大平煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)值模擬應(yīng)用研究

張 星

（山西大平煤業(yè)有限公司，山西 襄垣 046203）

對(duì)于井工開采煤礦而言，通風(fēng)系統(tǒng)是否合理直接關(guān)系到礦井正常生產(chǎn)及井下作業(yè)人員人身安全。大平煤業(yè)風(fēng)量5 400～12 000 m3/min，主通風(fēng)機(jī)負(fù)壓2 610 Pa，不符合《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》中“礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量5 000～10 000 m3/min時(shí)，礦井通風(fēng)的總阻力須小于2 500 Pa”的相關(guān)規(guī)定[1-2]。針對(duì)目前大平煤礦通風(fēng)系統(tǒng)存在通風(fēng)距離超長、通風(fēng)阻力大和通風(fēng)困難等問題，提出三項(xiàng)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)方案，并應(yīng)用數(shù)值模擬方法分析得出最為科學(xué)合理的優(yōu)化技術(shù)方案。

1 工程概況

大平煤業(yè)位于襄垣縣西南15 km 處的夏店鎮(zhèn)邢村—九龍村一帶，行政區(qū)劃屬襄垣縣夏店鎮(zhèn)管轄。批準(zhǔn)開采3～15 號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模1.5 Mt/a，開采標(biāo)高+700～+130 m，井田南北長4.1 km，東西寬3.5 km，面積7.930 1 km2。井田內(nèi)3 號(hào)煤層共劃分兩個(gè)采區(qū)，南側(cè)為一采區(qū)，北側(cè)為二采區(qū)。礦井采用主斜井、副立井混合開拓，井口位于礦區(qū)中東部。于主斜井井底附近，沿煤層傾向布置膠帶、軌道、回風(fēng)下山，其中膠帶、軌道下山沿煤層底板布置，回風(fēng)下山沿煤層頂板布置，三條下山間距30 m。膠帶下山通過井底煤倉與主斜井連接，軌道下山通過集中軌道巷與副立井井底車場(chǎng)連接，回風(fēng)下山通過回風(fēng)立井聯(lián)絡(luò)巷與回風(fēng)立井連接，形成了3 號(hào)煤開采主、輔運(yùn)輸系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)，排水系統(tǒng)。礦井通風(fēng)方式為中央分列式，主斜井進(jìn)風(fēng)、副立井輔助進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)。通風(fēng)設(shè)備采用兩臺(tái)FBCDZ-8-No26B 型軸流式通風(fēng)機(jī)。

2 數(shù)值模擬模型構(gòu)建及解算

通過礦井通風(fēng)可視化仿真系統(tǒng)，基于大平煤業(yè)采掘平面圖、通風(fēng)系統(tǒng)圖及通風(fēng)系統(tǒng)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)，根據(jù)VSE 基于.NET 計(jì)算機(jī)編程，對(duì)礦井通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行高速運(yùn)算，可快速計(jì)算出礦井通風(fēng)阻力、風(fēng)阻及摩擦阻力系數(shù)等所需參數(shù)； 基于GIS 理論和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)二維、三維可視化仿真等功能[3]。數(shù)值模擬模型如圖1 所示。

圖1 VSE 通風(fēng)二維可視化數(shù)值模擬模型

VSE 軟件能夠?qū)I(yè)地進(jìn)行礦井通風(fēng)仿真模擬。VSE 平臺(tái)中“仿真> 風(fēng)網(wǎng)解算”功能即可實(shí)現(xiàn)大平煤業(yè)有限公司通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀的仿真模擬。VSE為仿真模擬提供多項(xiàng)參考標(biāo)準(zhǔn)，比較常用的是回路風(fēng)壓閉合差和解算誤差。系統(tǒng)每進(jìn)行一次解算，回路風(fēng)壓閉合差和解算誤差數(shù)值就會(huì)隨之更新一次。回路風(fēng)壓閉合差是以提示窗口的形式于每次解算命令發(fā)出后在平臺(tái)的右下角浮動(dòng)出現(xiàn)，其值越小表示仿真模擬效果越好。解算誤差是以解算誤差分析固定窗口的形式在平臺(tái)左側(cè)存在。解算誤差分析窗口提供了多類別誤差分析結(jié)果，其中包括風(fēng)量Q 絕對(duì)誤差、風(fēng)量Q 相對(duì)誤差、摩擦阻力系數(shù)α 相對(duì)誤差、摩擦風(fēng)阻R 以及是否有通風(fēng)設(shè)施等[4-5]。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)升級(jí)改造及方案優(yōu)化仿真分析

針對(duì)目前大平煤業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)分布不合理的區(qū)域，提出以下三項(xiàng)優(yōu)化技術(shù)方案。

3.1 更換通風(fēng)機(jī)聯(lián)網(wǎng)（方案一）

（1）方案一概況

①皮帶大巷、軌道大巷和回風(fēng)大巷同時(shí)下延至新回風(fēng)井底； 皮帶大巷與軌道大巷接入總回風(fēng)處分別設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗；新風(fēng)井安裝FBCDZNo30/2×630 軸流式抽出式主要通風(fēng)機(jī)，葉片安裝角度為0°；編號(hào)42 的聯(lián)絡(luò)巷（節(jié)點(diǎn)29→40）上的通風(fēng)設(shè)施拆除，如圖2（a）所示。

圖2 方案一對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)拓?fù)?/p>

②原主要通風(fēng)機(jī)更換，原回風(fēng)井變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)井，并接入皮帶大巷，原回風(fēng)大巷至原回風(fēng)井巷道（節(jié)點(diǎn)31→34）密閉棄用，如圖2（b）所示。

③新開拓巷道的斷面積均按照20 m2模擬解算。

（2）模擬結(jié)果分析

①礦井主要通風(fēng)機(jī)排風(fēng)量增加到11 262 m3/min，有效解決有了當(dāng)前風(fēng)量分配困難的現(xiàn)狀。

②部分巷道風(fēng)量增加，導(dǎo)致風(fēng)速會(huì)超限。

③主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓為2 994.04 Pa，大于2 940 Pa。

綜上可知，方案一不具有理論可行性。但根據(jù)大平煤業(yè)生產(chǎn)礦井的采掘接替安排，該方案的實(shí)施勢(shì)在必行，為此提出下述方案二和方案三，對(duì)方案一進(jìn)行優(yōu)化處理。

3.2 擴(kuò)修部分巷道（方案二）

（1）方案二概況

在方案一的基礎(chǔ)上，皮帶大巷斷面積擴(kuò)修至18 m2，軌道大巷斷面積擴(kuò)修至20 m2，總回風(fēng)巷（編號(hào)76，節(jié)點(diǎn)43→44）斷面積擴(kuò)修至24 m2。方案二的通風(fēng)系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系如圖3 所示。

圖3 方案二通風(fēng)系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系

（2）模擬結(jié)果分析

①礦井主要通風(fēng)機(jī)排風(fēng)量達(dá)到11 448 m3/min，有效解決有了當(dāng)前風(fēng)量分配困難的現(xiàn)狀。

②部分巷道風(fēng)量增加，但風(fēng)速在合理范圍內(nèi)。

③主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓為2 785.16 Pa，小于2 940 Pa。

綜上可知，方案二具有理論可行性。

3.3 開拓猴車大巷（方案三）

（1）方案三概況

①在方案一的基礎(chǔ)上，猴車大巷從原回風(fēng)井井底下延引出，到達(dá)井底水倉附近，接入軌道大巷和皮帶大巷。猴車大巷的斷面形狀為矩形，斷面積為12 m2，支護(hù)方式為錨噴。

②總回風(fēng)巷（編號(hào)76，節(jié)點(diǎn)43→44）斷面積擴(kuò)修至24 m2。方案三的通風(fēng)系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系如圖4 所示。

圖4 方案三通風(fēng)系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系

（2）模擬結(jié)果分析

①礦井主要通風(fēng)機(jī)排風(fēng)量達(dá)到11 554 m3/min，有效解決有了當(dāng)前風(fēng)量分配困難的現(xiàn)狀。

②部分巷道風(fēng)量增加，但風(fēng)速在合理范圍內(nèi)。

③主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓為2 663.09 Pa，小于2 940 Pa。

綜上可知，方案三具有理論可行性。

3.4 通風(fēng)系統(tǒng)改造

基于以上模擬結(jié)果，在方案一的基礎(chǔ)上，方案二和方案三均具有理論可行性，但鑒于方案二比方案三的工程量大，施工線路長，故現(xiàn)場(chǎng)采用方案三。現(xiàn)場(chǎng)改造過程中將通風(fēng)機(jī)更換為FBCDZ-№30/2×630 軸流式抽出式主要通風(fēng)機(jī)，額定風(fēng)量為7 620～15 960 m3/min，額定風(fēng)壓為1 100～6 000 Pa，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。猴車大巷（斷面積為12 m2，支護(hù)方式為錨噴）從原回風(fēng)井井底下延引出，到達(dá)井底水倉附近，接入軌道大巷和皮帶大巷；同時(shí)總回風(fēng)巷斷面積擴(kuò)修至24 m2，工程量共計(jì)1 042 m，工期98 d，資金投入約3 000 萬元。改造后根據(jù)井下實(shí)測(cè)，礦井總進(jìn)風(fēng)量為12 762 m3/min，總回風(fēng)量為12 834 m3/min，可滿足礦井安全生產(chǎn)需求。總有效風(fēng)量11 978 m3/min，礦井有效風(fēng)量率為93%，符合《煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理體系基本要求及評(píng)分方法 （試行）》 對(duì)于礦井有效風(fēng)量率≥85%要求。

4 結(jié)論

通過對(duì)大平煤業(yè)生產(chǎn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)升級(jí)改造數(shù)值模擬分析研究，得到如下結(jié)論：

1）基于礦井當(dāng)前通風(fēng)較困難的現(xiàn)狀，提出礦井通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)改造方案，其總體形成三進(jìn)一回的通風(fēng)系統(tǒng)格局。

2）在方案一的基礎(chǔ)上，方案二和方案三均具有理論可行性，但鑒于方案二比方案三的工程量大，施工線路長，故建議采用方案三。

3）在方案三的基礎(chǔ)上，模擬仿真礦井通風(fēng)困難時(shí)期的通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量和阻力分布狀況，該條件下的需風(fēng)量、風(fēng)速與阻力要求均可以得到滿足。

4）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)升級(jí)改造后，礦井主通風(fēng)機(jī)排風(fēng)量13 073 m3/min，主通風(fēng)機(jī)負(fù)壓為2 708.62 Pa，符合《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》中“礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量10 000～20 000 m3/min 時(shí)，礦井通風(fēng)的總阻力須小于2 940 Pa”的相關(guān)規(guī)定。