基于3DSimOpt2.0 的六家煤矿通风系统优化研究

刘志华 王中举

（1、辽宁工程技术大学，辽宁 葫芦岛125105 2、平煤集团六家煤矿，内蒙古 赤峰024000）

矿井通风的最终目标是保证井下各个用风区域有足够多的新鲜空气进入，并排出有毒有害气体、粉尘等，保证井下有适宜的气候条件及良好的工作环境，同时良好的通风也能提高矿井的防灾、抗灾能力。要始终高度重视井下通风工作的开展，以确保矿井安全生产。因此，矿井通风是矿井安全生产中最基础、也是最重要的组成部分。

六家煤矿自1997 年成立投产以来，随着矿井向深远方向开拓发展、生产重心转移及矿井巷道频繁改造，造成进风量增加和通风阻力增大，影响了矿井的安全高效生产。只是单纯改变主通风机的工作特性是无法合理解决通风问题的，对于复杂、庞大的通风网络只靠人工进行优化，显然是繁琐的、不可行的，也缺乏科学性。有鉴于此，有必要使用三维通风仿真系统针对六家煤矿通风问题开展理论研究与实践，从而改善通风系统、提高有效风量率，降低矿井通风阻力、提高矿井的综合效益，同时也为矿井即将进行的东一采区改造，设计合理的通风方案。

1 矿井通风系统参数的测定

一般有两种通风阻力测定[1]的方法，分别为气压计法[2]和倾斜压差计法[3]。气压计法通常是使用通风多参数检测仪进行测量，优点是携带方便、适合井下各种环境、地形测量，测量、读取、记录数据简单容易。倾斜压差计法测量工序繁琐，所用时间较长，同时也需要多人合作进行测量，对环境、地形有较高要求。但在测量精度、准确性方面倾斜压差计法高于气压计法。

根据气压计法与倾斜压差计法测定通风阻力的特点，六家煤矿本次测定采用两种方法相结合的方式。六家煤矿井下测定的主要参数，包括绝对压力、温度、湿度、巷道断面积、风速、风量、饱和水等。

2 通风系统优化方案

2.1 3DSimOpt2.0 三维通风仿真系统

图1 三维仿真系统实现结构图

3DSimOpt2.0 系统是通过测定的风网基础数据、利用数学模型，利用矿井通风系统图和制图软件，同时根据井下实际情况构建矿井主要井筒、巷道、通风机、通风构筑物位置，设置风向等，进行通风系统解算。3DSimOpt2.0 三维通风仿真系统原理如图1所示，具有通风网络解算、三维仿真、数据可视化管理等功能，可实现矿井通风系统优化方案的设计及通风效果模拟，为矿井通风系统优化提供重要参考。

2.2 建立六家矿井三维通风仿真系统

首先，在了解了六家煤矿井下的通风动力、通风网络、通风构筑物等信息之后，以井下风网测定参数为基础，同时参考既有文献中使用的方法，建立六家煤矿的通风系统数据库。

其次，创建六家矿三维通风仿真系统模型。在矿井通风系统图的基础上，新建一个图层，按照六家煤矿井下巷道实际情况，用单线图重新绘制一遍通风系统，将绘制完毕的通风系统图另存为DXF 格式，打开3DSimOpt2.0 软件系统，找到DXF 格式文件，生成三维通风仿真系统模型。

表1 实测风量与解算风量的对比

表2 主要用风区模拟优化前、后风量对比

表3 主要用风区模拟优化前、后风量对比

最后，利用三维通风仿真系统进行六家矿井通风网络的模拟解算, 可得各用风地点的风量和通风阻力分布及主要通风机工况点相关参数,对比主要用风地点的实测风量和解算风量,如表1 所示，主要测定线路误差为5%以内时,可以认为测定的风网参数和井下实际情况相符, 能用于矿井通风系统优化方案的模拟。

2.3 六家矿井通风系统的仿真模拟及优化

为了使六家煤矿通风系统更加合理，本研究提出如下两种优化方案，并在3DSimOpt2.0 三维通风仿真系统中进行了模拟。

2.3.1 优化方案一

方案一是在不改变现有开拓系统的情况下，所进行的通风系统优化、模拟。

首先，在西二回风上山巷道+61 标高处设置通风构筑物，有效控制风流短路。

其次，西二采区实际测量的进风量为1497.18m3/min，按照煤矿矿井风量计算方法计算，1200m3/min 的进风量就可以完全满足整个西二采区的用风需求。所以直接减少西二采区的进风量，从而可间接减少矿井总的进风量，进行降耗优化。

具体做法为：在三维通风仿真系统中模拟该优化方案，将回风井的固定风量由原来的5218.2m3/ min 降到4858.2m3/ min；并且在新鲜空气进入西二回风上山前，设置风窗、等效风阻调制50 Pa，再次模拟解算。

最后，根据三维通风仿真系统模拟优化后各个巷道风量变化情况，对比矿井主要用风区优化前、后风量变化情况（见表2），可发现进入南二采区工作面和进入东一辅助运输巷、东一采区风量几乎没有变化，同时进入西二采区的风量，也完全满足西二采区风量需求，因此模拟优化后的通风系统既能满足煤矿井工开采通风技术条件的要求，又达到了合理、有效利用风量的优化目的。

2.3.2 优化方案二

根据矿井存在的主要问题及开拓计划，模拟改变矿井开拓系统，优化通风系统，据此提出优化方案二。

第一，南二采区开采完毕之后对南二采区实行封闭。共计封闭巷道长度约2500 米，打密闭8处，目的是降低矿井总的用风量和减少巷道日常维护工作量。封闭南二采区的同时，也解决了原来南二采区与西二采区共同使用一个回风巷的问题。

第二，在西二采区专用回风上山+71 标高处拉门，掘进新的巷道在西二回风上山+69 标高处贯通，形成西二采区新的通风系统。改造后的西二采区通风系统克服了西二回风+25 总排巷道附近弯路多、巷道长问题，同时封闭巷道+25总排。

第三，对西二采区、东一采区计算所需风量，按需通风，计算得东一采区工作面所需风量约为803 m3/min。

第四，调整矿井总的进风量，由5218.2m3/min降为4018.2 m3/min。

第五，模拟矿井改建、解算，对比优化前、后各主要用风区风量变化情况（见表3）。从表3 可以看出，模拟优化后的风量能满足井下各区用风需求，同时矿井通风阻力由原来的1211.97 Pa 降为964.34 Pa。从而得出模拟优化后的通风系统，即符合煤矿井工开采通风技术条件的要求，又达到了降阻、降耗的目标。

3 结论

3.1 通过对六家矿详细普查与风网参数的测定,分析通风系统存在问题,为矿井通风系统优化奠定了基础。

3.2 利用3DSimOpt2.0 三维通风仿真系统，真实、直观、立体地构建了六家通风系统的现状，通过系统功能，实现矿井通风系统多种优化方案的设计及效果模拟。该系统在六家矿的应用达到了预期效果, 为矿井现在及日后开采提出了两种通风优化方案及效果模拟。

3.3 针对六家矿通风系统研究表明，基于三维通风仿真系统优化后的通风系统，有效解决井下目前风网不合理之处、风机与风网不匹配、风流紊乱等问题，保障井下风流有序性、稳定性和经济型，能为今后的通风系统优化提供参考依据。

3.4 矿井通风系统并非一成不变的,要定期进行调查、测定、分析和评价, 对矿井通风系统出现的问题，要及时改进，以此确保矿井生产的安全性和经济性。