花草灘煤礦通風系統仿真與通風阻力解算

郗海龍，李勤生，王國棟，周 鋒，牛文波，高 倫，鄭 帥，陳志興，賈瑞敏，隋磊，王懿軒

（1.張掖市宏能煤業有限公司，甘肅 張掖 734100；2.新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830000；3.陜西黃河礦業（集團）有限責任公司，陜西 韓城 715400；4.銀川科技學院，寧夏 銀川 750011；5.包鋼集團公司有限公司，內蒙古 包頭 014080；6.冀中能源集團有限公司，河北 邢臺 054001）

0 引言

數字計算技術用于礦井通風網絡分析始于1953 年。20 世紀60 年代末，在世界范圍內，計算機廣泛地應用于礦井通風系統的設計和分析。到目前為止，已有大量有關礦井通風的軟件，用于解決地下開采中出現的不同問題。國外最具代表性的是波蘭科學院的WENTGRA 系統，它配合POZAR 系統很好地實現了火災時期風流狀態仿真；國內一些學者進行了大量的研究。為全面分析礦井通風系統現狀，指導礦井通風系統進行優化調整，解決礦井通風系統問題，花草灘煤礦開展通風系統仿真與優化研究工作，為礦井通風系統的可靠性、有效性、經濟性以及安全性提供理論基礎。

花草灘煤礦礦井采用中央并列式通風方式，通風方法為抽出式，副井進風，主井回風。隨著煤礦開采深度的增加，礦井通風系統管理逐漸不便，借助計算機進行智能化管理是行之有效的一種方法。井下工作內容特殊，傳統方法進行礦井通風網絡分析時給礦山工作者帶來了很大的不便，效率低下。基于此，有必要開展礦井通風系統診斷與優化策略研究。礦井信息可視化展示為礦井通風網絡提供了便利，利用可視化仿真平臺進行礦井通風網絡的建模及通風網絡的解算，提高煤礦的管理水平，實現動態展示和管理的一體化，為現在及將來的通風需求優化提供了數據支持，保證通風系統與生產能力相適應。

1 礦井通風參數測試

根據礦井需要，對花草灘煤礦通風系統阻力測試，以獲得通風系統基礎參數，為系統優化提供準確、可靠的數據。

在阻力測試過程中，為了方便對測試數據進行查詢、辨別和處理，對眾多測點統一命名。測點標識以英文字母“F（巷道斷面）”或“V（風門）”+“數字”+“-”+“數字”的形式表示，第一個數字表示測試天數，“-”+“數字”表示當天的測點數。花草灘煤礦通風系統測試的測點布置如圖1所示。

圖1 花草灘煤礦通風系統測試的測點布置Fig.1 Arrangement of measuring points for ventilation system test in Huacaotan Coal Mine

部分測試數據見表1 和表2。

表1 巷道斷面風量記錄數據Table 1 Air volume record data of roadway section

表2 風門測試數據Table 2 Test data of air door

2 礦井通風云仿真系統（HCT-CloudSS）開發

2.1 礦井通風云仿真系統構建

花草灘煤礦通風仿真文件的創建采用了直接繪制的方式，仿真系統局部放大圖如圖2 所示，仿真系統如圖3 所示。

圖2 花草灘煤礦通風仿真系統局部放大圖Fig.2 Local magnification diagram of ventilation simulation system in Huacaotan Coal Mine

圖3 花草灘煤礦通風仿真系統Fig.3 Ventilation simulation system of Huacaotan Coal Mine

利用系統本身的功能進行如下檢查，并在仿真系統軟件下對其進行相關編輯，確保仿真圖的完整性。

（1）圖的連通性檢查。檢查仿真圖形的連通性等于1 時，說明該仿真圖形為一個連通圖。

（2）進、回風井檢查。若進、回風井的個數或者風流方向與礦井通風系統不一致，必須進行修改，方法是改變風流方向，直到與實際情況一致。

（3）單向回路檢查。若礦井僅作風流分配或者按需調節這項檢查是不必要的，但分析通風系統的角聯結構時，這項檢查是必要的。

（4）風流方向檢查。除了進、回風井的風流方向必須與礦井實際情況一致外，其它巷道的風流方向可以不必檢查。

2.2 礦井通風阻力系數云反演

通過人工測風法測試了花草灘煤礦29 個主要地點巷道的風量，見表3。通過智能算法，利用測試得到的觀測點數據，對全礦井的通風阻力系數進行反演計算，并不斷調整計算精度，最終得到花草灘煤礦每條巷道分支的阻力系數和全礦的阻力分布情況。

表3 花草灘煤礦通風系統觀測點風量Table 3 Air volume of observation points of ventilation system in Huacaotan Coal Mine

3 礦井通風系統仿真

通過數據融合技術，利用JL-Cloud 通風阻力系數智能反演算法，反演出了花草灘煤礦巷道通風阻力系數。使用花草灘煤礦礦井通風云仿真系統（HCT-CloudSS），利用反演出來的巷道通風阻力系數，對花草灘煤礦礦井通風系統進行通風網絡解算，解算的結果見表4，礦井通風網絡如圖4 所示。

表4 通風網路解算Table 4 Ventilation network solution

圖4 花草灘煤礦通風網絡圖Fig.4 Ventilation network diagram of Huacaotan Coal Mine

4 花草灘煤礦通風系統分析

4.1 礦井總風量、風網功耗和等積孔

利用花草灘煤礦通風仿真系統對礦井的通風難易程度、阻力分布等進行分析，網絡解算條件概況見表5，總的分支總數達到148 條，地面運轉主要通風機1 臺，井下局部通風機6 處。

表5 網絡解算條件Table 5 Network solution conditions

礦井總排風量為155.46 m3/s，見表6。根據礦井的等積孔計算結果，回風主井為通風容易風井，滿足“煤礦井工開采通風技術條件AQ 1028-2006”的相關規定。

表6 礦井總風量、風網功耗和等積孔Table 6 Mine total air volume,air network power consumption and equal-area holes

4.2 通風系統分析

通過回風主井的最大阻力為2146.77 Pa，最大阻力路線如圖5 所示，具體為副井井口—副井—井底車場—+1550 軌道石門—軌道暗斜井通路—軌道暗斜井—1109 運順車場—1109 運輸順槽—1109 綜采工作面—1109 回風順槽—1109 回風聯絡道—回風暗斜井—+1610 風道—回風石門—主井。

圖5 礦井最大阻力路線Fig.5 Maximum resistance route of mine

為了反映回風主井最大阻力路線上各節點的壓能分布情況，繪制了回風主井最大阻力路線壓能分布圖，如圖6 所示。

圖6 礦井最大阻力路線壓能分布Fig.6 Pressure energy distribution of maximum resistance route in mine

根據最大阻力路線圖，通風系統內的進風區、用風區、回風區的阻力統計見表7。根據最大阻力路線圖以及參考風井的等級孔計算結果，結合礦井總阻力和總風量考慮，東風井屬于通風容易風井，進風區段阻力為27.31%，用風區段的阻力為7.90%，回風區段阻力為64.79%，不太合理。

表7 礦井通風阻力三區分布情況Table 7 Distribution of three zones of mine ventilation resistance

5 困難時期礦井通風系統仿真分析及優化

5.1 巷道布置及需風量

花草灘煤礦五采區最困難時期的通風系統，采掘布置為1 采（5101 采煤工作面）1 備（5102備采工作面）5 掘（5103 運輸順槽、5103 回風順槽、5104 運輸順槽、5104 回風順槽和5105 運輸順槽）。掘進工作面均采用2×37 kW 局部通風機供風，最長通風距離為2 400 m，單臺局扇吸風量為640 m3/min，5101 采煤工作面采用U 型通風方式，5101 工作面運輸順槽進風、回風順槽回風，工作面計劃風量為980 m3/min，5102 備采工作面風量按5101 工作面的1/2 配置為490 m3/min，掘進工作面需風量為4 200 m3/min（增加5 臺局扇前的過路風1 000 m3/min）；采煤工作面和備采工作面需風量為1 500 m3/min；其他硐室需風量為1 500 m3/min；其他用風地點需風量為1 500 m3/min；按照1.15 的風量富余系數計算，困難時期礦井總風量為10 005 m3/min。

5.2 通風系統仿真

在建立的花草灘煤礦通風系統現狀仿真模型的基礎上，建立花草灘煤礦困難時期通風系統仿真模型，如圖7 所示，并根據風量分配要求，完善仿真模型巷道參數錄入。

圖7 花草灘煤礦困難時期礦井通風仿真模型Fig.7 Mine ventilation simulation model of Huacaotan Coal Mine in difficult period

5.3 通風阻力計算

通過花草灘煤礦困難時期礦井通風仿真系統，按照現有主體巷道，未進行降阻優化，計算最大阻力路線上各巷道通風阻力見表8。

表8 花草灘煤礦困難時期礦井各巷道通風阻力仿真計算統計Table 8 Ventilation resistance simulation calculation statistics of each roadway in Huacaotan Coal Mine during difficult period

分析表8 可知，花草灘煤礦困難時期礦井最大阻力路線上各巷道通風阻力之和，即通風總阻力為6 620.27 Pa，總風量為166.75 m3/min。礦井風網功耗和等積孔計算結果見表9。

表9 困難時期礦井總風量、風網功耗和等積孔Table 9 Mine total air volume,air network power consumption and equalizing hole in difficult period

由表9 可知，礦井通風困難時期由于通風路線長，礦井總阻力較大。現場測試時發現回風暗斜井（1108 運、回順段）頂板及兩幫受壓力影響，巷道變形嚴重，斷面過小。仿真結果顯示該段巷道通風阻力系數R 達到了0.084 037。若將該段巷道進行修整，可將該段巷道通風阻力系數R 降到0.006 左右，困難時期該段巷道通風阻力可由原來的1 765.66 Pa 降到378.23 Pa，礦井困難時期通風總阻力可下降至5232.84 Pa，即使對回風暗斜井（1108 運、回順段）進行降阻優化，花草灘煤礦困難時期礦井總阻力仍不符合礦井通風阻力的要求。

6 結語

通過模擬仿真軟件的開發，實現對花草灘礦井通風系統現狀的模擬分析，方便通風系統的管理，對未來礦井改造優化提供了理論指導。