运用矿井通风信息管理系统对衰老矿井通风系统进行优化

◎寇晓明

煤矿井下因通风系统所引起的危害事故的发生及发展称之为“因风致灾”；同时，良好的通风系统又为治理这些灾害提供了最基本、最常用和最有效的手段，这称为“以风治灾”。晓南矿随着矿井生产不断延伸、规模不断的扩大，通风系统日趋复杂，目前晓南矿井有两个回风井（东风井、中央风井）、两个进风井（主井、副井），现中央风井主要服务于北一、北二采区；东风井负责南翼采区、东一采区的通风任务。中央回风井负担回风量相对较大，东风井存在风量富余，整矿通风动力与阻力分配不均匀。晓南矿需要对当前的矿井通风系统阻力分布和主要通风机性能进行分析，并全面掌握矿井通风压能参数分布和主要通风机性能状况，使之能更好的协调矿井安全生产和开拓，确保矿井通风系统的最优化及安全稳定可靠运行。利用晓南矿矿井通风仿真系统的压能分析，进行相应的通风系统优化。

晓南矿现已进入衰老矿井行列，随着矿井生产不断延伸、规模不断的扩大，通风系统日趋复杂，当前矿井有两个回风井（东风井、中央风井），进风井（主井、副井）。

因此，晓南矿需要对矿井目前的通风系统阻力分布及各主要通风机性能进行分析，全面掌握矿井通风压能参数分布及各主要通风机性能状况，使之更好的协调矿井安全生产与开拓，确保矿井通风系统的最优化及安全稳定可靠运行。

矿井通风系统优化，一是实现日常通风管理、进行各种通风系统方案模拟，如通风系统优化工程方案、矿井扩能改造建设方案，以风定产技术保障等；二是实时压能分析，压能变化是反映瓦斯涌出规律的一个重要参数，利用晓南矿仿真系统的压能分析，进行相应的通风系统优化。确保煤矿安全、可持续生产，创造更好的经济和社会效益。

一、研究的主要内容及目标

1.主要研究内容。

通过晓南矿通风系统普查和通风阻力测试，完善现有的晓南矿矿井通风管理信息系统，对晓南矿生产衔接计划与当前的通风系统现状进行分析，保障中央风井通风系统以及东风井通风系统的稳定可靠运行。项目具体内容如下：

（1）对矿井通风系统进行普查。

（2）对通风系统的基础参数进行测定。

（3）对通风系统分析，确保通风机能够稳定、合理、可靠运行。

（4）研究通风系统分析和优化方案实际应用情况：并对通风系统进行全面分析：对通风系统各区段阻力分布进行全面分析；合理改造通风系统阻力分布情况，并为降低通风阻力提供依据；对有效风量和通风构筑物的漏风情况等进行分析，用以提高有效的风量率。最终实现通风系统调整后稳定、可靠运行。

2.研究目标。

（1）通风网络解算工程化研究，包括拓扑关系自动建立与管理问题、迭代计算的初值问题、风机特性曲线导致的假收敛、无向图网络解算算法等主要问题研究与应用；

（2）中央风井负担的北一、北二采区，东风井负担的南翼、东一采区各区段阻力分布分析。掌握矿井各主要巷道风流变化情况，找出系统存在问题并提出合理的解决方案。

（3）对当前通风系统进行研究并预测分析，提出合理有效的解决方案。

二、技术路线

1.对矿井通风系统全部巷道进行普查。普查内容应该包括：矿井通风系统图、矿井通风网路图、全矿采掘位置、全部通风构筑物；主要巷道还应包括：名称、支护形式、断面大小、周长范围、始末点标高及长度，需风量和风机参数等。

2.提出的改造方案应该有准确可靠的技术参数，所以应先对现有矿井通风系统进行通风阻力测定；然后对矿井地面和井下巷道的气压、温度及湿度进行测试；对矿井通风系统阻力测试和构筑物的性能参数测试。

3.应建立矿井通风管理信息系统，并将普查和测试到的数据录入矿井通风网仿真图里，依照矿井通风测阻时的状态，对矿井通风系统进行全面的仿真调试，实现仿真系统和测阻时的矿井通风状态参数相一致。

4.根据晓南矿的实际需要，对通风系统优化调整方案进行科学有效的仿真模拟。通过对比，从理论上提出可行的改造方案。

三、通风阻力测试

1.矿井通风系统现状。

晓南矿井分为两个水平开采，一水平标高是-385m；二水平标高是-522m。现一水平已经回采结束，二水平现有北一采区、北二采区和南翼采区。

晓南矿的采掘工作面布置现状如下：

中央风井通风系统：采煤工作面有2 个分别为N1-1506工作面和N2-1401 工作面；掘进工作面有2 个分别为N2-1401 轨道顺槽和N2-1403 运输顺槽。

东风井通风系统：拆除工作面1 个为SE1402 工作面；掘进工作面有2 个分别为E1-401 运顺和E1-401 回顺。

晓南矿通风方法是抽出式，通风方式为中央并列与单翼对角混合式。由副井和主井进风，中央风井与东风井回风。中央风井负责北一采区、北二采区回风，东风井负责南翼采区、东一采区回风。矿井、采区及工作面都具备独立完善的通风系统。采区为分区通风，各采区都设有专用回风巷并且贯通整个采区。

四、矿井通风阻力测定测点布置

1.通风阻力测定测点布置图。

图1 晓南矿通风阻力测定测点布置图

图2 晓南矿通风阻力测定测点布置图

五、矿井通风管理信息系统

矿井通风管理信息系统服务器、客户端、以及管理终端建立连接后即可实现通风系统的实时传输、在线查询、在线管理等功能。

1.网络拓扑关系的自动建立。

在已有的国内外网络解算算法中，都需要人工建立网络拓扑关系，即要对网络的分支、始节点、末节点进行编号处理，形成网络解算数据表。运用通风信息管理系统，网络拓扑关系自动生成技术无需对网络进行编号，只要有连通图，即可自动生成网络拓扑关系。与以往的矿井通风仿真软件相比，建立矿井通风仿真系统省时省力，效略高，实现简单。

2.基于最小调节功耗的矿井通风网络优化调。

通常采用的回路法在余支上调节，无法保证其调节位置不在最大阻力路线上，可能在最大阻力路线的分支上设调节，这就导致了解算后矿井通风阻力增大，各调节设施（风门、风窗）的调节阻力增大，无用功耗增加，造成通风能量浪费。运用通风信息管理系统，采用通路法调节，在各分支都满足用风量要求的前提下，求出矿井通风网络的所有通路，采用增阻法调节时，以最大阻力路线的通路阳力为基准，在其他通路的分支上，可选择分支增加阻力调节，能保证整个通风网络的调解量为最小。

六、晓南矿通风系统优化方案

1.矿井通风系统现状。

晓南矿目前整个南翼、东翼（东风井负担部分）生产任务减少，中央回风井风机主要服务于北一、北二采区的通风任务。而主要生产集中在北一、北二采区（中央回风井负担部分）。需要在生产任务作业不均衡的条件下，进行全矿井通风系统调整，通过新掘专用回风巷，调整东风井负担区域，缓解中央回风井通风压力，提高矿井整体通风能力。调整后系统保证北一采区、北二采区不低于现有配风量。

2.通风系统调整方案。

（1）方案1：东风井负担北一采区。

新掘北一15 层回风中巷至二水平南翼皮带大巷专用回风巷，长度1415m，净断面不小于15m2；新设二水平北翼集中回风上山东侧风门或者密闭进行通风系统调整。

具体位置与仿真结果如图3 所示。

图3 新施工一条北一专用回风巷仿真图

方案模拟结果

主要风井、大巷风量变化如表1 所示。

注：增加量为负值表示是减少。

模拟结果：在目前通风系统进行施工专用回风巷，同等条件下该方案东风井总风量增加1521m3/min，负压增加1633Pa，能够满足风量北一采区风量要求；中央风井风量降低2209m3/min，负压增加39Pa，中央风井总阻力基本保持不变；各工作面用风量没有影响。具体用风点风量见仿真系统。

该方案技术上可行，主要问题：东风井总阻力3070Pa，不满足《煤矿井工开采通风技术条件AQ1028-2006》最大阻力不超过2500Pa 的规定。如果实施该方案，优先考虑东风井回风大巷拉底降阻，满足其最大阻力小于2500Pa 的规定。

（2）方案2：东风井负担北二采区。

新掘北翼回风辅助道巷至二水平南翼皮带大巷专用回风巷，长度1284m，净断面不小于15m2；拆除北翼回风辅助道东侧风门；新建专用回风道西侧与北二回风上山两处风门或者密闭进行通风系统调整。

图4 新施工北二专回仿真图

方案模拟结果

主要风井、大巷风量变化如表2 所示。

注：增加量为负值表示是减少。

模拟结果：进行分区通风后，同等条件下该方案东风井总回风量增加1521m3/min，通风负压增加1733Pa；中央风井总回风量降低2209m3/min，通风负压增加33Pa，中央风井总风阻力趋于基本保持不变的状况。二水平南翼回风大巷风量增加1996m3/min 对北一采区没有影响，对各工作面风量影响不大。其他巷道风量见仿真系统。

该方案技术上可行，其中主要的问题包括：东风井总回风阻力3170Pa，不能满足《煤矿井工开采通风技术条件AQ1028-2006》最大阻力不超过2500Pa 的规定。如果实施该方案，优先考虑东风井回风大巷拉底降阻，满足其最大阻力小于2500Pa 的规定。

3.通风系统调整方案结果分析。

东风井负担北一采区、东风井负担北二采区两种通风系统调整方案，两种方案技术上均可行，两种方案比较结果相差不大，具体结合地质施工条件进行确定，各方案及可行性分析如表3 所示。

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七、主要研究成果与结论

1.进行矿井通风参数测试，对测试数据进行分析，为通风系统优化与设计等提供了可靠的基础数据。

2.完备了晓南矿通风管理信息系统，借助晓南矿通风管理信息系统对矿井通风系统各区段进行阻力分布、有效风量、通风构筑物压差和通风机联合运转等参数分析。

3.针对晓南矿生产任务作业不均衡的条件下，进行全矿井通风系统调整论证，通过新掘专用回风巷，达到通风网络与多风井通风动力合理匹配，缓解中央回风井通风系统风量紧张等问题，提高矿井整体通风能力。