李 博，馬云東，崔鐵軍

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000;2.大連交通大學(xué) 隧道與地下結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116028)*

0 引言

井下通風(fēng)系統(tǒng)是保證礦山安全生產(chǎn)的重要系統(tǒng)之一.特別是對于礦井的改擴(kuò)建工程，通風(fēng)系統(tǒng)要與改造工程是“三同時”的，那么在改造前就要對現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，并對擬改造部分的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行前期設(shè)計.針對可能的礦井改擴(kuò)建方案在通風(fēng)方面進(jìn)行有效性分析，以滿足開采的最基本要求“以風(fēng)定采”.

目前關(guān)于礦井通風(fēng)模擬的研究主要有:李宗翔等［1-2］對采煤工作面雙向突源災(zāi)變通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，同時也對突出瓦斯流與礦井通風(fēng)系統(tǒng)耦合移動進(jìn)行了仿真;王海寧等［3］基于三維仿真研究并的優(yōu)化了礦井通風(fēng)系統(tǒng);陸秋琴［4］使用LBM對集中涌出瓦斯在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)移進(jìn)行了仿真;彭家蘭等［5］仿真并應(yīng)用了礦井通風(fēng)三維系統(tǒng);馬斌等［6］設(shè)計并實現(xiàn)了礦井通風(fēng)三維仿真系統(tǒng);陳功勝［7］研究了潘一礦西翼通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整;張園園等［8］基于可拓數(shù)學(xué)優(yōu)化了礦井通風(fēng)系統(tǒng).上述研究在理論上有一定創(chuàng)新，但是應(yīng)用于實際井下復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通風(fēng)系統(tǒng)的分析，在構(gòu)建系統(tǒng)的自動化、集成化和多通風(fēng)方案必選和制定方面存在不足，如拓?fù)潢P(guān)系自動建立與管理、迭代計算及收斂自然風(fēng)壓等［9-10］.

針對上述問題，本文使用MVSS模擬了該礦現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)的性能，并分析了模擬的正確性.對于該礦將要進(jìn)行的改建擴(kuò)建工程，分析了四種方案的通風(fēng)性能.

1 煤礦概述

1.1 地理概況

五龍煤礦位于阜新煤田的中部，距離阜新市西南10 km，交通便利，西北5 km處有錦阜公路通過，井田東北距阜新火車站3.5 km，新義鐵路線與礦區(qū)專用線相連接.

地理坐標(biāo)為:經(jīng)度121°3＇10″，緯度41°57＇55″.礦井地面標(biāo)高 +173.5 m，井田面積12.337 2km2，傾斜長4.5 km，平均走向長2.74 km.中生界侏羅紀(jì)上統(tǒng)阜新含煤組為井田內(nèi)主要含煤地層，長焰煤為主要煤種.各主采層賦存穩(wěn)定，主開采煤層自下而上共計四個，分別為太平下層群、太平上層群、中間層群、孫家灣層群.井田內(nèi)侵入斷層和火成巖墻(床)，高德向斜軸和王營向斜軸在本井田通過，因此地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜.礦井無含水層，裂隙水和采空區(qū)積水是礦井涌水的主要來源，水文地質(zhì)簡單.礦井開拓方式為立井多水平開拓.礦井共分為三個水平(-215水平、-365水平、-600水平)，目前生產(chǎn)水平為三水平(-600水平).礦井主系統(tǒng)共有三條井筒，即主立井、副立井和西砂井，其中副井可直達(dá)-600水平.

1.2 礦井生產(chǎn)情況及通風(fēng)系統(tǒng)

該煤礦為中央并列式通風(fēng)方式.全礦有入風(fēng)井口兩個，分別為:西沙井、副井;排風(fēng)井一個為主井.主扇型號為GAF28-17-1型，額定功率為1000 kW，額定風(fēng)量101 40～12 498 m3/min.按照由里向外核算法進(jìn)行計算，核定2008年礦井生產(chǎn)能力(按通風(fēng)能力核定)為260萬噸.

礦井主要存在的通風(fēng)問題:雖然實際入風(fēng)大于礦井所需風(fēng)量，但由于部分巷道局部阻力較大，通風(fēng)不夠合理，出現(xiàn)集中用風(fēng)量不足現(xiàn)象;同時，隨著礦井改擴(kuò)建進(jìn)程的快速推進(jìn)(如礦井新工作面形成、東西翼互聯(lián)、現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)與劉家區(qū)同時投產(chǎn)等)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)能力和通風(fēng)狀況可能出現(xiàn)的動態(tài)變化等.

2 礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 仿真基本系統(tǒng)的建立

利用DXF格式文件轉(zhuǎn)換生成仿真系統(tǒng)圖.在AutoCAD系統(tǒng)下，對礦井的通風(fēng)系統(tǒng)圖進(jìn)行描繪.具體步驟見文獻(xiàn)［11］.將礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖的CAD另存為 DXF文件格式.然后利用 MVSS3.1，將DXF文件生成系統(tǒng)圖如圖1所示.

圖1 利用DXF格式文件生成仿真系統(tǒng)圖

由于測點(diǎn)較多，需要采用統(tǒng)一的命名規(guī)則，以便于對測試數(shù)據(jù)的查詢、識別和處理.例如測阻時，用英文字母順序排列作為皮托管兩端的測點(diǎn)標(biāo)號，即以“1D”開頭作為第一天的測點(diǎn)標(biāo)號，以“2D”開頭作為第二天的標(biāo)號，以“3D”開頭作為第三天的標(biāo)號，以此類推.風(fēng)窗、風(fēng)門、節(jié)點(diǎn)處用數(shù)字表示.詳見測點(diǎn)布置圖，如2所示.

圖2 該礦測點(diǎn)布置圖

根據(jù)實際數(shù)據(jù)構(gòu)造的通風(fēng)系統(tǒng)，在進(jìn)行模擬前要對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測，判斷構(gòu)造的正確性.具體包括:①核實進(jìn)、回風(fēng)井的位置、流量等相關(guān)信息;②進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湔_性的檢查，檢查仿真后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否與目標(biāo)通風(fēng)系統(tǒng)相符;③檢查網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲惺欠翊嬖趩蜗蚧芈?，以免計算進(jìn)入循環(huán)狀態(tài);④檢查網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B通性，保證網(wǎng)絡(luò)中元件是聯(lián)通的，不能出現(xiàn)孤島.

在進(jìn)行模擬前要收集、整理并確定系統(tǒng)的初始參數(shù).MVSS 3.1中的主要參數(shù)有風(fēng)機(jī)參數(shù)、節(jié)點(diǎn)參數(shù)(包括節(jié)點(diǎn)名稱、大氣壓、節(jié)點(diǎn)標(biāo)高等，構(gòu)筑物數(shù)據(jù)包括構(gòu)筑物名稱、測試壓差等)、巷道參數(shù)(包括密度、長度、百米風(fēng)阻、風(fēng)量、支護(hù)形式等).

2.2 仿真風(fēng)場系統(tǒng)的建立

通風(fēng)系統(tǒng)仿真就是根據(jù)目標(biāo)通風(fēng)系統(tǒng)的拓?fù)錁?gòu)造，使用多個不同類別的單元(如井巷、風(fēng)機(jī)、構(gòu)筑物等)，對目標(biāo)通風(fēng)系統(tǒng)的模擬，并實現(xiàn)在特定工況下構(gòu)建系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)的特性一致，進(jìn)而用以分析目標(biāo)系統(tǒng)在其他工況下表現(xiàn)出來的特征.MVSS 3.1模擬要設(shè)置最終達(dá)到的平衡狀態(tài)，當(dāng)然只是相對的平衡，即要設(shè)置一個誤差精度.這里需要進(jìn)行設(shè)置的有風(fēng)壓迭代精度、風(fēng)量迭代精度、相對迭代精度和排序次數(shù).

按需調(diào)節(jié)是以用風(fēng)點(diǎn)的實際需風(fēng)量為基礎(chǔ)對礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)調(diào)節(jié)的.它是基于人決定的風(fēng)量分配方法，對于這種風(fēng)量調(diào)節(jié)的實現(xiàn)只能通過對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行調(diào)整實現(xiàn).對于新井的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計和老井通風(fēng)系統(tǒng)的改造，風(fēng)量的分配通常是先將需風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)量固定，然后再由里向外進(jìn)行分配模擬.

另一種風(fēng)量調(diào)節(jié)的方法是增阻調(diào)節(jié)，它的調(diào)節(jié)對象是回風(fēng)井，有兩種調(diào)節(jié)方式:一是逐個調(diào)節(jié)，每次針對一個回風(fēng)井進(jìn)行調(diào)節(jié);二是采用迭代方法，每次對部分或全部回風(fēng)井進(jìn)行調(diào)節(jié).對某一回風(fēng)井的調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)次序的單位是通路.調(diào)節(jié)之前給出該通風(fēng)井的回路信息，包括:當(dāng)前調(diào)節(jié)量，即當(dāng)前最大阻力路線阻力與當(dāng)前調(diào)節(jié)通路阻力之差;當(dāng)前調(diào)節(jié)通路阻力，即當(dāng)前正在調(diào)節(jié)的通路阻力值.

該煤礦的現(xiàn)礦井生產(chǎn)是“三進(jìn)一回”格局，主井是唯一回風(fēng)井.設(shè)主井為當(dāng)前回風(fēng)井，根據(jù)實際工況仿真拓?fù)涞玫降耐纷枇惋L(fēng)洞測試負(fù)壓分別為2 440和2 386 Pa;絕對誤差和相對誤差分別為 14 Pa 和0.5868%［11］.可見相對誤差很小，說明該仿真風(fēng)場系統(tǒng)與現(xiàn)場測試的通風(fēng)現(xiàn)狀是匹配的，用于方案的模擬是可靠的.

3 礦井通風(fēng)現(xiàn)狀的模擬

3.1 分析問題

現(xiàn)場井下測試為該礦提供了準(zhǔn)確可靠的通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，并繪制了礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖和通風(fēng)仿真系統(tǒng)文檔.

通過測試發(fā)現(xiàn)并指出了礦井?dāng)嗝孑^小、通風(fēng)阻力較大的巷道，為礦井巷道修復(fù)減阻指明了具體位置.

(1)332回風(fēng)下山的108節(jié)點(diǎn)處有堆積物，三水平東軌道巷兩處冒頂、斷面小;2218回順有12000×750木垛;三水平軌道上山(測點(diǎn)5D9～5D10)斷面變化大;;3322運(yùn)順有大量雜物(測點(diǎn)5D21～5D22);331運(yùn)煤上山(測點(diǎn)5D25～5D26)存在風(fēng)速超限的小斷面;-365延伸上山出現(xiàn)部分冒落(測點(diǎn)6D5～6D6)，應(yīng)及時清理回風(fēng)井底堆積的碎石及堆積物，擴(kuò)大斷面等措施.

(2)局部地段巷道出現(xiàn)了嚴(yán)重變形，部分巷道嚴(yán)重失修.由于個別巷道積水過多，導(dǎo)致局部風(fēng)阻增大過多，通風(fēng)不暢，其中-365水平情況最嚴(yán)重，如-365延伸上山有水流，-365運(yùn)輸大巷(測點(diǎn)6D13 ～6D14)有 0.3 ～0.4 m 水流，-365掃泥道(測點(diǎn)6D3～6D4)有0.3 m水流.

因此，應(yīng)加強(qiáng)對這些巷道的檢查，進(jìn)行必要的修復(fù)減阻工作，降低礦井總通風(fēng)阻力，保證礦井正常的生產(chǎn)接續(xù).

3.2 仿真系統(tǒng)誤差驗證

原始數(shù)據(jù)測量的礦井通風(fēng)系統(tǒng)如圖3所示.

圖3 測量數(shù)據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)仿真圖

此時3322風(fēng)道并未貫通，測量數(shù)據(jù)結(jié)束后該巷道及3223工作面形成.錄入數(shù)據(jù)后的仿真系統(tǒng)以3223工作面形成為參考依據(jù)，進(jìn)行現(xiàn)場通風(fēng)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的驗證，具體驗證步驟為:①332新軌道上山貫通;②332邊界上山貫通;③3322東回順貫通;④3223回順貫通;⑤3223運(yùn)順貫通;⑥3223工作面形成;⑦3322集中皮帶道貫通;⑧3322瓦斯道形成.從而形成現(xiàn)有井下通風(fēng)系統(tǒng)，如圖4所示.

仿真系統(tǒng)模擬后，3322東回順模擬風(fēng)量6.8 m3/s，方向自東向西，332新軌道模擬風(fēng)量12.58 m3/s，回風(fēng)井總回風(fēng)量 165 m3/s，總風(fēng)壓2828 Pa，與現(xiàn)場實際比較誤差均小于10%，仿真模擬成功.

圖4 現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)仿真圖

4 改擴(kuò)建通風(fēng)系統(tǒng)改造方案研究

通風(fēng)系統(tǒng)的改造方案應(yīng)考慮現(xiàn)有系統(tǒng)的實際情況、應(yīng)災(zāi)變能力和新舊采區(qū)的轉(zhuǎn)移情況，同時符合集團(tuán)對礦井改擴(kuò)建的整體規(guī)化要求，達(dá)到改善當(dāng)前的通風(fēng)環(huán)境的目的.根據(jù)礦井改擴(kuò)建進(jìn)度，提出了通風(fēng)系統(tǒng)改造方案，具體如下.

(1)方案1:3322運(yùn)順貫通后的礦井通風(fēng)狀況仿真

3322運(yùn)順貫通，3322集中皮帶道新增風(fēng)門一個，控制風(fēng)量6.8 m3/s(原有風(fēng)量19 m3/s);

通過仿真系統(tǒng)軟件的解算模擬后得出:3322運(yùn)輸順槽貫通后的模擬風(fēng)量8.34 m3/s，回風(fēng)順槽的模擬風(fēng)量 7.48 m3/s.此時，礦井總風(fēng)壓2868Pa，表明對其它巷道影響不大.從而得出方案1可行的結(jié)論.

(2)方案2:-600東西互聯(lián)道形成，332開采面采用西翼回風(fēng)時通風(fēng)狀態(tài)仿真

①-600東西互聯(lián)道東側(cè)撤除風(fēng)門;②322回風(fēng)水平撤除風(fēng)門;③2218回風(fēng)下山增加風(fēng)門;④三水平軌道撤除風(fēng)門;⑤332巖石皮帶上山通路封閉;⑥332回風(fēng)上山增加風(fēng)門，并控制風(fēng)量到30m3/s.

解算模擬后得出:方案2中，東西軌道總風(fēng)量大體無變化，總風(fēng)壓下降50 Pa，采區(qū)內(nèi)3322東風(fēng)回順風(fēng)向調(diào)向，現(xiàn)風(fēng)向自西向東，風(fēng)量1.4 m3/s，排風(fēng)量較小.

(3)方案3:-600東西互聯(lián)道形成，332開采面采用東翼回風(fēng)時通風(fēng)狀態(tài)仿真

①3322專用回風(fēng)道貫通;②2218采區(qū)封閉;③331聯(lián)絡(luò)道貫通;④3312專用回風(fēng)上山封閉;⑤3322集中皮帶道撤風(fēng)門;⑥332軌道下山增加風(fēng)門;⑦-600東一石門南北側(cè)各撤一風(fēng)門;⑧-600東一石門回風(fēng)變?nèi)腼L(fēng).

模擬得方案2與方案3比較，332由東區(qū)回風(fēng)時，東西互聯(lián)道通風(fēng)系統(tǒng)正式形成，相對較合理;東西互聯(lián)道由東向西排風(fēng)，排風(fēng)量18.27 m3/s，風(fēng)壓2595 Pa.因此第3方案較第2方案更趨合理.

(4)方案4:鋼帶機(jī)道進(jìn)風(fēng)變回風(fēng)

①鋼帶機(jī)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道貫通;②鋼帶機(jī)下頭聯(lián)絡(luò)道新增風(fēng)門，控制風(fēng)量3.2 m3/s;③231運(yùn)順聯(lián)絡(luò)道新增風(fēng)門，控制風(fēng)量3.1 m3/s;④三水平軌道上山新增風(fēng)門，控制風(fēng)量41.6 m3/s;⑤2.5 m 絞車房回風(fēng)新增風(fēng)門，控制風(fēng)量2.8 m3/s;⑥銅帶機(jī)上段新增風(fēng)門，控制風(fēng)量4.018 m3/s;⑦梯子間新增風(fēng)門，控制風(fēng)量2.98 m3/s;⑧撤風(fēng)門10、風(fēng)門28及風(fēng)門7.

該方案由于增加幾組風(fēng)門，增加了漏風(fēng)量，從而導(dǎo)致采區(qū)內(nèi)部有效風(fēng)量減小，3322采區(qū)風(fēng)量由原來的 24.5 m3/s減少到 22.106 m3/s，下降了2.4 m3/s.因此該方案所起的效果不明顯.

5 扇風(fēng)機(jī)改造

根據(jù)該礦達(dá)產(chǎn)300萬噸各用風(fēng)地點(diǎn)所需風(fēng)量:礦井按各采煤、掘進(jìn)、硐室及其它巷道總需風(fēng)量如下所示.

其中，∑Q采、∑Q掘、∑Q峒、∑Q其它分別為采煤工作面、掘進(jìn)工作面、硐室及礦井除了采、掘、硐室地點(diǎn)以外的其它巷道實際需要的風(fēng)量和;K通為礦井通風(fēng)系數(shù).各項參數(shù)取值分別為:

Q礦通=18 000 m3/min;

∑Q采=1 869 m3/min;

∑Q掘=3 470 m3/min;

∑Q峒=450 m3/min;

∑Q其它=1 752 m3/min;K通=1.2

仿真系統(tǒng)可以通過實際總需風(fēng)量模擬仿真系統(tǒng)并算出總風(fēng)壓(按現(xiàn)有系統(tǒng)仿真)，總負(fù)壓為8895 Pa，總風(fēng)量300 m3/s.工況點(diǎn)如圖5所示.

圖5 主要通風(fēng)機(jī)特性曲線及工況點(diǎn)圖

從以下新的風(fēng)機(jī)特性曲線圖可看出工況點(diǎn)風(fēng)壓偏高在90%以上，效率在60%以下，西砂井主扇改造后增風(fēng)能力與礦井達(dá)產(chǎn)300萬噸后無法匹配，因此沿程阻力比較大，必須擴(kuò)大巷道斷面以減小阻力.

6 結(jié)論

通過MVSS對阜新某礦進(jìn)行了通風(fēng)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建、對通風(fēng)現(xiàn)狀進(jìn)行了模擬并針對礦井改擴(kuò)建提出了優(yōu)化方案，在此基礎(chǔ)上得出以下主要結(jié)論:

(1)通過系統(tǒng)仿真，基于現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流狀況，摸清了該礦現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)斷面較小，通風(fēng)阻力較高、風(fēng)阻較大的巷道;同時找出了通風(fēng)阻力大的原因，建議綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)合理性等方面的考慮，通過采取擴(kuò)大斷面、清理和維護(hù)巷道等措施著手降低相應(yīng)巷道的阻力;

(2)基于通風(fēng)系統(tǒng)改造設(shè)想，針對礦井改擴(kuò)建的不同階段，提出了四個仿真模擬方案，給出了各方案實施風(fēng)流調(diào)控建議，并進(jìn)行了具體分析與論證;

(3)模擬了礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造對主扇工作能力的需求，得出西砂井主扇改造后增風(fēng)能力與礦井達(dá)產(chǎn)300萬噸后無法匹配的結(jié)論.

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