基于Ventsim对平煤四矿后期通风改造方案优化分析

徐明伟，张 驎，张 勇，汤 舟

(1.华北科技学院，北京 东燕郊 101601;2国家安全生产监督管理总局，北京 100731)

基于Ventsim对平煤四矿后期通风改造方案优化分析

徐明伟1，张 驎2，张 勇1，汤 舟1

(1.华北科技学院，北京 东燕郊 101601;2国家安全生产监督管理总局，北京 100731)

随着平煤四矿三水平采区开拓向下部进行，戊煤采区继续北部延伸。原有的通风系统不合理性显现。在测定平煤四矿全矿井通风阻力的基础上，利用Ventsim建立的平煤四矿全矿井三维可视化模型，对四矿后期的开拓提出的方案进行逐一分析，对其通风阻力变化、通风安全管理可行性分析、经济合理性论证。最终根据分析结果选择最优方案作为四矿后期改造方案，这对于节约成本，提高矿山安全管理，准确定量通风核算，加快矿山数字化建设具有重要意义。

Ventsim；三维建模；风阻测定；通风优化

0 引言

平煤四矿1955年开工建设，1958年8月投产，是新中国成立后最早的一批矿井之一。平煤四矿由于开采强度不断增加，矿井向深部开采的速度加快，瓦斯涌出量普遍增大，地温升高，矿井通风系统变得越来越复杂。四矿生产正由二水平向三水平过渡，形成了多进风井、多回风井、多水平的复杂通风系统，由于多进风井和多回风井通风系统的不完全独立性，使得通风网络不可避免存在一些角联分支，风流稳定性受到较大程度的影响[1]。随着开拓的进行，一味延长通风路线势必会造成巨大的能量浪费。矿井通风阻力分布不尽合理，存在高阻力回风段，多风井多风机联合运转的相互影响较大，给矿井日常通风调节管理、矿井灾害的预防和控制带来很大的困难，对矿井通风系统安全可靠性造成较大的威胁。另外随着煤炭形势的低迷，煤炭经济遭遇困难，这给下一步开拓方案经济可行性分析带来严苛的挑战。本文在收集平煤四矿通风参数的基础上利用ventsim软件，建立全矿井通风三维可视化模型，模拟所提出的改造方案，对后期矿井改造提供依据。

1 通风阻力的测定

结合矿井的生产布局和通风系统现状，选择4条风流路线长、风量大，且包含采区或工作面，能反映矿井通风系统特征的路线做为主要测定路线，其他做为辅助测定路线。煤矿开采方法及技术对煤矿的安全生产、生产成本、经济效益具有十分重要的作用[7-10]。采用精密气压计逐点测定法测定巷道分支处大气压力，在各测点测定风流压力的同时应测量巷道的风速、断面尺寸、气象条件等。如此依次测定全部的测点，待测点气压计回到井口时再重新校对仪器读数，以检查仪器的误差，至此测定完毕[2-4]。则两测点间的通风阻力为：

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

(1)

式中：hs—静压差；hz—位压差；hv—速压差。

表1 主要线路通风阻力分布

根据本次通风测定结果分析：一水平风井戊组采区通风系统通风总线路较长，通风阻力较大，约为3797.5Pa，矿井回风系统中尤其突出通风阻力1993.3Pa，占总阻力的52.5%，除三水平风井丁九采区通风系统回风段通风阻力占总阻力比例较小外，其它系统回风段阻力均超过40%。根据实测数据显示，平煤四矿通风系统不合理极凸显。因此，对四矿进行通风优化改造是必要的。

2 建立全矿井Ventsim模型

Ventsim可以风流动态模拟、对各种关键数据进行着色，结果直观，可非常方便的对风流、压力、通风成本和其他通风相关的主要数据进行建模。与其他软件相比在可视化程度，计算精度以及计算速度方面具有优越性，与同等通风网络结算软件对比具有优越性，如图1。

(1) 理论分析

软件采用Hardy-Cross迭代法求解通风网络[5]，在本质上是依据风量平衡定律、风压平衡定律、风阻定律和通风系统属性数据的基础上建立的系统模型。根据通风网络中各个分支巷道的初始风量，近似求出各个风路的风量增值ΔQk(修正值)，对风路中各分支巷道的风量分别进行修正，再迭代计算，直到修正值ΔQk满足给定精度。

对节点为m、分支为n的通风网路，可选定N=n-m+1个余树枝和独立回路。以余树枝风量为变量，树枝风量可用余树枝风量来表示。根据风压平衡定律，每一个独立回路对应一个方程，这样建立起一个由N个变量和N个方程组成的方程组，求解该方程组的根即可求出0个余树枝的风量，然后求出树枝的风量[6]。

1 与同类通风优化软件相比柱状图

简化后得出回路风量修正值的一般数学表达式为：

(2)

H通——独立回路中的通风机风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之为正值。

H自——独立回路中的自然风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之为正值。

按公式(2)分别求出各回路的风量修正值，由此对各回路中的分支风量进行修正，求得风量的近似真实值，即

(3)

根据实测数据建立三维可视化模型，根据实测值输入个巷道风阻，并且根四矿实际情况添加风机。

(2) 矿井通风可视化模拟误差分析

矿井通风系统可视化自动解算优化系统模拟解算出的结果是否与实际矿井一致，是矿井智能优化的前提和关键，只有与矿井实际情况尽量一致，模拟后提出的矿井优化方案才具有可行性，所以必须对系统模拟解算结果进行验证。针对四矿井下风量数据，课题实际风量和模拟风量进行了对比，见下表。

表2 通风现状部分巷道风量数据对照表

续表

从模拟结果可以得出：当矿井通风系统稳定运行时，主要巷道的模拟风量与实测风量的偏差率都在10%以内，符合要求。故该三维模型可以作为四矿模型进行模拟。

3 优化方案的提出与分析优化分析

3.1 课题组人员与四矿技术人员提出三套优化方案，并分别进行模拟

方案一：庚一采区开采，二水平风井只承担庚一采区回风任务。

为使庚一采区形成工作面后，工作面风量达到要求，且调整己三采区与三水平采通风角联区域，使用二水平风井单独为庚煤回风。此时调整原己三东专回为进风巷，密闭原己三西专回，己1617—23120工作面改为三水平回风井回风。原己三采区回风任务由三水平回风井承担。

方案二：开采庚一采区，增加庚一采区专用回风巷道使庚一采区回风至三水平，停转二风井风机，使其变为进风井。

图2 庚煤回风

方案三：戊九下延掘回风巷与丁九总回风巷相连，二水平回风井独立承担己三采区的排风任务，关闭丁九采区和庚一采区

随着丁九采区结束，停用一水平回风井，戊九采区继续下延，考虑到未来开拓情况以及缩短丁九采区的回风路线，提前将戊九下延与丁九下延回风巷道打通。二水平回风井单独给己三采区供风，增加了己三采区通风的独立性，增强了矿井抗风险能力。

用ventsim模型模拟个巷道风量风压情况。

表3 各方案主要巷道的风量

图3 新增戊组总回

风压(Pa)北风井一水平风井二水平回风井三水平回风井方案一2096.7/2922.24353.15方案二/3678.8/4278.3方案三//26844375.2

表5 各风机运行情况模拟结果

经过模拟计算分析方案一己三皮带出现风速超标，方案二二水平进风井出现风速超标。三方案风速在规定范围内，并且全矿能降阻力400Pa。通过风压对比分析，可判断出方案三在降低通风阻力方面有较强优势。结合平煤四矿目前开采情况和矿区远景规划，丁九采区未来数月结束后，封闭丁组供风巷道以及丁九回风巷道。避免其漏风造成的不必要的能量浪费。此时停止运行一水平回风井，使其作为进风井继续承担戊九采区部分供风任务。

庚组煤属于高硫，易燃并且庚组煤瓦斯含量高，属于突出煤层。考虑到目前煤炭形势以及开采成本。故建议关闭庚组煤，需要调节的巷道为：庚一运输石门打密闭墙，并且封闭庚组总回巷道。

己三采区下部车场通风较为复杂，做好己三下部车场的通风管理工作。己三岩石东专回下部打密闭，使己三采区风流向上由己三岩石东专回最终进入二水平回风井。

随着戊九采区的才开以及下延开拓继续，戊九采区回风线路过长，通风阻力过大。提前让戊九下延与丁九总回贯通，能搞大大降低通风效率。综合因素考虑，推荐平煤四矿参考方案三。

4 结论

(1) 在矿井开拓规划中，结合ventsim模拟结果，可以有效对方案中的通风情况预测，直观显示工程量。对方案的评判提供较高可信度的依据，节约成本。

(2) 模拟改造后方案，能够成三维可视化形式显示。并且个巷道风量，风速清晰地显示。回风井风机性能也能直观显示出来，极大地方便了改造方案优选的工作量。

(3) 根据模拟结果显示，选择的方案符合矿井的通风安全管理，经济指标合理，工程量较小，符合矿井远景规划，并且已被企业采用。

[1] 骆贞江，杨成林，等.Ventsim软件在矿井通风中的应用[J].有色冶金设计与研究，2009(3):7-9.

[2] 柳明明.Ventsim三维通风仿真系统在金属矿山的应用[J].金属矿山，2010(10):120-122.

[3] 李孜军，陈艳丽，等.基于Ventsim 的矿井通风风阻参数优化[J].金属矿山，2014(3):136-140.

[4] 王大尉.基于Ventsim 软件的矿井通风系统优化[J].煤矿开采，2011(5):25-26.

[5] 张柬，张希巍，等.基于Ventsim软件矿山通风系统设计的优化[J].有色矿冶，2013(6):7-9.

[6] 王超群.基于Ventsim系统的老矿山通风系统改造研究———以铜兴矿业为例[J].有色金属(矿山部分)，2013(1):87-89.

[7] 毕文广，朱方平，等.基于Ventsim 系统的煤矿三维通风仿真技术[J].煤矿安全，2011(2):31-33.

[8] 徐向宇， 侯振海，等.基于Ventsim 系统的煤矿通风系统改造研究[J].煤炭技术，2015(9):216-218.

[9] 刘召胜，张华，周育，等.基于Ventsim 张庄铁矿通风系统的模拟[J].现代矿业，2015(11):169-172.

[10] 张盼佳.平煤十三矿矿井通风系统优化研究[D].内蒙古：内蒙古科技大学，2014.

[11] 朱敏.王坪矿通风系统优化改造研究[D].辽宁：辽宁工程技术大学，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

中央高校基本科研业务基金资助项目(3142014116)

徐明伟(1990-)，男，河南舞阳人，华北科技学院在读硕士研究生，从事矿山安全方面研究。E-mail：476593817@qq.com

TD724

A

1672-7169(2016)03-0024-06