双主风机联合运转通风系统优化研究

摘 要：【目的】为解决平煤九矿双主风机联合运转通风系统在开采后期存在的丁组风机风量富裕、己组风机负担载荷过大的问题，需要对双主风机联合运转下的矿井通风系统进行优化。【方法】采用数值模拟的方法，构建平煤九矿中长时期的通风Ventsim三维可视化模型，提出相关优化方案，对不同方案从通风效果和技术经济等方面进行对比分析。【结果】研究结果表明，通过扩修己二东翼回风下山、己二回风下山和己组总回风等高阻力段巷道断面至16 m2，新建回风联巷沟通己二回风下山和丁组回风下山，调节丁组风机角度至-14°，使丁组风机担负己二东翼回风风量，己组风机担负己二西翼回风风量，有效降低了矿井的通风阻力，实现按需分配，满足各用风地点风量的要求，己组和丁组风机负担的风量和风压更加合理。【结论】优化方案有效解决了该矿井中存在的问题，提高了矿井通风系统的信息化管理水平。

关键词：矿井通风；双主风机；通风网络；仿真模拟

中图分类号：TD724" " 文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）11-0033-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.007

Optimization of Combined Operation Ventilation System of Double Main Fans

WU Yidan1 WANG Songmin2 SHI Xiukai2

（1.School of Safety Science and Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003， China;

2.Pingdingshan Tianan Coal Industry No.9 Mine Co.， Ltd.， Pingdingshan 467000， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problem that the air volume of the Ding-group fan is rich and the load of the Ji-group fan is too large in the late mining period of the combined operation ventilation system of the double main fan in Pingmei No.9 Mine， it is necessary to optimize the mine ventilation system under the combined operation of the double main fan.[Methods] By using the method of numerical simulation， the medium and long-term ventilation Ventsim three-dimensional visualization model of the ventilation of Pingmei No. 9 Coal Mine is constructed， and the relevant optimization schemes are put forward. The different schemes are compared and analyzed from the aspects of ventilation effect and technical economy.[Findings] According to the research results， by expanding the roadway section of the high resistance sections such as the Ji-2 return air downhill of the east wing， the Ji-2 return air of the group and the total return air downhill to 16 m2， and" by using the new return air joint roadway that is used to communicate the Ji-2 return air of the group and the total return air downhill， and reduce the angle of the Ding-group fan to-14°， the Ding-group fan is responsible for the Ji-2 return air downhill of the east wing， and the Ji-group fan is responsible for the Ji-2 return air downhill of the west wing， which effectively reduces the ventilation resistance of the mine， realizes the on-demand distribution， meets the requirements of the air volume of each wind site， and ensures that the air volume and air pressure borne by the fans are more reasonable.[Conclusions] The optimization scheme effectively solves the problems existing in the mine， and is convenient to improve the information management level of the mine ventilation system.

Keywords： mine ventilation; double main fan; ventilation network; analogue simulation

0 引言

矿井通风系统在煤矿安全生产中发挥着重要作用［1-2］。但随着矿井开采的不断深入，浅部煤炭资源逐渐枯竭，采掘布置形式不断交替变化，矿井通风网络发生了显著改变。因此，矿井通风系统需要不断调整，并及时合理地完善优化矿井通风系统，以保证矿井实现安全生产和可持续发展。

通风系统调整前的仿真模拟可以保证通风系统实施调整时高效、安全和顺利进行，国内外相关专家和学者在通风优化方面已经有了较多的研究成果，尤其是通风模拟软件Ventsim［3］方面，盛建红等［4］采用Ventsim模拟分析了区域单元、两翼对角混合式通风系统的应用效果及合理性；黄传宝等［5］基于Ventsim对浅部生产期和中深部开采期开展通风系统优化，确定采用矿区两翼对角抽出式和中段分单元通风方案；Liang 等［6］通过Ventsim软件对补连塔煤矿长壁采空区残煤自燃情况进行模拟，提出了隔离和增压方案对其进行缓解；程志楷等［7］利用Ventsim研究了赵固二矿的通风系统调整情况；辛嵩等［8］针对单翼通风系统存在的共性问题，运用Ventsim网络解算与动态模拟进行验证优化；陈国芳等［9］基于Ventsim模拟武山铜矿中段通风容易时期和困难时期的通风量，以解决工程存在的实际问题；卢辉等［10］通过设计不同的均压通风方案，利用Ventsim对南山煤矿孤岛工作面进行模拟，得到最优的设计方案；聂军等［11］基于Ventsim软件对高峰矿业公司三进两回通风系统优化方案进行了模拟分析；杨铁江等［12］利用Ventsim完成了玲南金矿矿井反风模型的建立和反风方案的设计；吴文博等［13］针对现存的问题，利用Ventsim对通风系统进行分析，通过实施改进方案，有效增加了通风系统风量；赵兴东等［14］利用Ventsim模拟分析了地下水封洞库各不同施工阶段通风方式。

平煤九矿通风系统是双主风机联合运转的复杂通风网络系统，主要开采丁组和己组煤层。为了分析预测双风机联合运转情况下的矿井通风系统状况，充分利用通风系统资源，在开展矿井通风阻力测定的基础上，利用Ventsim矿井通风模拟软件建立平煤九矿现状通风系统的三维巷道模型，确定了所建立的平煤九矿三维可视化模型与矿井实际运行的偏差，且解算模型的风量与矿井中实际风量之间的相对误差较小，都在5 %以内，准确度较高，可用于后续模拟研究。在此基础上再建立平煤九矿中长时期通风系统的三维巷道模型，研究分析该矿存在的问题，并结合实际情况提出优化方案，以预测通风系统调整方案的合理性和可行性，减小通风系统调整实施过程中存在的事故风险。

1 矿井概况

平煤九矿核定生产能力为90万t/a，矿井分为两个水平开采，一水平标高为-120 m，二水平标高为-390 m。矿井通风方法是抽出式，矿井开拓方式为斜、立井综合开拓，由主斜井、副立井、下料斜井、行人斜井进风，丁组、己组风井回风。实测矿井总进风量为9 304 m3/min，总回风量为9 319 m3/min，其中副立井进风6 116 m3/min，主斜井、下料斜井、行人斜井共进风3 188 m3/min，丁组回风立井回风4 352 m3/min，己组立井回风4 967 m3/min。己组、丁组风井各安装两台同等型号的风机，一台工作，一台备用，矿井各采区及工作面都具有完整、独立且合理的通风系统。

2 中长时期矿井通风系统情况

2.1 中长时期采掘布置及需风量

根据矿井采掘接替情况，矿井中长时期生产布置为2个采面、5个掘进面和8个硐室。即己16-17-22081采面、己15-22100采面、己15-22070风、机巷，己二西翼回风下山、己二下延轨道下山、己二下延皮带下山、-390变电所、-390火药库、-490瓦斯抽放泵站、-618变电所、-618己二采区避难硐室、-700变电所、-618充电硐室、己二下延轨道绞车房等，届时丁二采区回采结束封闭，矿井主要工作（用风）地点全部转入己组二水平，各地点需风量见表1。

根据矿井通风中长时期采掘部署绘制通风系统图及网络图，采掘布置如图1所示，中长时期通风网络如图2所示，构建此时期通风网络数据库。

2.2 通风系统存在的问题

根据中长时期各用风地点需风量固定风量进行网络解算发现，平煤九矿通风系统在中长时期存在以下问题：①现阶段风量基本能够满足各用风地点的需要，下一步生产重心转移到己组采区，下延工程开工，生产2面5头，满足此时期用风量时，由于己组煤层向深部开采，通风线路长，局部风阻大，导致系统总风阻较大，己组风机需要提供的负压非常高为8 383 Pa，需要提供的风量为7 608 m3/min，担负风量增加了2 641 m3/min，而现有的己组风机通风系统已无法满足该时期的通风需求。②从矿井中长时期生产部署计划来看，丁组二水平即将回采结束，矿井全部生产将集中到己组煤层，届时丁组风井将面临保留再利用或是关闭的问题。因此，亟须结合中长期矿井采掘规划对平煤九矿进行通风系统优化设计。

3 矿井通风系统的优化方案

3.1 优化方案的提出

目前，丁组煤层已近枯竭，根据矿井煤层储量赋存情况及中长时期生产计划，待丁组煤层回采结束后，丁组全部封闭，矿井主要工作（用风）地点全部转入己组二水平。届时，丁组风机风量富余、矿井风量全部集中于己组风机，己组风机风量不足。为优化双风机联合运转情况下的矿井通风系统，充分利用丁组通风系统资源，以缓解中长时期己组通风困难的问题，结合矿井发展规划，综合技术性、安全性和经济性三方面的因素，利用所建立的平煤九矿中长时期Ventsim三维可视化模型，制定了以下几种优化方案。

方案Ⅰ：由于己组系统阻力较高，故先对矿井高阻力巷道进行扩巷降阻，在满足硐室、掘进面、备采面、采面等用风地点用风需求的同时，结合附近巷道断面大小将巷道断面刷大至16 m2，具体如图3所示。

方案Ⅱ：在高阻力段刷巷基础上，将-215进风巷改造为回风巷、打开己二辅助回风联络巷，使丁组风机帮助己组风机分担部分回风，如图4所示。

方案Ⅲ：在高阻力段刷巷基础上，由于丁二采区回采结束，丁组风机闲置，则用丁组风机分担己组风机供风量。因此，新建回风联络巷沟通己二回风下山和丁组回风下山，并将丁组风机角度下调到-14°，使丁组风机担负己二东翼回风风量，己组风机担负己二西翼回风风量，如图5所示。

方案Ⅳ：在高阻力段刷巷基础上，由于向深部开采，主要用风地点集中在矿井的北侧，而矿井的回风井均在南侧，导致回风线路长，通风阻力大，因此新建回风井，分担采区回风，如图6所示。

3.2 优化方案的确定

利用Ventsim三维模拟软件对中长时期平煤九矿通风系统进行模拟。由于己组系统阻力太高，首先对高阻力段进行扩巷降阻，沿程跟踪系统发现矿井中长时期高阻力段参数见表2。

在满足硐室、掘进面、备采面、采面等用风地点用风需求的同时，结合附近巷道断面大小将上述巷道断面刷大至16 m2，通过网络解算得到矿井主要通风机运行工况，见表3。

由解算结果可知，通过实施方案Ⅰ后，即对部分高阻力段巷道刷巷降阻，降阻效果明显，可以将己组风机负压降低至3 032 Pa，但其负压仍然较高。考虑到此时丁二采区回采结束，丁组风机闲置，计划利用丁组风机分担己组风机供风量。为验证双主风机联合运转的可行性，对方案Ⅱ、方案Ⅲ、方案Ⅳ等几种优化方案进行模拟解算，模拟结果见表4、表5。

由表4、表5可知：①方案Ⅲ实施后，满足了矿井总需风量的要求，各个主要用风地点也满足需风量要求，采区不低于现有的配风量。但是实施效果不好，原因在于将己组风机和丁组风机集中并联，己组回风流分风点在己组总回风巷，这只能降低己组总回风巷至己组回风井部分区域阻力，但是丁组回风系统的丁组回风下山风阻也较大，这导致丁组负压较高，己组风机负压降低有限，此外丁组风机、己组风机容易出现风机对拉现象，影响通风系统的稳定性，故此方案不可行。②方案Ⅱ和方案Ⅳ实施后，不仅能够有效地满足矿井总需风量的要求，而且通风系统的阻力在矿井总风量为5 000 ～10 000 m3/min时保持在不超过2 500 Pa的范围内；矿井总风量为3 000 ～5 000 m3/min时，保持在不超过2 000 Pa的范围内。系统各个用风地点满足需风量，风量分配合理，保证了采区不低于现有配风量，风机运转安全稳定。③在实际生产中，考虑到地质条件，矿井采掘深度为-900 m左右，方案Ⅳ新建回风井，在工程量和费用方面，耗费时间多，井巷工程量大，经济成本耗费较大，方案Ⅱ的实施操作相对简单，建设工期最短，对矿井正常生产影响较小，主要通风机的运转成本较低，该结果说明方案Ⅱ更为合理，因此本研究通风系统优化方案确定为方案Ⅱ。

综上所述，并结合该矿的具体情况，最终选定方案Ⅱ作为最佳的通风系统改造方案。

4 结论

①根据中长时期各用风地点需风量固定风量进行网络解算，得到满足此时期用风量时，己组风机需要提供的负压为8 383 Pa，超过风机负荷能力范围，己组风机需要提供的风量为7 608 m3/min，在中长时期己组风机担负风量比当前系统增加了2 641 m3/min，现有的通风系统将无法满足此时期整个矿井的通风要求。

②针对平煤九矿中长时期双主风机联合运转中存在的问题，通过扩修己二西翼回风下山、己组总回风和丁二回风下山等高阻力段巷道断面至16 m2，新建回风联络巷沟通己二回风下山和丁组回风下山，同时将丁组风机角度下调到-14°，使丁组风机担负己二东翼回风风量，己组风机担负己二西翼回风风量。解算得到的己组风机负担的风量和风压为102 m3/s、2 459.2 Pa，丁组风机负担的风量和风压为53.3 m3/s、1 984.2 Pa。各风机运转负荷在安全稳定可行的范围内，主要用风地点通过的风量满足用风要求，采区不低于现有配风量，各地点的风量分配合理，在实际生产中工程量和费用最少，实施性较强。

参考文献：

［1］周福宝，魏连江，夏同强，等.矿井智能通风原理、关键技术及其初步实现［J］.煤炭学报， 2020，45（6）： 2225-2235.

［2］程刚，陆卫东，陈志峰，等.基于FAHP-MODM的矿井通风系统可靠性综合评价［J］.中国安全生产科学技术， 2018，14（2）： 99-105.

［3］王明建，陈健，黄文争.基于Ventsim仿真系统的矿井通风系统优化［J］.煤， 2021，30（1）： 51-54.

［4］盛建红，谭星宇.区域单元+两翼对角混合式通风系统应用研究［J］.矿业研究与开发， 2018，38（2）： 44-47.

［5］黄传宝，盛佳，李向东，等.基于Ventsim系统的多中段通风系统优化研究［J］.采矿技术， 2018，18（5）： 63-66.

［6］LIANG Y T，ZHANG J，REN T， et al. Application of ventilation simulation to spontaneous combustion control in underground coal mine：a case study from Bulianta colliery［J］. International Journal of Mining Science and Technology， 2018，28（2）： 231-242.

［7］程志楷，程磊，王泽华，等.基于Ventsim的赵固二矿通风系统调整优化研究［J］.煤炭技术， 2023，42（5）： 117-120.

［8］辛嵩，侯传彬，金晓娜，等.基于Ventsim模型的矿井单翼通风系统优化研究［J］.矿业安全与环保， 2019，46（6）： 84-88.

［9］陈国芳，谭熙通，支学艺，等.基于Ventsim系统的矿山多中段通风系统改造研究［J］.有色金属科学与工程， 2019，10（4）： 94-99.

［10］卢辉，袁树杰，马瑞峰，等.基于Ventsim的南山煤矿孤岛工作面均压通风方案研究［J］.中国安全生产科学技术， 2020，16（8）： 125-130.

［11］聂军， 陈新. 基于Ventsim的矿井通风系统优化及应用［J］. 黄金， 2021，42（5）： 29-34.

［12］杨铁江，李明，马宏伟，等.复杂多机站通风系统反风方案设计及模拟［J］.金属矿山，2021（5）： 177-181.

［13］吴文博，刘洋，任高峰，等.程潮铁矿深部开采通风系统优化与热害模拟研究［J］.金属矿山， 2022（10）： 197-203.

［14］赵兴东，窦翔，李勇，等.基于Ventsim的地下水封洞库建造期通风方式优选［J］.隧道与地下工程灾害防治， 2023，5（1）： 8-17.

收稿日期：2023-12-06

基金项目：国家自然科学基金资助项目（52274187）；河南省高等学校青年骨干教师培养计划资助项目（2020GGJS053）。

作者简介：吴一丹（2000—），女，硕士生，研究方向：通风与防火防爆。