基于VentSim的斜沟煤矿15采区通风系统优化设计

贾星存

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033602)

近年来，成熟的矿井通风辅助决策型软件已经帮助不少矿井完成了优化改造[1,2]. 借助计算机强大的计算能力，再复杂的风网也能够快速完成解算任务[3,4]. 这使得人们能够在计算机上对通风系统调节方案进行“预演”，找到最优的优化方案[5,6]. 本文运用Ventsim三维通风仿真软件，对斜沟煤矿15采区进行了三维通风仿真模型的建立和优化调节方案的仿真设计.

1 工程背景

斜沟煤矿15采区通风由斜沟回风井负担，由副平硐、主带式输送机井进风，斜沟回风井同时给+700水平提供约1 000 m3/min 风量。15采区共有18503工作面和16502工作面两个生产工作面；有18505材料巷和18505带式输送机巷两个煤巷掘进生产工作面；其他用风地点有井下火药库、水仓水泵房、15采区变电所、15采区消防材料库。

优化前斜沟回风井主扇负压：1 600 Pa，风叶角度：-3°/-3°，排风量：8 460 m3/min，采区目前通风阻力分布合理，符合规程要求，但考虑到日后加大产量，需降低阻力，提高风量，以保障生产需求，需要对15采区通风系统进行优化改造。

2 通风网络解算理论及Ventsim介绍

2.1 通风网络解算理论

斯考得亨斯雷算法是通风网络解算的通用算法，经过大量实践验证，稳定高效，且能够获得高精度解[7-9]. 求解的基本方程有：

1) 质量守恒。

网络中流入和流出节点的质量守恒，网络m个节点，可建立m-1个方程。

(1)

式中：

bij—基本关联矩阵的元素；

qi—第i条分支的流量。

式(1)用矩阵表达为：

BQ=0

(2)

式中：

B—基本关联矩阵；

Q—分支流量列矩阵。

2) 能量守恒。

对于一条巷道，根据伯努利方程可得：

(3)

hi=ΔP+ΔD+ΔW=Rq2

(4)

对任一个稳态回路：

∑hi-hz-hf=0

(5)

对所有的回路，表示成矩阵形式为：

CH=0

(6)

风网有n条分支，m个节点，这样又得到n-m+1个方程。式中：C为基本回路矩阵；H为分支阻力列矩阵；R为巷道的风阻；hi、hz、hf分别为分支阻力、自然风压和机械风压。

根据质量守恒和能量守恒共n个方程n个未知量，可以联立这些方程求解。联立上述方程得到一组非线性方程组：

Fn(Qn)=0

(7)

因为是非线性方程组，用迭代法求解：

(8)

(9)

(10)

(11)

这样便得到了一次迭代修正后的风量值，经过反复迭代运算，ΔQ小到满足精度的要求，便可完成解算，此时的Q便是需要的解。

具体到通风网络解算中，斯考德亨斯雷解法是将J矩阵简化为主对角矩阵，见式(11)，以简化矩阵求逆操作，减少计算量，但同时其收敛效果受到影响，这种解法需要将解算的量进行适当排序方可有较好的收敛效果，但同时这种解法对初始值的要求放宽了。

2.2 Ventsim介绍

Ventsim三维通风仿真系统提供了一个用于分析风流模拟、热模拟、污染物模拟和通风经济性的集成工具箱。Ventsim能够模拟与记录生产矿井风流及风压，模拟新掘和废弃井巷后风网系统的变化，辅助进行短期和长期通风系统规划，辅助矿井通风系统进行风机选型，辅助进行矿井通风经济性分析，模拟烟雾、粉尘、有害气体扩散路径和浓度，辅助灾害和紧急情况处理预案制定，可对煤矿井下热源、湿源和冷源进行分析，支持深井空气压缩分析、主要风路经济断面选型、风网通风经济性和通风能力分析，通过在矿井中的不同情况，基于动态时间分析污染物、气体、柴油颗粒和热扩散、串联通风和循环风预测，可对井下柴油机排放颗粒物浓度进行模拟[10-11].

3 基于VentSim建模及优化分析

3.1 基于Ventsim的三维通风模型建立

1) 建立模型。通过在采掘工程平面图上的导线点标高，提取巷道中心线，导入到Ventsim中，通过转化成巷道功能将中心线转化成三维巷道模型。模型见图1.

图1 15采区三维通风系统模型图

2) 录入数据。双击三维巷道，在提供的属性对话框中录入巷道的名称、形状、断面尺寸等信息，特别是要录入阻力测定的巷道摩擦阻力系数，另外长度如果和Ventsim依据坐标计算的有较大差别，也应该录入。对于有调节设施的巷道，应尽量测得两段压差，如若不能，则可暂时设置为固定风量分支，录入漏风量即可。斜沟风机将代表风硐的巷道设置为风机分支，然后录入风机特性曲线。与其他采区连通的巷道，在负压变化不大的情况下，暂时设置为固定风量分支。15采区阻力测定部分数据见表1.

表1 15采区阻力测定部分结果汇总表

3) 模拟解算。数据录入完成后，进行试解算，然后将解算结果与实测风量进行对比，模拟数值与实测值的对比结果见表2.误差在5%以内，此模型可用于进一步优化方案仿真。

表2 实际风量与模拟风量对比表

3.2 优化调节方案

经过对15采区通风系统的分析，提出两种优化方案，并分别进行了模拟，均达到了理想的优化效果。

1) 优化方案一。

主要考虑供给6#煤层系统巷的风可以同时作为16502工作面进风，增加16502工作面进风的同时，减少系统总的通风阻力。

目前，供给6#煤层的风一部分供给16502工作面，一部分供给带式输送机和辅运下山，实际经过系统巷后的风可以再通往工作面。具体措施是从16502工作面进风巷道打一条短巷到集中回风下山延长段，工作面原来进风变成回风，新鲜风由6#煤带式输送机下山和辅运下山经材料巷到工作面。同时，去掉与材料巷连接的系统巷风窗，16502通风系统优化方案见图2.

综合分析发现系统巷耗费了大量新鲜风，应适当加固风门，调节风窗减少系统巷供风。方案一对15采区回风上山调节措施增大阻力；集中带式输送机下山延长段18605工作面进风后，风门进行加固。

优化前后15采区工作面风量变化对比见表3，另外工作面优化前斜沟风机风量8 473 m3/min，风压1 623.5 Pa；优化后风量8 635 m3/min，风压1 453.8 Pa.优化调节效果明显。

表3 方案一优化前后风量对比表

A—新掘巷道 B—加风墙(风门)封堵 C—拆除风窗 D—加风墙(风门)封堵图2 优化方案一示意图

2) 优化调节方案二。

由表2可知，15采区集中回风下山延长段风量为7 440 m3/min，风速为5.2 m/s，风量过于集中，增加了矿井通风阻力，增大了通风成本。方案二设计增加一条专用回风道，见图3. 图中A为新增加的15采区专用回风巷，设计断面为20 m2.

利用VentSim对方案进行模拟，其中新掘巷道摩擦阻力系数依据经验值，按照锚喷支护，普通爆破斜巷取0.010 7 Ns2/m8，优化前后用风地点风量对比见表4.

表4 方案二优化前后风量对比表

A—新掘巷道 B—加风墙(风门)封堵 C—加风墙(风门)封堵图3 优化方案二示意图

优化前斜沟风机风量8 473 m3/min，风压1 623.5 Pa；优化后风量8 622 m3/min，风压1 467 Pa.

4 结 论

利用Ventsim对斜沟煤矿15采区通风系统进行了优化模拟仿真，提出了两种通风系统优化方案，并进行了仿真实验。由仿真结果可知，两种方案在优化后系统总阻力均有所下降，分别是170 Pa、156 Pa，风量均有所增加，总风量均分别增加了162 m3/min、149 m3/min.两种方案优化效果相当，在实际改造中可根据经济性进行选择。