基于網絡解算的通風系統優化改造

陳永軍

（山西高平科興龍馬煤業有限公司，山西 高平 048407）

0 引言

礦井通風系統比較復雜，其由許多縱橫交錯的井巷構成，并且隨著礦井開采時間的延長，會不斷出現新的掘進工作面和采煤工作面，也會出現許多采空區，通風系統也愈加復雜，礦井通風阻力也會越來越大。礦井通風阻力的增大，會導致礦井主通風機需要提供更大的風速和風量才能夠滿足井下工人和工作面的基本需求，如果僅僅通過調節主通風機的性能來實現礦井通風系統的優化，不符合礦井綠色節能高效的要求。需要對礦井通風系統進行系統性的測定和分析，分析整個通風系統當中存在的問題，有針對性地采取巷道改造和降阻優化措施，最終實現礦井通風系統的優化。然而僅僅通過人工進行分析和測算，得出的數據存在很大的誤差，也無法對擬采取的措施所能夠達到的效果進行提前預判，不利于得到最優化的通風系統改造方案。而網絡解算則是通過對實際礦井所有參數的有效仿真和模擬，讓模擬的通風系統無限接近于現實，將擬定的通風減阻方案通過網絡解算進行分析，模擬其所能夠達到的通風減阻效果，通過方案對比獲取最優化的通風系統優化改造措施[1]。

1 通風系統的測定與分析

本文以某煤礦作為研究對象進行分析，該煤礦采用兩翼對角式通風，主、副井用于進風，南、北風井用于回風。主通風機均安裝在回風井的地面通風機房當中。主要參數設置如表1 所示。

表1 回風井主通風機參數表

1.1 通風阻力測定

首先確定該煤礦323 采煤工作面的通風阻力測定路線，然后確定本次通風阻力的測定方法采用氣壓計法，需要用到的設備主要包括兩臺精密數字氣壓計，通風干濕表、風表等[2]。通過通風阻力測定發現，進風段總長度2 135 m，通風阻力實測值為390 Pa，占礦井通風阻力的24%；用風段總長度1 299 m，通風阻力實測值為197.6 Pa，占礦井通風阻力的12.2%；回風段總長度3 161 m，通風阻力實測值為1 035.6 Pa，占礦井通風阻力的63.8%。通過分析可以發現，回風段通風阻力過大，超過了進風段和用風段的通風阻力之和。在實際測算過程中發現，在南翼進風和北翼進風的公共疊合區域個別區段存在通風斷面小、風量、風速以及風阻過大的問題，如果采煤工作面風量增加，該區段的風速、風量以及風阻將進一步增大；回風段中一采區的回風巷道有長達1 000 m 的區域存在巷道頂部冒落、兩幫及底部上鼓，導致該區域的回風巷道實際有效通風斷面不超過5 m2，通風阻力過大。

1.2 主通風機性能評價

圖1 為南風井風機的實際特性曲線，該風機當前的實際工況處于特性曲線的右下側，即單獨下降的區段，該通風機當前的風量在4 600 m3/min 左右，其最高風量可達5 200 m3/min 左右，因此該風機當前處于安全平穩的運行狀態。圖2 為北風井風機的實際特性曲線，該風機當前的實際工況處于特性曲線的右下側，即單獨下降的區段，該通風機當前的風量在3 500 m3/min 左右，其最高風量可達4 300 m3/min 左右，雖然北風井主通風機當前供風量距離最大供風量還存在一定的富余，但是隨著北翼采取工作面供風量需求的進一步增加，所能夠提供的風量有效。

圖1 南風井風機實際特性曲線

圖2 北風井風機實際特性曲線

2 基于網絡解算的礦井通風系統模擬

礦井通風系統模擬實際上就是通過對實際的礦井通風系統進行數字化，將礦井通風巷道作為通風網絡當中的線，巷道與巷道的連接處設置節點，為了能夠簡化通風網絡系統，可以對一些巷道進行合并，將礦井通風系統的實際長度、斷面大小及形式、通風阻力、風量、風速、風壓等參數賦予相應的線條，通過多次網絡解算以及不斷調整，使得模擬的通風網絡系統當中的風量、風阻與礦井實際的參數相符[3]。然后對礦井通風系統進行分析和模擬，結合礦井實際狀況，對礦井當前的通風系統性能進行研究和分析，發現其中存在的問題，最終制定優化方案，通過有效模擬，實現優化方案效果的可視化，對通風系統復雜的大型礦井降阻優化輔助作用更大[4]。

本文首先繪制研究對象煤礦的通風網絡圖，在繪制過程中對井底車場、采區的車場以及其他一些無關緊要的短巷道進行簡化，簡化成為一個節點或者一小段巷道，通過計算一個等效風阻值來取代實際區域的風阻值。將實際測算到的礦井通風系統的參數納入到模擬的通風網絡系統當中，通過不斷地對主要通風機工況、風量以及分支風阻等進行校驗調整，實現模擬值與實測值相一致，為實現正確模擬和預測提供基礎和依據[5]。

3 礦井通風系統優化

通過對323 采煤工作面的通風阻力等參數進行實際測定，分析其存在的問題，特提出相應的降阻優化措施。

措施一：對南翼進風和北翼進風的公共疊合區域通風斷面小、風量、風速以及風阻過大的區域進行擴修，將其巷道斷面由原來的10 m2擴大到20 m2，解決通風斷面小、風量、風速以及風阻過大的現狀，同時解決后期工作面風量增加帶來的該區域風速超限等問題。

措施二：對回風段中一采區長達1 000 m 有效通風斷面不超過5 m2的回風巷道進行擴修，對巷道周邊進行擴修，確保其有效通風斷面不得小于10 m2。以此來有效降低回風巷的通風阻力。

措施三：施工一條聯絡巷道，并在必要的位置設置永久正反風門，實現一采區的軌道上山、運輸上山與三采區的軌道上山、運輸上山之間并聯回風，縮短總回風巷道的長度，降低回風段的通風阻力。

措施四：由于北回風井主通風機的最大供風量小于南回風井，后期北回風井更容易飽和，因此提前將北回風井的部分回風風量引至南回風井系統線路，由南回風井主通風機分擔部分北回風井的回風風量。

針對以上四種措施，特提出四種降阻優化方案：方案一是僅采取措施一來實現通風降阻；方案二是在采取措施一的基礎上，再采取措施二、措施三進行進一步的降阻優化；方案三是在采取了措施一、措施二和措施三的基礎上，將南回風井的500 m3/min 回風量引至北回風井；方案四是在采取了措施一、措施二和措施三的基礎上，將南回風井的1 000 m3/min 回風量引至北回風井。

將采取方案一、方案二、方案三、方案四所帶來的有效通風面積、通風阻力、巷道長度等變化計算出來，然后分別代入礦井模擬通風系統當中，求解出采取相應方案后各分支的風阻、風量等變化。模擬結果如下：

方案一措施效果：擴修該段巷道成功解決了該段巷道的通風風速超限、風量過大、風阻過大等問題，但是網絡解算結果顯示礦井總的通風阻力僅僅降低了157 Pa，因此方案一對整個礦井通風系統的優化效果甚微。

方案二措施效果：方案二除了擴修兩段巷道實現局部阻力降低外，還通過并聯通風減短回風巷通風長度減低風阻，通過網絡解算結果顯示礦井通風總阻力降低了750 Pa 左右，通風降阻措施對整個礦井通風系統的優化效果較為明顯。

方案三措施效果：方案三在方案二的基礎上通過構筑正反風門和聯絡通道等實現部分本應流至北回風井的風量引至南回風井流出，分流風量達到500 m3/min。通過網絡解算結果顯示礦井通風總阻力在方案二的基礎上再降低207 Pa 左右，該措施對整個礦井通風系統的優化效果較為明顯。

方案四措施效果：方案四在方案三的基礎上分流風量再增加500 m3/min。通過網絡解算結果顯示礦井通風總阻力在方案三的基礎上再降低70 Pa 左右，該措施對整個礦井通風系統的優化效果較方案三效果不明顯。

4 結論

新建礦井的通風系統相對比較簡單，開采時間越長，礦井巷道越多，礦井通風系統越復雜。尤其是大型煤礦，其礦井通風系統更為復雜，在如此復雜的礦井通風系統當中尋找影響礦井通風阻力的主要巷道和因素難度非常大。網絡解算能夠較為方便地對整個礦井通風系統進行分析，尋找優化整個通風網絡系統的對策措施，但是這需要通風網絡系統的各項數據的準確性較高，前期測量需要耗費較大的人力、物力和時間。另外通風網絡系統的繪制以及網絡算法的選擇也十分關鍵。這些都能夠大大提升網絡解算的測算精度和準確性。本文通過實測尋找出礦井通風系統存在的問題，制定了四個通風優化方案，通過網絡結算發現方案三的優化措施能夠有效減低整個礦井的通風總阻力，達到良好的通風減阻節能效果。