寧玉淼

(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)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(shù)的發(fā)展使得越來(lái)越多的大型企業(yè)進(jìn)行深度開采，以便獲取足夠的礦產(chǎn)原料。但是，原礦井通風(fēng)系統(tǒng)難以滿足深度開采的需求，新通風(fēng)系統(tǒng)面臨著風(fēng)流短路、風(fēng)量不足、調(diào)控效率低等多種問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，相關(guān)專家和學(xué)者進(jìn)行了研究。黃俊歆、鐘德云等從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)算的角度為通風(fēng)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(fēng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案、通風(fēng)回路角度對(duì)礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化[3]；何敏、吳兵借助現(xiàn)有的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)軟件對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了三維仿真，以便進(jìn)行更加精準(zhǔn)地管理[4-5]；周志揚(yáng)等對(duì)擴(kuò)改鐵礦的通風(fēng)系統(tǒng)的方案進(jìn)行對(duì)比分析，提升了原系統(tǒng)的通風(fēng)效果[6]?；谇叭说难芯浚疚膶⑼L(fēng)節(jié)點(diǎn)、風(fēng)路、巷道、風(fēng)機(jī)等封裝到一起，形成動(dòng)態(tài)管理模型，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)值與通風(fēng)軟件的解算值進(jìn)行比較，當(dāng)差異較大時(shí)，進(jìn)行及時(shí)預(yù)報(bào)，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(gè)礦井通過(guò)深度開掘的方式將生產(chǎn)能力從120萬(wàn)t/a提升到250萬(wàn)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(jìn)，西部則進(jìn)行深度擴(kuò)展。此背景下，受自然風(fēng)壓的影響，深度復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)難以進(jìn)入新鮮風(fēng)流，工作面污風(fēng)難以及時(shí)排除，給深度開采工作帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)定，礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)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(fēng)系統(tǒng)難以輸出足夠風(fēng)量，更無(wú)法有效地進(jìn)行風(fēng)流調(diào)控；井下運(yùn)輸設(shè)備、固定設(shè)施占用了風(fēng)機(jī)安裝的最佳位置，甚至部分區(qū)域難以進(jìn)行風(fēng)流調(diào)控；主通風(fēng)機(jī)裝置的進(jìn)風(fēng)量不夠，容易受到自然風(fēng)壓影響，損失率比較高。為此，需要針對(duì)礦井的實(shí)際進(jìn)行制定可行性通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)方案，實(shí)現(xiàn)礦井內(nèi)部進(jìn)出風(fēng)的良性循環(huán)。

3 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)現(xiàn)有的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)礦井深度開掘部分進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的變化和通風(fēng)系統(tǒng)的成本，決定在原有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行改進(jìn)，增加接入節(jié)點(diǎn)，適應(yīng)通道的掘進(jìn)變化。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)將全面衡量礦井的科學(xué)性和承載力，確保既不浪費(fèi)資源，又能夠滿足各工作面的需求。

將礦井的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。鑒于現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)難以滿足整個(gè)礦井的通風(fēng)需求，對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)。首先，在西回風(fēng)井、副井的聯(lián)絡(luò)道上分別安裝風(fēng)門，讓副井、西回風(fēng)井形成獨(dú)立的通風(fēng)回路，滿足這一部分的風(fēng)量需求；然后，在200m中段為主箕斗井聯(lián)絡(luò)道提供風(fēng)機(jī)，用于補(bǔ)充西風(fēng)井的回風(fēng)作用；最后，在東回風(fēng)井添加風(fēng)機(jī)，滿足這一區(qū)域的風(fēng)量需求和調(diào)配。除此之外，考慮到自然風(fēng)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(fēng)門，加強(qiáng)對(duì)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(fēng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

這一方案充分考慮了通風(fēng)總量、通風(fēng)管理和工程耗費(fèi)。一方面不必再挖掘斜井進(jìn)行連通。另一方面通過(guò)風(fēng)機(jī)、風(fēng)門和空氣幕將復(fù)雜的區(qū)域劃分為多井、多層的相對(duì)獨(dú)立通風(fēng)結(jié)構(gòu)。在后期的動(dòng)態(tài)管理模型中，可以較為獨(dú)立的控制各個(gè)層次的通風(fēng)狀態(tài)。這為礦井工作面的向前推進(jìn)提供了良好的安全保障。

4 動(dòng)態(tài)管理模型監(jiān)測(cè)技術(shù)

4.1 通風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)是動(dòng)態(tài)模型創(chuàng)建的基本要素，關(guān)系到解算的速度和精準(zhǔn)度。礦井的實(shí)際結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、工作面數(shù)量較多，需要深入其中進(jìn)行全面測(cè)定。通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)主要分為5大類：通風(fēng)機(jī)參數(shù)、構(gòu)筑物參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)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(jì)算出各部分的風(fēng)量、風(fēng)壓，還能夠在動(dòng)態(tài)管理模型中對(duì)方案的效果進(jìn)行預(yù)判。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)列表

4.2 回路風(fēng)量解算方法

回路風(fēng)量法是目前進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算的主流方法，具有容易實(shí)現(xiàn)、收斂速度快的優(yōu)點(diǎn)。鑒于本礦井的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，回路比較多，容易出現(xiàn)誤判或回路復(fù)雜化。因此，優(yōu)化BFS生成樹，實(shí)現(xiàn)雙通路法解算，提高解算的效率和精準(zhǔn)度，其算法過(guò)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(fēng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)初始節(jié)點(diǎn)，沿著初始節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分和排列。首先，從判斷初始節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)分支數(shù)，為分支排列順序、設(shè)定等級(jí)；然后，在以各個(gè)分支為起點(diǎn)，再進(jìn)行層次劃分和排序，為第二層分支設(shè)定順序和等級(jí)；最后，每個(gè)分支都劃分到最終的節(jié)點(diǎn)，整個(gè)訪問(wèn)結(jié)束。在進(jìn)行回路解算的過(guò)程會(huì)按照不同的層次和等級(jí)設(shè)定對(duì)應(yīng)的權(quán)重，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地風(fēng)量、風(fēng)壓模型分析。

4.3 動(dòng)態(tài)管理模型創(chuàng)建和可視化

在設(shè)計(jì)好通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)方案、測(cè)定好各項(xiàng)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(dú)立的結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)的快速解算下成為動(dòng)態(tài)管理模型，用于對(duì)礦井通風(fēng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

首先，基于SQL Server建立動(dòng)態(tài)管理模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，將包括節(jié)點(diǎn)、風(fēng)路、風(fēng)機(jī)相關(guān)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(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)量進(jìn)行解算。在動(dòng)態(tài)管理模型的創(chuàng)建和設(shè)計(jì)中，將軟件解算的模擬值與測(cè)定的實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)。如果二者的誤差大于10%便會(huì)發(fā)出預(yù)報(bào)，若不大于10%便會(huì)根據(jù)多次測(cè)定的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解算參數(shù)的調(diào)整，動(dòng)態(tài)管理模型的處理流程如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)管理模型的處理流程

在此動(dòng)態(tài)管理模型中，通過(guò)設(shè)定判斷誤差范圍來(lái)調(diào)節(jié)解算參數(shù)，使軟件的解算能夠得到增強(qiáng)。操作員可選擇不修改參數(shù)，對(duì)礦井的風(fēng)量、風(fēng)阻和工況進(jìn)行多次判斷驗(yàn)證后，再進(jìn)行修改。這一監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠通過(guò)改變參數(shù)來(lái)適應(yīng)礦井的通道變化，可通過(guò)改變解算參數(shù)來(lái)適應(yīng)礦井的個(gè)例規(guī)律，也能夠發(fā)現(xiàn)不同氣候條件下，自然風(fēng)壓對(duì)深部開采部分的影響作用?？傊讼到y(tǒng)減少了人員對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的盲目判斷，能夠及時(shí)有效地反應(yīng)礦井通風(fēng)變化。

5 動(dòng)態(tài)管理模型的應(yīng)用分析

動(dòng)態(tài)管理模型以通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)為主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。按照通風(fēng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，將風(fēng)門、風(fēng)機(jī)和空氣幕進(jìn)行對(duì)應(yīng)布置。斜井和豎井與主聯(lián)通道路相關(guān)聯(lián)，故而將各段的斜井、豎井按照層次、等級(jí)進(jìn)行風(fēng)量分配，在交叉口的風(fēng)機(jī)上安裝對(duì)應(yīng)數(shù)量的通風(fēng)機(jī)，確保具有風(fēng)量穩(wěn)定。在此礦區(qū)進(jìn)行了通風(fēng)系統(tǒng)的布設(shè)，將動(dòng)態(tài)管理模型的數(shù)值與實(shí)際測(cè)定值進(jìn)行了比對(duì)，對(duì)比見表2。

表2 動(dòng)態(tài)管理模型模擬值與實(shí)際測(cè)定值對(duì)比表

此通風(fēng)系統(tǒng)在礦山進(jìn)行布設(shè)后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的主要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)定，以便評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)管理模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)表2所列的數(shù)據(jù)可以看出，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)滿足了主要聯(lián)絡(luò)道的風(fēng)量需求，能夠持續(xù)性滿足風(fēng)量需求。從通風(fēng)網(wǎng)咯節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與動(dòng)態(tài)管理模型模擬值看，二者的變化趨勢(shì)和結(jié)果比較吻合，動(dòng)態(tài)管理模型能夠正確模擬出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)量變化。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間持續(xù)觀測(cè)，加強(qiáng)了空氣幕調(diào)控風(fēng)流的作用，調(diào)整了供風(fēng)器的位置，進(jìn)一步阻止了小范圍的污風(fēng)串聯(lián)問(wèn)題，減弱了自然風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響，大大提高了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

本文以礦井深部通風(fēng)系統(tǒng)改造為研究對(duì)象，在200m深度的聯(lián)絡(luò)道、交叉口布置了風(fēng)機(jī)、空氣幕、風(fēng)門，使深部通風(fēng)系統(tǒng)形成相對(duì)獨(dú)立的子循環(huán)系統(tǒng)，滿足了深部風(fēng)量的需求。為了加強(qiáng)對(duì)風(fēng)流的調(diào)控，避免污風(fēng)串聯(lián)，減小自然風(fēng)壓對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，在實(shí)踐中調(diào)整了供風(fēng)器的角度，進(jìn)一步增強(qiáng)了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。此研究得到了以下3點(diǎn)結(jié)論：

(1)以節(jié)點(diǎn)、風(fēng)路、通道、風(fēng)機(jī)等多項(xiàng)參數(shù)為支撐的動(dòng)態(tài)管理模型能夠?qū)φ麄€(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)的風(fēng)量、風(fēng)壓等進(jìn)行持續(xù)、穩(wěn)定、有效的監(jiān)測(cè)，能夠?yàn)殚_掘工作提供良好的外部環(huán)境。

(2)復(fù)雜多變的深部通風(fēng)系統(tǒng)可采用分層、分等級(jí)的方式進(jìn)行風(fēng)量分配和布置，加大深部通風(fēng)的管理力度，減小小范圍的污風(fēng)串聯(lián)和自然風(fēng)壓影響。同時(shí)，修改參數(shù)的管理設(shè)計(jì)，不僅能夠靈活應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求，還能夠適應(yīng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)變化。

(3)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)回路通風(fēng)法的解算可通過(guò)優(yōu)化的BFS生成樹對(duì)各處的風(fēng)量進(jìn)行解算，加快解算速度和精度，降低解算失敗的概率。