基于ventsim的矿井通风系统优化改造

李 阳

（霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限公司，山西 河津 043302）

矿井通风系统是保障矿井安全生产的重要环节，负责将新鲜空气输入矿井下，增加氧气浓度，以稀释并排除矿井中有毒、有害气体和粉尘。矿井通风系统的设计与建造是一项动态复杂的系统工程，在对矿井通风系统优化改造时往往需要进行通风网络解算，使之满足风量、风压平衡定律。依靠传统手工解算难以完成解算任务。随着科学技术的不断发展，由澳大利亚Chasm公司开发的矿井通风模拟软件Ventsim实现了矿井三维通风系统设计、通风网络解算、风流动态模拟和优化，为矿井通风系统优化改造提供技术支持[1]。

1 矿井概况及通风系统存在的问题

1.1 矿井概况

薛虎沟矿位于河东煤田乡宁矿区王家岭村南3.1km，隶属霍州煤电集团晋南煤业。井田面积约53.6km²，设计生产能力0.80Mt/a，核定生产能力0.90Mt/a，采用斜井开拓，矿井生产水平划分为+1290m、+1150m和+910m三个水平，目前主要开采+1350m水平。由于该矿井为煤与瓦斯突出矿井，设计建造的通风系统为两翼对角式，采用机械抽出的通风方式。为了使通风系统满足煤与瓦斯突出矿井的需求，薛虎沟矿对采区巷道功能优化改造或新开掘巷道，提升了技术标准，对通风系统进行优化改造[2]。

矿井现有主井、副井和中央风井三个进风井，矿井总进风量为16365m3/min；

有北翼和南翼两个回风斜井，北翼回风井回风量为7306m3/min，南翼回风井回风量为8205m3/min，矿井的总有效回风量为15511m3/min；其中北翼回风井负压2300Pa，南翼回风井负压2600Pa，矿井风井平均通风等积孔为5.3m2。薛虎沟矿通风系统未改造时见图1。

图1 薛虎沟矿通风系统未改造图

1.2 矿井通风系统存在问题

经过矿井实际调查观测与分析，薛虎沟矿通风系统存在以下几方面问题：

（1）矿井现有通风线路过长达8350m，导致矿井总阻力偏大，巷道拐弯多增加了采区的通风阻力，由于两翼回风斜井负压平均值达2300Pa，通风负压超标，通风机通常在高负压环境下运行。

（2）矿井采掘工作面多，系统复杂。特别是南翼煤层露头剥挖，严重漏风，浅部煤层有自然发火倾向，对通风造成严重的安全隐患。经实测发现，西翼轨道大巷及回风大巷巷道断面并不是最优断面，实际有效断面偏小。

（3）矿井北风井现有的一台对旋轴流式通风机故障频出，运行不稳定，经实地测定，有效回风量为93.5m3/s，年产万吨耗风量仅为3.96m3/s，达不到技术标准。

2 通风系统优化改造方案

2.1 技改方案

薛虎沟矿作为煤与瓦斯突出矿井，通风系统优化改造时应秉持安全可靠、技术先进、经济合理的原则。缩短通风流程，扩大通风断面，减少通风阻力，增大通风能力，提高抗灾能力，对薛虎沟矿现有通风系统进行优化改造，改造内容包括：

（1）对矿井部分通风系统进行技改，封闭废旧无用巷道，各采区设置独立的专用回风巷道，实现各采掘工作面独立通风。

（2）对三水平进行延伸，将原有的+1280m运输大巷主要承担两翼回风作用；在北翼两个采区间增加一条上回风巷道，形成独立通风。

（3）由于矿井负压超标，为解决通风机在高负压环境下运行负荷大的问题，矿井南翼回风井可扩大通风断面来降低阻力；鉴于北翼风井井筒有漏风现象，应新设置一条回风井，达到通风要求。通过总结可得出，薛虎沟矿通风系统优化改造的关键是对北翼回风井的区位选择[3]。结合矿井实际情况，设计并提出两个通风系统优化改造方案：

方案一：充分利用现有北翼回风井场地设置新的北翼回风立井方案，井口标高+1568m，落平标高+1280m。并与+1280m集中回风大巷通过回风石门连接。方案一的系统优化改造图见图2。

图2 方案一矿井通风系统优化改造图

方案二：利用矿井北翼空地沿煤系地层底板在北翼采区间的上回风巷道设置新的北翼回风斜井方案，井口标高+1568m，落平标高为+910m，地面至+1150m标高井筒布置在18#煤层底板；+1150m至+910m标高布置在13#煤层底板。并与+1280m集中回风大巷通过回风石门相连。方案二的系统优化改造图见图3。

图3 方案二矿井通风系统优化改造图

2.2 应用Ventsim软件对矿井通风系统进行模拟

2.2.1 三维通风仿真系统的构建

针对薛虎沟矿三维通风仿真系统的构建可生成两种：在Ventsim软件系统的绘区域利用鼠标直接绘制；利用DXF文件保存类型直接转换成通风系统仿真图。薛虎沟矿通风系统仿真图使用AutoCAD制图软件进行绘制，具体步骤：先将CAD图形的文件保存类型调整为DXF文件格式；然后以各水平标高新建图层，再将各图层分别导入Ventsim三维通风仿真系统中，标好各水平的标高；为保障各节点巷道的联接需对各节点进行绑定；同时将矿井通风系统的技术数据进行录入，如摩擦阻力系数、电机功率、巷道断面积等；最后对矿井仿真系统进行模拟运行。

2.2.2 薛虎沟矿通风系统优化改造方案模拟比较

表1 薛虎沟矿通风系统优化改造方案模拟成果比较表

结合矿井实际综合分析比较，方案二为通风效果最优方案。主要具有如下优点：（1）经矿建部门测算方案二较方案一节约施工成本295万元，给优化改造工程施工带来方便，减少人力、物力成本，不影响矿井安全生产；（2）通过将回风斜井与北翼两个水平的上回风巷联合布置，提高矿井通风能力；（3）由于井筒位于地层底板，技改不受地表开挖和煤层突出的影响；（4）缩短矿井通风线路长度，降低矿井负压和通风阻力；（5）优化改造方案对主通风机的影响较小，节约通风成本[4]。

3 结语

针对薛虎沟矿瓦斯涌出量大和通风系统存在的问题，借助Ventsim三维通风仿真系统对矿井通风系统优化改造方案进行模拟，对两种通风系统优化改造方案进行分析比较，选定最优的改造方案。Ventsim系统在矿井通风系统优化改造设计、通风网络解算及优化、除尘降温、循环风预测、经济断面分析、以通风仿真为基础的通风决策上提供支持，帮助矿井进行科学的通风安全管理，合理节约通风成本。ventsim软件在实际应用中起到了指导作用，同时对矿井中长期的通风有了较为准确的预测。优化改造提升了薛虎沟矿通风能力，有效降低了矿井总通风阻力，同时节约能源，提高经济效益，提升矿山企业整体形象。