花草滩煤矿通风系统仿真与通风阻力解算

郗海龙，李勤生，王国栋，周 锋，牛文波，高 伦，郑 帅，陈志兴，贾瑞敏，隋磊，王懿轩

（1.张掖市宏能煤业有限公司，甘肃 张掖 734100；2.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000；3.陕西黄河矿业（集团）有限责任公司，陕西 韩城 715400；4.银川科技学院，宁夏 银川 750011；5.包钢集团公司有限公司，内蒙古 包头 014080；6.冀中能源集团有限公司，河北 邢台 054001）

0 引言

数字计算技术用于矿井通风网络分析始于1953 年。20 世纪60 年代末，在世界范围内，计算机广泛地应用于矿井通风系统的设计和分析。到目前为止，已有大量有关矿井通风的软件，用于解决地下开采中出现的不同问题。国外最具代表性的是波兰科学院的WENTGRA 系统，它配合POZAR 系统很好地实现了火灾时期风流状态仿真；国内一些学者进行了大量的研究。为全面分析矿井通风系统现状，指导矿井通风系统进行优化调整，解决矿井通风系统问题，花草滩煤矿开展通风系统仿真与优化研究工作，为矿井通风系统的可靠性、有效性、经济性以及安全性提供理论基础。

花草滩煤矿矿井采用中央并列式通风方式，通风方法为抽出式，副井进风，主井回风。随着煤矿开采深度的增加，矿井通风系统管理逐渐不便，借助计算机进行智能化管理是行之有效的一种方法。井下工作内容特殊，传统方法进行矿井通风网络分析时给矿山工作者带来了很大的不便，效率低下。基于此，有必要开展矿井通风系统诊断与优化策略研究。矿井信息可视化展示为矿井通风网络提供了便利，利用可视化仿真平台进行矿井通风网络的建模及通风网络的解算，提高煤矿的管理水平，实现动态展示和管理的一体化，为现在及将来的通风需求优化提供了数据支持，保证通风系统与生产能力相适应。

1 矿井通风参数测试

根据矿井需要，对花草滩煤矿通风系统阻力测试，以获得通风系统基础参数，为系统优化提供准确、可靠的数据。

在阻力测试过程中，为了方便对测试数据进行查询、辨别和处理，对众多测点统一命名。测点标识以英文字母“F（巷道断面）”或“V（风门）”+“数字”+“-”+“数字”的形式表示，第一个数字表示测试天数，“-”+“数字”表示当天的测点数。花草滩煤矿通风系统测试的测点布置如图1所示。

图1 花草滩煤矿通风系统测试的测点布置Fig.1 Arrangement of measuring points for ventilation system test in Huacaotan Coal Mine

部分测试数据见表1 和表2。

表1 巷道断面风量记录数据Table 1 Air volume record data of roadway section

表2 风门测试数据Table 2 Test data of air door

2 矿井通风云仿真系统（HCT-CloudSS）开发

2.1 矿井通风云仿真系统构建

花草滩煤矿通风仿真文件的创建采用了直接绘制的方式，仿真系统局部放大图如图2 所示，仿真系统如图3 所示。

图2 花草滩煤矿通风仿真系统局部放大图Fig.2 Local magnification diagram of ventilation simulation system in Huacaotan Coal Mine

图3 花草滩煤矿通风仿真系统Fig.3 Ventilation simulation system of Huacaotan Coal Mine

利用系统本身的功能进行如下检查，并在仿真系统软件下对其进行相关编辑，确保仿真图的完整性。

（1）图的连通性检查。检查仿真图形的连通性等于1 时，说明该仿真图形为一个连通图。

（2）进、回风井检查。若进、回风井的个数或者风流方向与矿井通风系统不一致，必须进行修改，方法是改变风流方向，直到与实际情况一致。

（3）单向回路检查。若矿井仅作风流分配或者按需调节这项检查是不必要的，但分析通风系统的角联结构时，这项检查是必要的。

（4）风流方向检查。除了进、回风井的风流方向必须与矿井实际情况一致外，其它巷道的风流方向可以不必检查。

2.2 矿井通风阻力系数云反演

通过人工测风法测试了花草滩煤矿29 个主要地点巷道的风量，见表3。通过智能算法，利用测试得到的观测点数据，对全矿井的通风阻力系数进行反演计算，并不断调整计算精度，最终得到花草滩煤矿每条巷道分支的阻力系数和全矿的阻力分布情况。

表3 花草滩煤矿通风系统观测点风量Table 3 Air volume of observation points of ventilation system in Huacaotan Coal Mine

3 矿井通风系统仿真

通过数据融合技术，利用JL-Cloud 通风阻力系数智能反演算法，反演出了花草滩煤矿巷道通风阻力系数。使用花草滩煤矿矿井通风云仿真系统（HCT-CloudSS），利用反演出来的巷道通风阻力系数，对花草滩煤矿矿井通风系统进行通风网络解算，解算的结果见表4，矿井通风网络如图4 所示。

表4 通风网路解算Table 4 Ventilation network solution

图4 花草滩煤矿通风网络图Fig.4 Ventilation network diagram of Huacaotan Coal Mine

4 花草滩煤矿通风系统分析

4.1 矿井总风量、风网功耗和等积孔

利用花草滩煤矿通风仿真系统对矿井的通风难易程度、阻力分布等进行分析，网络解算条件概况见表5，总的分支总数达到148 条，地面运转主要通风机1 台，井下局部通风机6 处。

表5 网络解算条件Table 5 Network solution conditions

矿井总排风量为155.46 m3/s，见表6。根据矿井的等积孔计算结果，回风主井为通风容易风井，满足“煤矿井工开采通风技术条件AQ 1028-2006”的相关规定。

表6 矿井总风量、风网功耗和等积孔Table 6 Mine total air volume,air network power consumption and equal-area holes

4.2 通风系统分析

通过回风主井的最大阻力为2146.77 Pa，最大阻力路线如图5 所示，具体为副井井口—副井—井底车场—+1550 轨道石门—轨道暗斜井通路—轨道暗斜井—1109 运顺车场—1109 运输顺槽—1109 综采工作面—1109 回风顺槽—1109 回风联络道—回风暗斜井—+1610 风道—回风石门—主井。

图5 矿井最大阻力路线Fig.5 Maximum resistance route of mine

为了反映回风主井最大阻力路线上各节点的压能分布情况，绘制了回风主井最大阻力路线压能分布图，如图6 所示。

图6 矿井最大阻力路线压能分布Fig.6 Pressure energy distribution of maximum resistance route in mine

根据最大阻力路线图，通风系统内的进风区、用风区、回风区的阻力统计见表7。根据最大阻力路线图以及参考风井的等级孔计算结果，结合矿井总阻力和总风量考虑，东风井属于通风容易风井，进风区段阻力为27.31%，用风区段的阻力为7.90%，回风区段阻力为64.79%，不太合理。

表7 矿井通风阻力三区分布情况Table 7 Distribution of three zones of mine ventilation resistance

5 困难时期矿井通风系统仿真分析及优化

5.1 巷道布置及需风量

花草滩煤矿五采区最困难时期的通风系统，采掘布置为1 采（5101 采煤工作面）1 备（5102备采工作面）5 掘（5103 运输顺槽、5103 回风顺槽、5104 运输顺槽、5104 回风顺槽和5105 运输顺槽）。掘进工作面均采用2×37 kW 局部通风机供风，最长通风距离为2 400 m，单台局扇吸风量为640 m3/min，5101 采煤工作面采用U 型通风方式，5101 工作面运输顺槽进风、回风顺槽回风，工作面计划风量为980 m3/min，5102 备采工作面风量按5101 工作面的1/2 配置为490 m3/min，掘进工作面需风量为4 200 m3/min（增加5 台局扇前的过路风1 000 m3/min）；采煤工作面和备采工作面需风量为1 500 m3/min；其他硐室需风量为1 500 m3/min；其他用风地点需风量为1 500 m3/min；按照1.15 的风量富余系数计算，困难时期矿井总风量为10 005 m3/min。

5.2 通风系统仿真

在建立的花草滩煤矿通风系统现状仿真模型的基础上，建立花草滩煤矿困难时期通风系统仿真模型，如图7 所示，并根据风量分配要求，完善仿真模型巷道参数录入。

图7 花草滩煤矿困难时期矿井通风仿真模型Fig.7 Mine ventilation simulation model of Huacaotan Coal Mine in difficult period

5.3 通风阻力计算

通过花草滩煤矿困难时期矿井通风仿真系统，按照现有主体巷道，未进行降阻优化，计算最大阻力路线上各巷道通风阻力见表8。

表8 花草滩煤矿困难时期矿井各巷道通风阻力仿真计算统计Table 8 Ventilation resistance simulation calculation statistics of each roadway in Huacaotan Coal Mine during difficult period

分析表8 可知，花草滩煤矿困难时期矿井最大阻力路线上各巷道通风阻力之和，即通风总阻力为6 620.27 Pa，总风量为166.75 m3/min。矿井风网功耗和等积孔计算结果见表9。

表9 困难时期矿井总风量、风网功耗和等积孔Table 9 Mine total air volume,air network power consumption and equalizing hole in difficult period

由表9 可知，矿井通风困难时期由于通风路线长，矿井总阻力较大。现场测试时发现回风暗斜井（1108 运、回顺段）顶板及两帮受压力影响，巷道变形严重，断面过小。仿真结果显示该段巷道通风阻力系数R 达到了0.084 037。若将该段巷道进行修整，可将该段巷道通风阻力系数R 降到0.006 左右，困难时期该段巷道通风阻力可由原来的1 765.66 Pa 降到378.23 Pa，矿井困难时期通风总阻力可下降至5232.84 Pa，即使对回风暗斜井（1108 运、回顺段）进行降阻优化，花草滩煤矿困难时期矿井总阻力仍不符合矿井通风阻力的要求。

6 结语

通过模拟仿真软件的开发，实现对花草滩矿井通风系统现状的模拟分析，方便通风系统的管理，对未来矿井改造优化提供了理论指导。