寧玉淼

(山西焦煤霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200)

1 前言

礦產(chǎn)資源的迫切需求和采礦技術的發(fā)展使得越來越多的大型企業(yè)進行深度開采，以便獲取足夠的礦產(chǎn)原料。但是，原礦井通風系統(tǒng)難以滿足深度開采的需求，新通風系統(tǒng)面臨著風流短路、風量不足、調(diào)控效率低等多種問題。針對此問題，相關專家和學者進行了研究。黃俊歆、鐘德云等從通風網(wǎng)絡結算的角度為通風系統(tǒng)的有效解算提供了理論支撐[1-2]；劉成敏、孫世彪、程子華等從通風網(wǎng)絡的設計方案、通風回路角度對礦井的通風網(wǎng)絡進行了優(yōu)化[3]；何敏、吳兵借助現(xiàn)有的通風網(wǎng)絡軟件對通風系統(tǒng)進行了三維仿真，以便進行更加精準地管理[4-5]；周志揚等對擴改鐵礦的通風系統(tǒng)的方案進行對比分析，提升了原系統(tǒng)的通風效果[6]?；谇叭说难芯浚疚膶⑼L節(jié)點、風路、巷道、風機等封裝到一起，形成動態(tài)管理模型，對通風系統(tǒng)的各個部分進行監(jiān)測，將監(jiān)測值與通風軟件的解算值進行比較，當差異較大時，進行及時預報，以便減少礦井損失，確保深度開采施工安全。

2 工程概況

現(xiàn)某大型礦山企業(yè)的一個礦井通過深度開掘的方式將生產(chǎn)能力從120萬t/a提升到250萬t/a，主要的開拓方式包括豎井、斜井和斜坡道。由于上部巖層的破斷，東部不再向下掘進，西部則進行深度擴展。此背景下，受自然風壓的影響，深度復雜通風系統(tǒng)難以進入新鮮風流，工作面污風難以及時排除，給深度開采工作帶來極大挑戰(zhàn)。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查和測定，礦井的通風網(wǎng)絡比較復雜，深度的中段、斜坡、豎井十分多，工作面分布比較分散，單靠原有通風系統(tǒng)難以輸出足夠風量，更無法有效地進行風流調(diào)控；井下運輸設備、固定設施占用了風機安裝的最佳位置，甚至部分區(qū)域難以進行風流調(diào)控；主通風機裝置的進風量不夠，容易受到自然風壓影響，損失率比較高。為此，需要針對礦井的實際進行制定可行性通風網(wǎng)絡方案，實現(xiàn)礦井內(nèi)部進出風的良性循環(huán)。

3 礦井通風網(wǎng)絡設計方案

根據(jù)現(xiàn)有的通風網(wǎng)絡，對礦井深度開掘部分進行設計?？紤]到通風網(wǎng)絡的變化和通風系統(tǒng)的成本，決定在原有通風網(wǎng)絡上進行改進，增加接入節(jié)點，適應通道的掘進變化。通風網(wǎng)絡設計將全面衡量礦井的科學性和承載力，確保既不浪費資源，又能夠滿足各工作面的需求。

將礦井的結構進行簡化，通風網(wǎng)絡如圖1所示。鑒于現(xiàn)有的通風系統(tǒng)難以滿足整個礦井的通風需求，對通風網(wǎng)絡進行改進。首先，在西回風井、副井的聯(lián)絡道上分別安裝風門，讓副井、西回風井形成獨立的通風回路，滿足這一部分的風量需求；然后，在200m中段為主箕斗井聯(lián)絡道提供風機，用于補充西風井的回風作用；最后，在東回風井添加風機，滿足這一區(qū)域的風量需求和調(diào)配。除此之外，考慮到自然風壓、溫度、大氣壓的因素，在主要的交叉口布置多功能空氣幕和風門，加強對分流的調(diào)控水平，防止出現(xiàn)新鮮空氣段路和污氣循環(huán)。

圖1 礦井通風網(wǎng)絡示意圖

這一方案充分考慮了通風總量、通風管理和工程耗費。一方面不必再挖掘斜井進行連通。另一方面通過風機、風門和空氣幕將復雜的區(qū)域劃分為多井、多層的相對獨立通風結構。在后期的動態(tài)管理模型中，可以較為獨立的控制各個層次的通風狀態(tài)。這為礦井工作面的向前推進提供了良好的安全保障。

4 動態(tài)管理模型監(jiān)測技術

4.1 通風系統(tǒng)的相關參數(shù)

通風系統(tǒng)內(nèi)的各項參數(shù)是動態(tài)模型創(chuàng)建的基本要素，關系到解算的速度和精準度。礦井的實際結構更加復雜、工作面數(shù)量較多，需要深入其中進行全面測定。通風系統(tǒng)的參數(shù)主要分為5大類：通風機參數(shù)、構筑物參數(shù)、網(wǎng)絡參數(shù)、工作面參數(shù)、環(huán)境參數(shù)。這些參數(shù)的具體內(nèi)容見表1。根據(jù)這些參數(shù)不僅可以計算出各部分的風量、風壓，還能夠在動態(tài)管理模型中對方案的效果進行預判。

表1 通風系統(tǒng)的相關參數(shù)列表

4.2 回路風量解算方法

回路風量法是目前進行風網(wǎng)解算的主流方法，具有容易實現(xiàn)、收斂速度快的優(yōu)點。鑒于本礦井的網(wǎng)絡復雜，回路比較多，容易出現(xiàn)誤判或回路復雜化。因此，優(yōu)化BFS生成樹，實現(xiàn)雙通路法解算，提高解算的效率和精準度，其算法過程如圖2所示。

圖2 最優(yōu)回路BFS算法圖

從圖2可知，找到通風網(wǎng)絡的一個初始節(jié)點，沿著初始節(jié)點進行層次劃分和排列。首先，從判斷初始節(jié)點的關聯(lián)分支數(shù)，為分支排列順序、設定等級；然后，在以各個分支為起點，再進行層次劃分和排序，為第二層分支設定順序和等級；最后，每個分支都劃分到最終的節(jié)點，整個訪問結束。在進行回路解算的過程會按照不同的層次和等級設定對應的權重，進而實現(xiàn)精準地風量、風壓模型分析。

4.3 動態(tài)管理模型創(chuàng)建和可視化

在設計好通風網(wǎng)絡方案、測定好各項參數(shù)、確定好解算方法后，將這些內(nèi)容封裝到一起形成較為獨立的結構，在計算機的快速解算下成為動態(tài)管理模型，用于對礦井通風情況進行實時監(jiān)測。

首先，基于SQL Server建立動態(tài)管理模型的數(shù)據(jù)庫，將包括節(jié)點、風路、風機相關參數(shù)在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)輸入其中；然后，借助優(yōu)化BFS生成樹，對各個節(jié)點的風量進行解算。在動態(tài)管理模型的創(chuàng)建和設計中，將軟件解算的模擬值與測定的實際值進行比對。如果二者的誤差大于10%便會發(fā)出預報，若不大于10%便會根據(jù)多次測定的數(shù)據(jù)，進行解算參數(shù)的調(diào)整，動態(tài)管理模型的處理流程如圖3所示。

圖3 動態(tài)管理模型的處理流程

在此動態(tài)管理模型中，通過設定判斷誤差范圍來調(diào)節(jié)解算參數(shù)，使軟件的解算能夠得到增強。操作員可選擇不修改參數(shù)，對礦井的風量、風阻和工況進行多次判斷驗證后，再進行修改。這一監(jiān)測技術能夠通過改變參數(shù)來適應礦井的通道變化，可通過改變解算參數(shù)來適應礦井的個例規(guī)律，也能夠發(fā)現(xiàn)不同氣候條件下，自然風壓對深部開采部分的影響作用。總之，此系統(tǒng)減少了人員對通風系統(tǒng)的盲目判斷，能夠及時有效地反應礦井通風變化。

5 動態(tài)管理模型的應用分析

動態(tài)管理模型以通風網(wǎng)絡的節(jié)點為主要監(jiān)測點，對整個通風網(wǎng)絡進行持續(xù)監(jiān)測。按照通風系統(tǒng)的方案設計，將風門、風機和空氣幕進行對應布置。斜井和豎井與主聯(lián)通道路相關聯(lián)，故而將各段的斜井、豎井按照層次、等級進行風量分配，在交叉口的風機上安裝對應數(shù)量的通風機，確保具有風量穩(wěn)定。在此礦區(qū)進行了通風系統(tǒng)的布設，將動態(tài)管理模型的數(shù)值與實際測定值進行了比對，對比見表2。

表2 動態(tài)管理模型模擬值與實際測定值對比表

此通風系統(tǒng)在礦山進行布設后，對現(xiàn)場的主要節(jié)點進行了測定，以便評價動態(tài)管理模型的準確性。通過表2所列的數(shù)據(jù)可以看出，通風網(wǎng)絡的布設滿足了主要聯(lián)絡道的風量需求，能夠持續(xù)性滿足風量需求。從通風網(wǎng)咯節(jié)點實測值與動態(tài)管理模型模擬值看，二者的變化趨勢和結果比較吻合，動態(tài)管理模型能夠正確模擬出各個節(jié)點的風量變化。經(jīng)過一段時間持續(xù)觀測，加強了空氣幕調(diào)控風流的作用，調(diào)整了供風器的位置，進一步阻止了小范圍的污風串聯(lián)問題，減弱了自然風壓對通風系統(tǒng)的影響，大大提高了通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6 結論

本文以礦井深部通風系統(tǒng)改造為研究對象，在200m深度的聯(lián)絡道、交叉口布置了風機、空氣幕、風門，使深部通風系統(tǒng)形成相對獨立的子循環(huán)系統(tǒng)，滿足了深部風量的需求。為了加強對風流的調(diào)控，避免污風串聯(lián)，減小自然風壓對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，在實踐中調(diào)整了供風器的角度，進一步增強了通風系統(tǒng)的穩(wěn)定。此研究得到了以下3點結論：

(1)以節(jié)點、風路、通道、風機等多項參數(shù)為支撐的動態(tài)管理模型能夠對整個通風網(wǎng)絡主節(jié)點的風量、風壓等進行持續(xù)、穩(wěn)定、有效的監(jiān)測，能夠為開掘工作提供良好的外部環(huán)境。

(2)復雜多變的深部通風系統(tǒng)可采用分層、分等級的方式進行風量分配和布置，加大深部通風的管理力度，減小小范圍的污風串聯(lián)和自然風壓影響。同時，修改參數(shù)的管理設計，不僅能夠靈活應對網(wǎng)絡需求，還能夠適應通風網(wǎng)絡變化。

(3)復雜網(wǎng)絡回路通風法的解算可通過優(yōu)化的BFS生成樹對各處的風量進行解算，加快解算速度和精度，降低解算失敗的概率。