運用礦井通風信息管理系統對衰老礦井通風系統進行優化

◎寇曉明

煤礦井下因通風系統所引起的危害事故的發生及發展稱之為“因風致災”；同時，良好的通風系統又為治理這些災害提供了最基本、最常用和最有效的手段，這稱為“以風治災”。曉南礦隨著礦井生產不斷延伸、規模不斷的擴大，通風系統日趨復雜，目前曉南礦井有兩個回風井（東風井、中央風井）、兩個進風井（主井、副井），現中央風井主要服務于北一、北二采區；東風井負責南翼采區、東一采區的通風任務。中央回風井負擔回風量相對較大，東風井存在風量富余，整礦通風動力與阻力分配不均勻。曉南礦需要對當前的礦井通風系統阻力分布和主要通風機性能進行分析，并全面掌握礦井通風壓能參數分布和主要通風機性能狀況，使之能更好的協調礦井安全生產和開拓，確保礦井通風系統的最優化及安全穩定可靠運行。利用曉南礦礦井通風仿真系統的壓能分析，進行相應的通風系統優化。

曉南礦現已進入衰老礦井行列，隨著礦井生產不斷延伸、規模不斷的擴大，通風系統日趨復雜，當前礦井有兩個回風井（東風井、中央風井），進風井（主井、副井）。

因此，曉南礦需要對礦井目前的通風系統阻力分布及各主要通風機性能進行分析，全面掌握礦井通風壓能參數分布及各主要通風機性能狀況，使之更好的協調礦井安全生產與開拓，確保礦井通風系統的最優化及安全穩定可靠運行。

礦井通風系統優化，一是實現日常通風管理、進行各種通風系統方案模擬，如通風系統優化工程方案、礦井擴能改造建設方案，以風定產技術保障等；二是實時壓能分析，壓能變化是反映瓦斯涌出規律的一個重要參數，利用曉南礦仿真系統的壓能分析，進行相應的通風系統優化。確保煤礦安全、可持續生產，創造更好的經濟和社會效益。

一、研究的主要內容及目標

1.主要研究內容。

通過曉南礦通風系統普查和通風阻力測試，完善現有的曉南礦礦井通風管理信息系統，對曉南礦生產銜接計劃與當前的通風系統現狀進行分析，保障中央風井通風系統以及東風井通風系統的穩定可靠運行。項目具體內容如下：

（1）對礦井通風系統進行普查。

（2）對通風系統的基礎參數進行測定。

（3）對通風系統分析，確保通風機能夠穩定、合理、可靠運行。

（4）研究通風系統分析和優化方案實際應用情況：并對通風系統進行全面分析：對通風系統各區段阻力分布進行全面分析；合理改造通風系統阻力分布情況，并為降低通風阻力提供依據；對有效風量和通風構筑物的漏風情況等進行分析，用以提高有效的風量率。最終實現通風系統調整后穩定、可靠運行。

2.研究目標。

（1）通風網絡解算工程化研究，包括拓撲關系自動建立與管理問題、迭代計算的初值問題、風機特性曲線導致的假收斂、無向圖網絡解算算法等主要問題研究與應用；

（2）中央風井負擔的北一、北二采區，東風井負擔的南翼、東一采區各區段阻力分布分析。掌握礦井各主要巷道風流變化情況，找出系統存在問題并提出合理的解決方案。

（3）對當前通風系統進行研究并預測分析，提出合理有效的解決方案。

二、技術路線

1.對礦井通風系統全部巷道進行普查。普查內容應該包括：礦井通風系統圖、礦井通風網路圖、全礦采掘位置、全部通風構筑物；主要巷道還應包括：名稱、支護形式、斷面大小、周長范圍、始末點標高及長度，需風量和風機參數等。

2.提出的改造方案應該有準確可靠的技術參數，所以應先對現有礦井通風系統進行通風阻力測定；然后對礦井地面和井下巷道的氣壓、溫度及濕度進行測試；對礦井通風系統阻力測試和構筑物的性能參數測試。

3.應建立礦井通風管理信息系統，并將普查和測試到的數據錄入礦井通風網仿真圖里，依照礦井通風測阻時的狀態，對礦井通風系統進行全面的仿真調試，實現仿真系統和測阻時的礦井通風狀態參數相一致。

4.根據曉南礦的實際需要，對通風系統優化調整方案進行科學有效的仿真模擬。通過對比，從理論上提出可行的改造方案。

三、通風阻力測試

1.礦井通風系統現狀。

曉南礦井分為兩個水平開采，一水平標高是-385m；二水平標高是-522m。現一水平已經回采結束，二水平現有北一采區、北二采區和南翼采區。

曉南礦的采掘工作面布置現狀如下：

中央風井通風系統：采煤工作面有2 個分別為N1-1506工作面和N2-1401 工作面；掘進工作面有2 個分別為N2-1401 軌道順槽和N2-1403 運輸順槽。

東風井通風系統：拆除工作面1 個為SE1402 工作面；掘進工作面有2 個分別為E1-401 運順和E1-401 回順。

曉南礦通風方法是抽出式，通風方式為中央并列與單翼對角混合式。由副井和主井進風，中央風井與東風井回風。中央風井負責北一采區、北二采區回風，東風井負責南翼采區、東一采區回風。礦井、采區及工作面都具備獨立完善的通風系統。采區為分區通風，各采區都設有專用回風巷并且貫通整個采區。

四、礦井通風阻力測定測點布置

1.通風阻力測定測點布置圖。

圖1 曉南礦通風阻力測定測點布置圖

圖2 曉南礦通風阻力測定測點布置圖

五、礦井通風管理信息系統

礦井通風管理信息系統服務器、客戶端、以及管理終端建立連接后即可實現通風系統的實時傳輸、在線查詢、在線管理等功能。

1.網絡拓撲關系的自動建立。

在已有的國內外網絡解算算法中，都需要人工建立網絡拓撲關系，即要對網絡的分支、始節點、末節點進行編號處理，形成網絡解算數據表。運用通風信息管理系統，網絡拓撲關系自動生成技術無需對網絡進行編號，只要有連通圖，即可自動生成網絡拓撲關系。與以往的礦井通風仿真軟件相比，建立礦井通風仿真系統省時省力，效略高，實現簡單。

2.基于最小調節功耗的礦井通風網絡優化調。

通常采用的回路法在余支上調節，無法保證其調節位置不在最大阻力路線上，可能在最大阻力路線的分支上設調節，這就導致了解算后礦井通風阻力增大，各調節設施（風門、風窗）的調節阻力增大，無用功耗增加，造成通風能量浪費。運用通風信息管理系統，采用通路法調節，在各分支都滿足用風量要求的前提下，求出礦井通風網絡的所有通路，采用增阻法調節時，以最大阻力路線的通路陽力為基準，在其他通路的分支上，可選擇分支增加阻力調節，能保證整個通風網絡的調解量為最小。

六、曉南礦通風系統優化方案

1.礦井通風系統現狀。

曉南礦目前整個南翼、東翼（東風井負擔部分）生產任務減少，中央回風井風機主要服務于北一、北二采區的通風任務。而主要生產集中在北一、北二采區（中央回風井負擔部分）。需要在生產任務作業不均衡的條件下，進行全礦井通風系統調整，通過新掘專用回風巷，調整東風井負擔區域，緩解中央回風井通風壓力，提高礦井整體通風能力。調整后系統保證北一采區、北二采區不低于現有配風量。

2.通風系統調整方案。

（1）方案1：東風井負擔北一采區。

新掘北一15 層回風中巷至二水平南翼皮帶大巷專用回風巷，長度1415m，凈斷面不小于15m2；新設二水平北翼集中回風上山東側風門或者密閉進行通風系統調整。

具體位置與仿真結果如圖3 所示。

圖3 新施工一條北一專用回風巷仿真圖

方案模擬結果

主要風井、大巷風量變化如表1 所示。

注：增加量為負值表示是減少。

模擬結果：在目前通風系統進行施工專用回風巷，同等條件下該方案東風井總風量增加1521m3/min，負壓增加1633Pa，能夠滿足風量北一采區風量要求；中央風井風量降低2209m3/min，負壓增加39Pa，中央風井總阻力基本保持不變；各工作面用風量沒有影響。具體用風點風量見仿真系統。

該方案技術上可行，主要問題：東風井總阻力3070Pa，不滿足《煤礦井工開采通風技術條件AQ1028-2006》最大阻力不超過2500Pa 的規定。如果實施該方案，優先考慮東風井回風大巷拉底降阻，滿足其最大阻力小于2500Pa 的規定。

（2）方案2：東風井負擔北二采區。

新掘北翼回風輔助道巷至二水平南翼皮帶大巷專用回風巷，長度1284m，凈斷面不小于15m2；拆除北翼回風輔助道東側風門；新建專用回風道西側與北二回風上山兩處風門或者密閉進行通風系統調整。

圖4 新施工北二專回仿真圖

方案模擬結果

主要風井、大巷風量變化如表2 所示。

注：增加量為負值表示是減少。

模擬結果：進行分區通風后，同等條件下該方案東風井總回風量增加1521m3/min，通風負壓增加1733Pa；中央風井總回風量降低2209m3/min，通風負壓增加33Pa，中央風井總風阻力趨于基本保持不變的狀況。二水平南翼回風大巷風量增加1996m3/min 對北一采區沒有影響，對各工作面風量影響不大。其他巷道風量見仿真系統。

該方案技術上可行，其中主要的問題包括：東風井總回風阻力3170Pa，不能滿足《煤礦井工開采通風技術條件AQ1028-2006》最大阻力不超過2500Pa 的規定。如果實施該方案，優先考慮東風井回風大巷拉底降阻，滿足其最大阻力小于2500Pa 的規定。

3.通風系統調整方案結果分析。

東風井負擔北一采區、東風井負擔北二采區兩種通風系統調整方案，兩種方案技術上均可行，兩種方案比較結果相差不大，具體結合地質施工條件進行確定，各方案及可行性分析如表3 所示。

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七、主要研究成果與結論

1.進行礦井通風參數測試，對測試數據進行分析，為通風系統優化與設計等提供了可靠的基礎數據。

2.完備了曉南礦通風管理信息系統，借助曉南礦通風管理信息系統對礦井通風系統各區段進行阻力分布、有效風量、通風構筑物壓差和通風機聯合運轉等參數分析。

3.針對曉南礦生產任務作業不均衡的條件下，進行全礦井通風系統調整論證，通過新掘專用回風巷，達到通風網絡與多風井通風動力合理匹配，緩解中央回風井通風系統風量緊張等問題，提高礦井整體通風能力。