徐明偉，張 驎，張 勇，湯 舟

(1.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601;2國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京 100731)

基于Ventsim對(duì)平煤四礦后期通風(fēng)改造方案優(yōu)化分析

徐明偉1，張 驎2，張 勇1，湯 舟1

(1.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601;2國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京 100731)

隨著平煤四礦三水平采區(qū)開拓向下部進(jìn)行，戊煤采區(qū)繼續(xù)北部延伸。原有的通風(fēng)系統(tǒng)不合理性顯現(xiàn)。在測定平煤四礦全礦井通風(fēng)阻力的基礎(chǔ)上，利用Ventsim建立的平煤四礦全礦井三維可視化模型，對(duì)四礦后期的開拓提出的方案進(jìn)行逐一分析，對(duì)其通風(fēng)阻力變化、通風(fēng)安全管理可行性分析、經(jīng)濟(jì)合理性論證。最終根據(jù)分析結(jié)果選擇最優(yōu)方案作為四礦后期改造方案，這對(duì)于節(jié)約成本，提高礦山安全管理，準(zhǔn)確定量通風(fēng)核算，加快礦山數(shù)字化建設(shè)具有重要意義。

Ventsim；三維建模；風(fēng)阻測定；通風(fēng)優(yōu)化

0 引言

平煤四礦1955年開工建設(shè)，1958年8月投產(chǎn)，是新中國成立后最早的一批礦井之一。平煤四礦由于開采強(qiáng)度不斷增加，礦井向深部開采的速度加快，瓦斯涌出量普遍增大，地溫升高，礦井通風(fēng)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。四礦生產(chǎn)正由二水平向三水平過渡，形成了多進(jìn)風(fēng)井、多回風(fēng)井、多水平的復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)，由于多進(jìn)風(fēng)井和多回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)的不完全獨(dú)立性，使得通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不可避免存在一些角聯(lián)分支，風(fēng)流穩(wěn)定性受到較大程度的影響[1]。隨著開拓的進(jìn)行，一味延長通風(fēng)路線勢必會(huì)造成巨大的能量浪費(fèi)。礦井通風(fēng)阻力分布不盡合理，存在高阻力回風(fēng)段，多風(fēng)井多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的相互影響較大，給礦井日常通風(fēng)調(diào)節(jié)管理、礦井災(zāi)害的預(yù)防和控制帶來很大的困難，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性造成較大的威脅。另外隨著煤炭形勢的低迷，煤炭經(jīng)濟(jì)遭遇困難，這給下一步開拓方案經(jīng)濟(jì)可行性分析帶來嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。本文在收集平煤四礦通風(fēng)參數(shù)的基礎(chǔ)上利用ventsim軟件，建立全礦井通風(fēng)三維可視化模型，模擬所提出的改造方案，對(duì)后期礦井改造提供依據(jù)。

1 通風(fēng)阻力的測定

結(jié)合礦井的生產(chǎn)布局和通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，選擇4條風(fēng)流路線長、風(fēng)量大，且包含采區(qū)或工作面，能反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)特征的路線做為主要測定路線，其他做為輔助測定路線。煤礦開采方法及技術(shù)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)、生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的作用[7-10]。采用精密氣壓計(jì)逐點(diǎn)測定法測定巷道分支處大氣壓力，在各測點(diǎn)測定風(fēng)流壓力的同時(shí)應(yīng)測量巷道的風(fēng)速、斷面尺寸、氣象條件等。如此依次測定全部的測點(diǎn)，待測點(diǎn)氣壓計(jì)回到井口時(shí)再重新校對(duì)儀器讀數(shù)，以檢查儀器的誤差，至此測定完畢[2-4]。則兩測點(diǎn)間的通風(fēng)阻力為：

hr(i,i+1)=hs(i,i+1)+hz(i,i+1)+hv(i,i+1)

(1)

式中：hs—靜壓差；hz—位壓差；hv—速壓差。

表1 主要線路通風(fēng)阻力分布

根據(jù)本次通風(fēng)測定結(jié)果分析：一水平風(fēng)井戊組采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)總線路較長，通風(fēng)阻力較大，約為3797.5Pa，礦井回風(fēng)系統(tǒng)中尤其突出通風(fēng)阻力1993.3Pa，占總阻力的52.5%，除三水平風(fēng)井丁九采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)段通風(fēng)阻力占總阻力比例較小外，其它系統(tǒng)回風(fēng)段阻力均超過40%。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，平煤四礦通風(fēng)系統(tǒng)不合理極凸顯。因此，對(duì)四礦進(jìn)行通風(fēng)優(yōu)化改造是必要的。

2 建立全礦井Ventsim模型

Ventsim可以風(fēng)流動(dòng)態(tài)模擬、對(duì)各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行著色，結(jié)果直觀，可非常方便的對(duì)風(fēng)流、壓力、通風(fēng)成本和其他通風(fēng)相關(guān)的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。與其他軟件相比在可視化程度，計(jì)算精度以及計(jì)算速度方面具有優(yōu)越性，與同等通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)算軟件對(duì)比具有優(yōu)越性，如圖1。

(1) 理論分析

軟件采用Hardy-Cross迭代法求解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)[5]，在本質(zhì)上是依據(jù)風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律、風(fēng)阻定律和通風(fēng)系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立的系統(tǒng)模型。根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)分支巷道的初始風(fēng)量，近似求出各個(gè)風(fēng)路的風(fēng)量增值ΔQk(修正值)，對(duì)風(fēng)路中各分支巷道的風(fēng)量分別進(jìn)行修正，再迭代計(jì)算，直到修正值ΔQk滿足給定精度。

對(duì)節(jié)點(diǎn)為m、分支為n的通風(fēng)網(wǎng)路，可選定N=n-m+1個(gè)余樹枝和獨(dú)立回路。以余樹枝風(fēng)量為變量，樹枝風(fēng)量可用余樹枝風(fēng)量來表示。根據(jù)風(fēng)壓平衡定律，每一個(gè)獨(dú)立回路對(duì)應(yīng)一個(gè)方程，這樣建立起一個(gè)由N個(gè)變量和N個(gè)方程組成的方程組，求解該方程組的根即可求出0個(gè)余樹枝的風(fēng)量，然后求出樹枝的風(fēng)量[6]。

1 與同類通風(fēng)優(yōu)化軟件相比柱狀圖

簡化后得出回路風(fēng)量修正值的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

H通——獨(dú)立回路中的通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，其作用的風(fēng)流方向與余樹枝同向時(shí)取負(fù)值，反之為正值。

H自——獨(dú)立回路中的自然風(fēng)壓，其作用的風(fēng)流方向與余樹枝同向時(shí)取負(fù)值，反之為正值。

按公式(2)分別求出各回路的風(fēng)量修正值，由此對(duì)各回路中的分支風(fēng)量進(jìn)行修正，求得風(fēng)量的近似真實(shí)值，即

(3)

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)建立三維可視化模型，根據(jù)實(shí)測值輸入個(gè)巷道風(fēng)阻，并且根四礦實(shí)際情況添加風(fēng)機(jī)。

(2) 礦井通風(fēng)可視化模擬誤差分析

礦井通風(fēng)系統(tǒng)可視化自動(dòng)解算優(yōu)化系統(tǒng)模擬解算出的結(jié)果是否與實(shí)際礦井一致，是礦井智能優(yōu)化的前提和關(guān)鍵，只有與礦井實(shí)際情況盡量一致，模擬后提出的礦井優(yōu)化方案才具有可行性，所以必須對(duì)系統(tǒng)模擬解算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)四礦井下風(fēng)量數(shù)據(jù)，課題實(shí)際風(fēng)量和模擬風(fēng)量進(jìn)行了對(duì)比，見下表。

表2 通風(fēng)現(xiàn)狀部分巷道風(fēng)量數(shù)據(jù)對(duì)照表

續(xù)表

從模擬結(jié)果可以得出：當(dāng)?shù)V井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，主要巷道的模擬風(fēng)量與實(shí)測風(fēng)量的偏差率都在10%以內(nèi)，符合要求。故該三維模型可以作為四礦模型進(jìn)行模擬。

3 優(yōu)化方案的提出與分析優(yōu)化分析

3.1 課題組人員與四礦技術(shù)人員提出三套優(yōu)化方案，并分別進(jìn)行模擬

方案一：庚一采區(qū)開采，二水平風(fēng)井只承擔(dān)庚一采區(qū)回風(fēng)任務(wù)。

為使庚一采區(qū)形成工作面后，工作面風(fēng)量達(dá)到要求，且調(diào)整己三采區(qū)與三水平采通風(fēng)角聯(lián)區(qū)域，使用二水平風(fēng)井單獨(dú)為庚煤回風(fēng)。此時(shí)調(diào)整原己三東?；貫檫M(jìn)風(fēng)巷，密閉原己三西?；?，己1617—23120工作面改為三水平回風(fēng)井回風(fēng)。原己三采區(qū)回風(fēng)任務(wù)由三水平回風(fēng)井承擔(dān)。

方案二：開采庚一采區(qū)，增加庚一采區(qū)專用回風(fēng)巷道使庚一采區(qū)回風(fēng)至三水平，停轉(zhuǎn)二風(fēng)井風(fēng)機(jī)，使其變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)井。

圖2 庚煤回風(fēng)

方案三：戊九下延掘回風(fēng)巷與丁九總回風(fēng)巷相連，二水平回風(fēng)井獨(dú)立承擔(dān)己三采區(qū)的排風(fēng)任務(wù)，關(guān)閉丁九采區(qū)和庚一采區(qū)

隨著丁九采區(qū)結(jié)束，停用一水平回風(fēng)井，戊九采區(qū)繼續(xù)下延，考慮到未來開拓情況以及縮短丁九采區(qū)的回風(fēng)路線，提前將戊九下延與丁九下延回風(fēng)巷道打通。二水平回風(fēng)井單獨(dú)給己三采區(qū)供風(fēng)，增加了己三采區(qū)通風(fēng)的獨(dú)立性，增強(qiáng)了礦井抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

用ventsim模型模擬個(gè)巷道風(fēng)量風(fēng)壓情況。

表3 各方案主要巷道的風(fēng)量

圖3 新增戊組總回

風(fēng)壓(Pa)北風(fēng)井一水平風(fēng)井二水平回風(fēng)井三水平回風(fēng)井方案一2096.7/2922.24353.15方案二/3678.8/4278.3方案三//26844375.2

表5 各風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況模擬結(jié)果

經(jīng)過模擬計(jì)算分析方案一己三皮帶出現(xiàn)風(fēng)速超標(biāo)，方案二二水平進(jìn)風(fēng)井出現(xiàn)風(fēng)速超標(biāo)。三方案風(fēng)速在規(guī)定范圍內(nèi)，并且全礦能降阻力400Pa。通過風(fēng)壓對(duì)比分析，可判斷出方案三在降低通風(fēng)阻力方面有較強(qiáng)優(yōu)勢。結(jié)合平煤四礦目前開采情況和礦區(qū)遠(yuǎn)景規(guī)劃，丁九采區(qū)未來數(shù)月結(jié)束后，封閉丁組供風(fēng)巷道以及丁九回風(fēng)巷道。避免其漏風(fēng)造成的不必要的能量浪費(fèi)。此時(shí)停止運(yùn)行一水平回風(fēng)井，使其作為進(jìn)風(fēng)井繼續(xù)承擔(dān)戊九采區(qū)部分供風(fēng)任務(wù)。

庚組煤屬于高硫，易燃并且庚組煤瓦斯含量高，屬于突出煤層。考慮到目前煤炭形勢以及開采成本。故建議關(guān)閉庚組煤，需要調(diào)節(jié)的巷道為：庚一運(yùn)輸石門打密閉墻，并且封閉庚組總回巷道。

己三采區(qū)下部車場通風(fēng)較為復(fù)雜，做好己三下部車場的通風(fēng)管理工作。己三巖石東專回下部打密閉，使己三采區(qū)風(fēng)流向上由己三巖石東?；刈罱K進(jìn)入二水平回風(fēng)井。

隨著戊九采區(qū)的才開以及下延開拓繼續(xù)，戊九采區(qū)回風(fēng)線路過長，通風(fēng)阻力過大。提前讓戊九下延與丁九總回貫通，能搞大大降低通風(fēng)效率。綜合因素考慮，推薦平煤四礦參考方案三。

4 結(jié)論

(1) 在礦井開拓規(guī)劃中，結(jié)合ventsim模擬結(jié)果，可以有效對(duì)方案中的通風(fēng)情況預(yù)測，直觀顯示工程量。對(duì)方案的評(píng)判提供較高可信度的依據(jù)，節(jié)約成本。

(2) 模擬改造后方案，能夠成三維可視化形式顯示。并且個(gè)巷道風(fēng)量，風(fēng)速清晰地顯示。回風(fēng)井風(fēng)機(jī)性能也能直觀顯示出來，極大地方便了改造方案優(yōu)選的工作量。

(3) 根據(jù)模擬結(jié)果顯示，選擇的方案符合礦井的通風(fēng)安全管理，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理，工程量較小，符合礦井遠(yuǎn)景規(guī)劃，并且已被企業(yè)采用。

[1] 駱貞江，楊成林，等.Ventsim軟件在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2009(3):7-9.

[2] 柳明明.Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)在金屬礦山的應(yīng)用[J].金屬礦山，2010(10):120-122.

[3] 李孜軍，陳艷麗，等.基于Ventsim 的礦井通風(fēng)風(fēng)阻參數(shù)優(yōu)化[J].金屬礦山，2014(3):136-140.

[4] 王大尉.基于Ventsim 軟件的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化[J].煤礦開采，2011(5):25-26.

[5] 張柬，張希巍，等.基于Ventsim軟件礦山通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化[J].有色礦冶，2013(6):7-9.

[6] 王超群.基于Ventsim系統(tǒng)的老礦山通風(fēng)系統(tǒng)改造研究———以銅興礦業(yè)為例[J].有色金屬(礦山部分)，2013(1):87-89.

[7] 畢文廣，朱方平，等.基于Ventsim 系統(tǒng)的煤礦三維通風(fēng)仿真技術(shù)[J].煤礦安全，2011(2):31-33.

[8] 徐向宇， 侯振海，等.基于Ventsim 系統(tǒng)的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)改造研究[J].煤炭技術(shù)，2015(9):216-218.

[9] 劉召勝，張華，周育，等.基于Ventsim 張莊鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)的模擬[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(11):169-172.

[10] 張盼佳.平煤十三礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2014.

[11] 朱敏.王坪礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造研究[D].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.

Analysis of ventilation reconstruction scheme in the later stage of optimization in Pingdingshan No.4 Coal Mine based on Ventsim

XU Ming-wei， ZHANG Lin, ZHANG Yong, TANG Zhou

(1.NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China；2.StateAdministrationofWorkSafety,Beijing, 100731,China)

With the deeper mining at the No.3 flat mining area of Pingdingshan No.4 Coal Mine, and the northerner mining at the Wumei area, the irrationality of the original ventilation has appeared. On the basis of the ventilation resistance determination of the whole Pingdingshan No.4 Coal Mine，its 3D visualization model is established by means of Ventsim, the later stage of the mine's development scheme is analyzed one by one which is presented in about the ventilation resistance changes, the feasibility analysis of ventilation safety management， and economic rationality. Eventually, according to the results of the analysis, the best optimization scheme is chosen for late reconstruction scheme，which is of important significance to save costs, improve mine safety management, accurate quantitative ventilation calculation, and accelerate the digital mine construction .

Ventsim; 3D visualization model; resistance determination; ventilation optimization

2016-03-19

中央高校基本科研業(yè)務(wù)基金資助項(xiàng)目(3142014116)

徐明偉(1990-)，男，河南舞陽人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，從事礦山安全方面研究。E-mail：476593817@qq.com

TD724

A

1672-7169(2016)03-0024-06