劉公權(quán)，曹旭升，邵良杉

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 系統(tǒng)工程研究所, 遼寧 葫蘆島 125105；2.潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

王莊煤礦地處山西省長(zhǎng)治市故縣，于1966年12月建成投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)多次技術(shù)改造，已經(jīng)成為一座特大型現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井，主采二疊系3號(hào)煤層，煤層均厚6.5 m，屬于高瓦斯礦井，礦井通風(fēng)方式為混合式，共有7個(gè)進(jìn)風(fēng)井，4個(gè)回風(fēng)井，經(jīng)過(guò)多年系統(tǒng)擴(kuò)建，原有通風(fēng)系統(tǒng)亟待進(jìn)一步優(yōu)化[1]。

1930年波蘭學(xué)者A. Sakustowicz提出用降阻法實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的方法，取得了不錯(cuò)的效果[2]；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，Scott等提出通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的迭代方法，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證[3]，自此，學(xué)者們開(kāi)始越來(lái)越多的利用計(jì)算機(jī)來(lái)簡(jiǎn)化通風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程，R Burton博士開(kāi)發(fā)了VUMA系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)平面與三維視圖下的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)繪制，但缺乏直觀性；2008年魏連江教授提出了基于GDI+GIS的礦井通風(fēng)可視化仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)各種圖形的自動(dòng)繪制過(guò)程，但在解算算法上，難以達(dá)到工程需求[4]。遼寧工程技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)的3DSimOpt2.0三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)，是在2014年開(kāi)發(fā)的1.0系統(tǒng)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多次升級(jí)而成的。在2018年，由中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)牽頭，組織相關(guān)專家鑒定，確定其已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，獲得國(guó)家軟件著作權(quán)[5]。本文在此基礎(chǔ)上，通過(guò)巷道中的對(duì)象和巷道構(gòu)筑物、節(jié)點(diǎn)、通風(fēng)動(dòng)力配套裝置以及風(fēng)流方向?qū)ο笾g關(guān)系，并根據(jù)無(wú)初值迭代法，通過(guò)無(wú)向圖的網(wǎng)絡(luò)解算算法，實(shí)現(xiàn)徹底的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算工程化，最終經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)精確運(yùn)算得到最優(yōu)調(diào)節(jié)方案，實(shí)施后增加了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

1 3DSimOpt2.0三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)介紹

針對(duì)復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)，在利用通路法進(jìn)行調(diào)節(jié)的前提下，提出利用通路法的節(jié)點(diǎn)壓能的驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)，可以大大加快調(diào)節(jié)速度，使得復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)能夠容易調(diào)節(jié)，利用通風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能仿真，實(shí)現(xiàn)反演巷道風(fēng)阻系數(shù)，并在建立煤礦的通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出礦井通風(fēng)的三維仿真系統(tǒng)。

軟件兼具三維可視化與立體示意圖以及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖同步顯示等多種功能，軟件系統(tǒng)能夠隨操作人員的指揮改變通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、巷道尺寸形狀、新掘巷道與通風(fēng)動(dòng)力(葉片的角度調(diào)節(jié)、頻率的改變、開(kāi)停風(fēng)機(jī)等操作)、通風(fēng)構(gòu)筑物的狀態(tài)(增加、拆除和開(kāi)啟)等，繼而以仿真運(yùn)算來(lái)達(dá)到通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)變化后新系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

1.1 仿真系統(tǒng)建立

圖1為王莊煤礦在3DSimOpt系統(tǒng)下的通風(fēng)系統(tǒng)圖(540水平部分系統(tǒng))。

圖1 王莊礦通風(fēng)系統(tǒng)示意(540水平部分系統(tǒng))

1.2 數(shù)據(jù)處理

測(cè)定中使用的儀表的精度會(huì)受測(cè)定技巧以及其他各種因素影響，難免會(huì)發(fā)生各種誤差。如果誤差在允許范圍以內(nèi)，則測(cè)定結(jié)果是可用的，為此，必須對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證后方可錄入。

數(shù)據(jù)錄入后，經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試，再對(duì)測(cè)試巷道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)跟仿真計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，得到整個(gè)礦井仿真結(jié)果，并進(jìn)行誤差分析，確定誤差在要求范圍內(nèi)，其目的在于所建立的仿真系統(tǒng)能夠真實(shí)反映實(shí)際工況。具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。根據(jù)王莊煤礦要求，測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)包含主要巷道的信息，由表中數(shù)據(jù)可以看出，主要巷道仿真計(jì)算所得數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差僅約在5%，再縱觀整個(gè)測(cè)試的巷道，僅有極少數(shù)的聯(lián)絡(luò)巷相對(duì)誤差較大，但絕對(duì)誤差很小，且相對(duì)誤差不大于5%的巷道包括了各主要大巷和采區(qū)，故可以認(rèn)為誤差分布在合理范圍內(nèi)，誤差符合要求。

表1 基準(zhǔn)井巷統(tǒng)計(jì)

表2 誤差分析

表3 誤差分布統(tǒng)計(jì)

2 王莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

2.1 通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)分析

在對(duì)王莊煤礦相關(guān)通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并進(jìn)一步優(yōu)化三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)后，再對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，以達(dá)到誤差能夠完全滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作需要，然后利用完善后的仿真系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并對(duì)提出的改進(jìn)方案進(jìn)行仿真模擬，分析+540風(fēng)井與北栗風(fēng)井通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)、通風(fēng)動(dòng)力與通風(fēng)阻力合理匹配、通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及可靠性。

為了掌握各主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況及性能，進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行分析，確保通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定、合理運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)節(jié)能的目的。通風(fēng)機(jī)滿足生產(chǎn)相應(yīng)的風(fēng)量要求，并留大約30%的富余量。

網(wǎng)絡(luò)解算條件的概況如表4所示，其總分支總數(shù)達(dá)到1 448條，地面運(yùn)轉(zhuǎn)主要通風(fēng)機(jī)4臺(tái)。

表4 網(wǎng)絡(luò)解算條件

礦井總排風(fēng)量1 006 m3/s，相關(guān)參數(shù)如表5所示，其中風(fēng)機(jī)所負(fù)擔(dān)風(fēng)量的統(tǒng)計(jì)如表6所示。依據(jù)礦井等積孔計(jì)算結(jié)果可以看出，各個(gè)回風(fēng)井均是通風(fēng)容易的風(fēng)井，并且滿足“煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件AQ1028-2006”中的相關(guān)要求。

表5 礦井總風(fēng)量、風(fēng)網(wǎng)功耗、總等積孔

表6 回風(fēng)井參數(shù)

西風(fēng)井風(fēng)機(jī)主要服務(wù)于52、61采區(qū)，62風(fēng)井負(fù)擔(dān)62采區(qū)的通風(fēng)任務(wù)，+540風(fēng)井負(fù)擔(dān)71采區(qū)的通風(fēng)任務(wù)，北栗回風(fēng)井負(fù)擔(dān)81采區(qū)、91采區(qū)通風(fēng)任務(wù)。仿真分析可知，通風(fēng)系統(tǒng)中存在著大量的阻力偏大巷道，主要原因是巷道較長(zhǎng)、風(fēng)量較大。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)可靠性分析

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性指井下的通風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中能夠維持正常工作參數(shù)的能力，用來(lái)確保井下具有足夠的新鮮風(fēng)量。礦井的通風(fēng)系統(tǒng)肩負(fù)井下安全生產(chǎn)的重要責(zé)任，其正常穩(wěn)定的工作具有十分重要的意義，隨著井下開(kāi)采深度的增加，井下地形的復(fù)雜變化，各種不確定突發(fā)情況伴隨產(chǎn)生，這些都會(huì)令井下通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性大打折扣，甚至可能造成整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)癱瘓，從而危及人身設(shè)備安全，故必須保證井下通風(fēng)系統(tǒng)的可靠。

2.2.1 通風(fēng)設(shè)施可靠性分析

王莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，風(fēng)門等井下通風(fēng)設(shè)施較多，共有277處，風(fēng)門壓差超過(guò)1 000 Pa的有7處，500～1 000 Pa的有61處，100～500 Pa的有73處，小于100 Pa的有136處。對(duì)于壓差大的風(fēng)門，要特別加強(qiáng)維護(hù)，使正、反向均處于良好狀態(tài)，保障通風(fēng)系統(tǒng)的可靠。

如風(fēng)門失效或非正常開(kāi)啟，將影響相關(guān)巷道的風(fēng)量、風(fēng)流方向，這將意味著礦井局部區(qū)域、整個(gè)采區(qū)、或整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)失效，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2.2.2 風(fēng)門失效仿真分析

風(fēng)門等通風(fēng)設(shè)施是井下通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，它們將井下的風(fēng)流進(jìn)行調(diào)控，以按照需求完成風(fēng)量分配，因而對(duì)通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行合理設(shè)置，不僅能增加安全性，而且也是通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)關(guān)鍵手段。運(yùn)行中風(fēng)門可能因各種因素而損壞，無(wú)法正常工作，這時(shí)將使風(fēng)量無(wú)法正常分配，對(duì)于開(kāi)采工作面等瓦斯粉塵濃度高的區(qū)域還將因風(fēng)量不足而造成爆炸危險(xiǎn)。以540回風(fēng)立井風(fēng)門為例，利用3DSimOpt2.0三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出風(fēng)門失效后相關(guān)巷道的風(fēng)量變化。

經(jīng)過(guò)風(fēng)門失效仿真，可以看出：

1) 540進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量增加175.8 m3/min；風(fēng)門失效后對(duì)北栗進(jìn)、回風(fēng)井，62進(jìn)、回風(fēng)井，西進(jìn)、回風(fēng)井風(fēng)量幾乎無(wú)影響。

2) 風(fēng)門失效后，對(duì)71、81采區(qū)風(fēng)量影響較大，對(duì)于其他采區(qū)(91等采區(qū))的風(fēng)量影響極小，可以忽略不計(jì)。

3) 71采區(qū)回風(fēng)大巷風(fēng)量變化率為12.59%，較風(fēng)門失效前風(fēng)量減少849.01 m3/min；71采區(qū)輔助運(yùn)輸大巷風(fēng)量變化率為12.25%，風(fēng)量減少493.8 m3/min；71采區(qū)膠帶運(yùn)輸大巷風(fēng)量變化率為12.59%，風(fēng)量減少378.6 m3/min；7105工作面風(fēng)量由2 256.6 m3/min減少到1 977 m3/min，風(fēng)量變化率達(dá)到12.37%；8102工作面風(fēng)量變化率為12.81%，風(fēng)量減少為1 782 m3/min；8103工作面風(fēng)量由原來(lái)的2 193.6 m3/min降到1 913.4 m3/min，風(fēng)量變化率為12.78%。

4) 540-2膠帶巷風(fēng)量變化率12.61%，風(fēng)量減少125.4 m3/min；中部車場(chǎng)風(fēng)量變化率13.77%，風(fēng)量減少23.4 m3/min。

5) 風(fēng)門失效后，工作面的風(fēng)量減少，用風(fēng)量難以滿足安全生產(chǎn)要求，有可能導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。

為防止類似情況發(fā)生，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定安設(shè)風(fēng)門等構(gòu)筑物，并加強(qiáng)日常管理與維護(hù)，從而保障通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，預(yù)防礦井災(zāi)害發(fā)生。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)仿真軟件優(yōu)化效果難以達(dá)到工程實(shí)際需求的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了3DSimOpt2.0三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)，對(duì)王莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)阻力與通風(fēng)動(dòng)力合理匹配，保障了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。