礦井采用中央并列與分區混合方式進行通風，有3 個進風井筒，2 個回風井筒。經測定礦井的總進風量為16 747 m3/min，總回風量為17 976 m3/min，現有的通風系統超過設計所需風量，可以滿足生產用的總風量要求。但在井下生產過程中，由于南采區的新鮮風流不能沖刷作業面，部分風流存在內部短路，巷道出現反風，造成通風系統的通風量極小，通風效果欠佳。而北采區通風系統的通風量較多，通風效果較好。

因此，針對煤峪口礦井下的實際情況，參照已有的井下開采情況平面圖信息，分析不同巷道的拓撲關系確定風量采集點位，采用Ventism 三維軟件，通過構建通風系統模型，研究優化措施，根據模擬仿真結果，分析優化方案的具體效果。

2 通風系統優化方案

2.1 三維建模

Ventism 三維軟件可以實現系統的1:1 建模，構建等比例仿真模型用于研究分析，將礦井下煤層、巷道具體數值輸入系統中，根據軟件內部程序運算，可精確得到分析計算結果。Ventism 三維軟件處理得到的結果，誤差小、速度快、可靠性高，對研究分析有很大的幫助作用。Ventism 三維建模的流程如圖1 所示。

圖1 礦井通風系統構建流程Fig.1 Construction process of mine ventilation system

（1） 在對礦井下通風系統進行仿真建模的過程中，需要將次要因素合理簡化，依據礦井內部開采平面圖與通風巷道結構圖，從推導計算復雜程度等角度簡化得到巷道布置圖，將巷道布置圖具體參數導入Ventism 三維軟件進行建模，得到仿真模型。

（2） 根據礦井內各巷道之間的位置關系，調整模型的巷道布置，使其與礦井實際情況相符合，然后將各個區段的巷道參數輸入到軟件模型中。

（3） 建模還需要將摩擦阻力考慮在內，對摩擦阻力系數合理取值。將通風機位置與設備參數輸入到三維軟件中，得到與實際情況相同的仿真模擬圖。

（4） 根據礦井的實際通風阻力大小，與仿真模型的模擬結果進行對比，判斷三維建模的準確性。

完成上面4 步操作后，在Ventism 三維軟件菜單欄內勾選“實體巷道”選項框，可得到三維模擬圖的雛形，對相關參數進行再次調整后，可構建井下通風系統的三維模型，煤峪口礦三維通風系統模型如圖2 所示。

圖2 礦井三維通風系統模型Fig.2 Mine three-dimensional ventilation system model

2.2 現狀模擬

對三維通風系統模型進行仿真模擬，結果顯示巷道的進、回風分布情況與實際一致，礦井的總進風量為16 880 m3/min，回風量為16 620 m3/min。由于礦井的開采范圍較大，局部開采引發的風流短路、污風反向等問題，與調查顯示的分析結果相同。

2.3 優化方案

礦井在實際開采過程中，需要考慮到南北2 個采煤區內通風量的差異，通風機聯合運轉時，南北采煤區公共部分線路上通風量并不完全一致，在實際運行時對正常通風有阻礙作用。而且北側采煤區的風阻也相對較大，給通風系統運行負荷提出了更高要求。針對這些問題，提出2 個優化方案，并在Ventism 三維軟件中進行建模，分別驗證優化方案的效果。

（1） 優化方案一。通過在運輸巷的末端設置自動風門以增加通風阻力來減少巷道回風量，將南北通風系統用調節風窗隔開，然后將巷道內的通風設備進行調整，在巷道的1 200 m 處增加1～3 號3個風門，將4、5 號風門的風窗面積減小至0.4 m2，將6、7 號位置的所有風窗全部拆除。具體的調整方案如圖3 所示。

圖3 通風優化方案一Fig.3 Ventilation optimization scheme 1

按要求設置好風門后，對通風系統進行三維仿真模擬，得到進回風井的風量變化。與優化前方案進行對比，主井的實際風量為3 144 m3/min，計算風量為2 907 m3/min，進風量減少了237 m3/min，斜井的實際風量為2 971 m3/min，計算風量為2 713 m3/min，進風量減少了258 m3/min，北采區進風井的實際風量為6 941 m3/min，計算風量為7 120 m3/min，進風量增加了179 m3/min，回風井的回風量基本無變化，通風機風壓上升76 Pa，南采區回風井的實際風量為5 022 m3/min，計算風量為5 396 m3/min，回風量增加了374 m3/min，通風機風壓下降382 Pa。

（2） 優化方案二。針對北采區回風巷較長，維修成本高的問題，對部分巷道進行封閉，減小通風系統的壓力。將北翼專用回風巷的兩端增加密封墻，在1 和4 兩處壘砌；將2、3、5、6、7號處風門的風窗面積進行調整，調整后的對應數值為1.5、3.1、0.9、2.4、1.2 m2。具體的調整方案如圖4 所示。

圖4 通風優化方案二Fig.4 Ventilation optimization scheme 2

對優化的通風系統進行三維仿真模擬，得到進回風井的風量變化。與優化前方案進行對比，主井的實際風量為3 144 m3/min，計算風量為3 415 m3/min，進風量減少了271 m3/min，斜井的實際風量為2 971 m3/min，計算風量為3 176 m3/min，進風量增加了205 m3/min，北采區進風井的實際風量為6 941 m3/min，計算風量為7 361 m3/min，進風量增加了420 m3/min，回風井的實際風量為7 948 m3/min，計算風量為8 164 m3/min，回風量增加了216 m3/min，通風機風壓上升76 Pa，南采區回風井的實際風量為5 022 m3/min，計算風量為5 581 m3/min，回風量增加了559 m3/min，通風機風壓下降382 Pa。

對2 個優化方案各項數據進行比對發現，2 個方案都是將礦井下通風設備進行調整以后，主斜井內的風量發生了較大的變化。但兩者存在一些不同，優化方案一是通過對風門、風窗的調整，將南北采煤區的通風線路進行了有效隔離，避免了通風機在聯合運行的過程中發生運轉異常，改善了通風系統穩定性；優化方案二的方法雖然能降低運維費用的支出，對通風系統的風量減少有改進作用，但是通風機的聯合運行穩定性差的問題沒有處理，優化效果相對差一些。

3 結 論

（1） 根據煤峪口礦井的實際開采情況，分析現有通風系統存在的問題，采用Ventism 三維軟件建立礦井通風系統仿真模型并進行試驗驗證，模擬仿真結果與調查顯示的分析結果相同，能很好地反映煤峪口礦井下通風系統的實際情況，為通風系統的方案設計奠定基礎。

（2） 針對南北采區的通風問題，設計2 種優化方案，經仿真模型驗證，優化方案一的通風效果較好，且能解決通風機聯合運行的穩定性問題。