張景鋼，孫 鑫，金慶利，孔令振

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；3. 肥城礦業(yè)集團梁寶寺能源有限責(zé)任公司，山東 濟寧 272400)

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是關(guān)系到礦井生產(chǎn)系統(tǒng)可靠運行、職工生命安全的一個非常重要的子系統(tǒng)，同時通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運轉(zhuǎn)又是治理瓦斯、粉塵以及井下火災(zāi)等的一種有效途徑。礦井的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計與管理一直是礦井設(shè)計人員及現(xiàn)場管理人員關(guān)注的重點，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的核心及關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的手工解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，存在效率低、易出錯等缺點，特別是對于大型礦山的復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，靠手工是不可能完成的。近二三十年來，我國許多高校、科研院所對求解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)做了大量的工作[1,2]，取得了不少成果，但部分專業(yè)軟件仿真效果較差，而Ventsim是澳大利亞Chasm公司開發(fā)的一款優(yōu)秀的礦山通風(fēng)模擬軟件[3]，在國內(nèi)得到較廣泛的應(yīng)用。Ventsim 在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、三維通風(fēng)系統(tǒng)仿真等方面處于先進水平，可以實現(xiàn)礦井三維通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、風(fēng)流動態(tài)模擬和優(yōu)化，為通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整方案仿真和通風(fēng)管理提供決策支持。

1 工程背景及通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題

1.1 工程背景

梁寶寺能源有限公司，設(shè)計生產(chǎn)能力為120萬噸/年。礦井現(xiàn)在主開采三煤層。礦井開拓方式為立井開拓，開采方式是走向長壁后退式。一水平系統(tǒng)布置3個井筒，分別為一水平副井、一水平主井和一水平風(fēng)井；二平系統(tǒng)布置3個井筒，分別為二水平副井、二水平主井和二水平風(fēng)井；主井主要提升煤、輔助進風(fēng)，副井主要提升物料、人員和主要進風(fēng)，風(fēng)井專門回風(fēng)。梁寶寺煤礦為低瓦斯礦井，全礦井瓦斯相對涌出量為1.19 m3/t，絕對涌出量為6.77 m3/min，各煤層煤塵爆炸性試驗結(jié)果表明火焰長度0～700 mm，撲滅火焰的巖粉量為0～80%，各煤層均存在煤塵爆炸危險性，煤層煤塵爆炸指數(shù)為46.86%，煤層自燃發(fā)火期3～6個月，大于10%、有爆炸危險性?；旌鲜酵L(fēng)，通風(fēng)方法為抽出式。一水平系統(tǒng)主要由一水平副井、一水平主井進風(fēng)，一水平風(fēng)井回風(fēng)；二水平系統(tǒng)主要由二水平副井、二水平主井進風(fēng)，二水平風(fēng)井回風(fēng)； 二水平風(fēng)井地面安設(shè)兩臺主通風(fēng)機，型號均為FBCDZ-10-№36型軸流式通風(fēng)機，配用電機為2×710 kW，額定轉(zhuǎn)速為580 r/min。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題

經(jīng)過對礦井實際調(diào)查觀測與分析，梁寶寺煤礦通風(fēng)系統(tǒng)存在以下問題：

(1) 礦井中現(xiàn)有通風(fēng)路線過長，導(dǎo)致礦井總阻力偏大，巷道拐彎較多導(dǎo)致采掘工作面的供風(fēng)風(fēng)量不足。

(2) 梁寶寺煤礦采掘工作面較多，系統(tǒng)較復(fù)雜。特別是在東翼煤層露頭剝挖，嚴(yán)重漏風(fēng)。淺部煤層有自然發(fā)火傾向，對礦井的通風(fēng)存在嚴(yán)重的安全隱患。通過實測發(fā)現(xiàn)，東翼軌道大巷和回風(fēng)大巷巷道斷面并不是最優(yōu)斷面，實際的有效斷面積偏小。

2 應(yīng)用ventsim軟件對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行模擬

2.1 模型的建立

本次梁寶寺煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化是基于Ventsim軟件進行的，所以需要先在該軟件上建立梁寶寺煤礦的三維動態(tài)模型，具體方法如下：

(1) 利用CAD繪圖軟件在梁寶寺煤礦的采掘平面圖上繪制單行線，該單行線為多段線，其點的選擇為選擇采掘平面圖中的各巷道坐標(biāo)點，并將此單行線存為一個圖層單獨保存；

(2) 將此單行線導(dǎo)入到Ventsim軟件中轉(zhuǎn)化為實體巷道，此巷道部分已經(jīng)有了坐標(biāo)和三維立體感；

(3) 對照采掘平面圖對圖形進行修正，使巷道處于標(biāo)定的深度，根據(jù)梁寶寺的通風(fēng)系統(tǒng)圖添加各個通風(fēng)設(shè)施然后進行通風(fēng)模擬。

值得注意的是，主、副井以及回風(fēng)井應(yīng)設(shè)置為連接到地表，各獨頭巷應(yīng)設(shè)置為封閉末端。在提示完風(fēng)流模擬成功后，根據(jù)梁寶寺通風(fēng)阻力實測數(shù)據(jù)對各巷道進行面積、風(fēng)阻值的設(shè)定，得出梁寶寺通風(fēng)系統(tǒng)的解算結(jié)論。如果將優(yōu)化方案數(shù)據(jù)再次輸入進行模擬，還可以得到相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)解算及結(jié)果匯總

2.2.1 通風(fēng)系統(tǒng)解算

根據(jù)ventsim軟件對梁寶寺通風(fēng)系統(tǒng)的解算，得出的解算結(jié)果如下：

表1 梁寶寺礦井通風(fēng)系統(tǒng)解算表

圖1 Ventsim 3502采煤工作面圖

圖2 Ventsim巷道具體設(shè)置界面

圖3 回風(fēng)井主要通風(fēng)機性能曲線

2.2.2 解算結(jié)果匯總

根據(jù)Ventsim軟件的解算結(jié)果經(jīng)過處理對數(shù)據(jù)進行了匯總，包括梁寶寺3502采煤工作面和35001掘進工作面的布置點的個數(shù)，其進風(fēng)、用風(fēng)和回風(fēng)各自風(fēng)阻及總風(fēng)阻。

表2 梁寶寺煤礦3502采煤工作面阻力Ventsim解算匯總表

表3 梁寶寺煤礦35001掘進工作面阻力Ventsim解算匯總表

2.3 梁寶寺礦井通風(fēng)優(yōu)化方案及方案優(yōu)選

根據(jù)Ventsim軟件解算出來的數(shù)據(jù)以及分析的梁寶寺礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合梁寶寺煤礦實際情況，針對礦井回風(fēng)井通風(fēng)機的更換選型、采掘平面的供風(fēng)風(fēng)量不足以及回風(fēng)風(fēng)路通風(fēng)阻力過大的問題對梁寶寺礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化提出兩套解決方案以及局部通風(fēng)需要加強改進的建議。

2.3.1 梁寶寺通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案一

在保持整體以及通風(fēng)機不變的情況下，對東翼膠帶大巷以及東翼的回風(fēng)巷進行擴巷處理，增大其通風(fēng)斷面積，保持巷道中通風(fēng)設(shè)施不變以及巷道壁面不太粗糙的基礎(chǔ)上，增大通風(fēng)斷面積可以有效降低礦井的風(fēng)阻值。

東翼膠帶大巷連接3502采煤工作面，其線路較長，接近采煤工作面巷道較窄約為11.5 m2，隨著其回風(fēng)風(fēng)路通向回風(fēng)井，其面積隨之?dāng)U大，面積大處其斷面積約為13.5 m2，其平均斷面積約為12.3 m2；東翼回風(fēng)大巷連接35001掘進工作面，其斷面面積約為14 m2?，F(xiàn)保持原有設(shè)施不變，將東翼膠帶大巷巷道斷面積擴大為14 m2，其寬為大巷4.6 m，高為3.2 m的拱形，東翼回風(fēng)大巷巷道斷面面積擴大為16.875 m2，其寬為5 m，高為3.6 m的拱形。隨著巷道斷面面積的擴大，東翼回風(fēng)風(fēng)路相對應(yīng)其風(fēng)阻會降低。將數(shù)據(jù)輸入至Ventsim軟件進行處理解算。

表4 梁寶寺3502采煤工作面、35001掘進工作面測定線路阻力對比表一

由匯總圖表可見，其采掘工作面和采煤工作面的回風(fēng)風(fēng)阻和阻力都相應(yīng)減小了，且35001掘進工作面通風(fēng)風(fēng)量有了明顯提高：35001掘進工作面通風(fēng)風(fēng)量由19.1 m2增加到了24.1 m2。

圖4 方案一改進后梁寶寺通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)報告

表5 主排風(fēng)機工況點表一

2.3.2 梁寶寺通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案二

方案二是建立雙回風(fēng)井并聯(lián)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化。具體是：在東翼回風(fēng)大巷旁，靠近3502采煤工作面附近新設(shè)立一個回風(fēng)井，井長1036.3 m，井筒直徑4 m，通風(fēng)風(fēng)阻設(shè)定為0.00915 N/m8。在Ventsim軟件內(nèi)建立回風(fēng)井模型，新回風(fēng)井連接?xùn)|翼回風(fēng)大巷以及東翼膠帶大巷，這些巷道的回風(fēng)風(fēng)流都會有部分沿新回風(fēng)井排到地表，即新回風(fēng)井分擔(dān)了主回風(fēng)井的一部分風(fēng)量，從而通風(fēng)回路上的阻力可以大大減少。從長遠來看，對于計劃開采的3501煤層其回風(fēng)風(fēng)路可以大大縮短，對未來通風(fēng)系統(tǒng)有益處。

表6 梁寶寺3502采煤工作面、35001掘進工作面測定線路通風(fēng)阻力對比表二

由表7可知，方案二相對于方案一其回風(fēng)段的阻力有所降低，并且梁寶寺3502采煤工作面通風(fēng)風(fēng)量為23.5 m3/s，35001掘進工作面通風(fēng)風(fēng)量為20.0 m3/s，風(fēng)量均符合要求并達到規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，新增風(fēng)機曲線圖見圖5，新建回風(fēng)井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖6。

表7 主排風(fēng)機工況點二

圖5 新增風(fēng)機曲線圖

圖6 新建回風(fēng)井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.4 梁寶寺礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案優(yōu)選

方案一：工程量適中，從經(jīng)濟方面來看，方案一的耗費較少，耗時較短，并且從實際解算結(jié)果來看，方案一能夠有效減小巷道的風(fēng)阻及阻力，增大了35001掘進工作面和3502采煤工作面的通風(fēng)風(fēng)量，提升了系統(tǒng)的安全性。

方案二：工程量較大，耗時較久，并且因為要新增一個回風(fēng)井，就要新增兩臺軸流風(fēng)機，一臺工作一臺備用，所以從經(jīng)濟方面來說，方案二可能造成礦井效益方面的下滑。但是從解算數(shù)據(jù)來看，此方案能大大降低回風(fēng)風(fēng)路的風(fēng)阻和阻力值，提高通風(fēng)系統(tǒng)安全程度，并且從長遠角度來看，若后期開采3501煤層以及十采區(qū)，此方案能減少回風(fēng)風(fēng)路，降低風(fēng)阻及阻力值。

綜合來看，本次優(yōu)化方案優(yōu)選方案一，因為其在保證降低回路阻力，提高通風(fēng)系統(tǒng)安全程度的基礎(chǔ)上，保證梁寶寺煤礦的效益，此方案能達到本次優(yōu)化研究的目的，所以本次優(yōu)化優(yōu)選方案一，即為在保持整體以及通風(fēng)機不變的情況下，對東翼膠帶大巷以及東翼的回風(fēng)巷進行擴巷處理，增大其通風(fēng)斷面積。

3 結(jié)論

(1) 通過運用Ventsim系統(tǒng)對梁寶寺礦復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，實現(xiàn)Ventsim 系統(tǒng)功能的優(yōu)勢互補，不僅可以有效簡化礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和提高風(fēng)量利用率，保證通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且對其它類似礦山的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化也有一定的借鑒意義。

(2) 系統(tǒng)地分析了梁寶寺礦現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，并利用 Ventsim 軟件對擬定通風(fēng)方案進行模擬，對比分析出較優(yōu)方案，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化方案提供參考。

(3) 把 Ventsim 軟件應(yīng)用在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，不但可以快速地進行風(fēng)網(wǎng)解算、風(fēng)流按需分配、風(fēng)流動態(tài)模擬，也可以進行短期或長期通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)劃，對礦井設(shè)計人員及通風(fēng)管理人員發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)問題、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。