基于计算机仿真的井下通风方案优化

【摘 要】为了保障矿井下工作人员的安全，针对矿井下通风能力不足、通风阻力大、风速超标等一系列问题，结合矿井通风系统基础测定参数和矿山后期的生产部署，在数据处理和系统界定的基础上研究了矿井通风原理，提出3个矿井通风系统改造方案。并利用 Ventsim三维通风仿真系统建立了通风网路、通风动力和通风控制设施等通风系统模型并进行了仿真和动态模拟。同时进行了经济投入与通风运行效益分析，确定了最优的矿井通风系统优化改造方案。

【关键词】矿井 通风系统 仿真模型 优化

近些年来，随着采矿工业生产和日常生活中的需求量的不断增长，矿石的地表及其浅部开采已经远远不能满足社会的需求。随着矿石挖掘深度的不断增加，一系列新的问题出现了，其中最突出的也是至关重要的就是矿井通风问题，这也加大了矿石开发的难度。本文主要针对提出的矿井通风方案进行分析，并利用Ventsim三维通风仿真系统建立立体模型，针对已经提出的通风系统方案进行，并将优化改造的风网数据进行解算、风流按需分配进行仿真和风流动态模拟，最后进行了进行了经济效益分析，确定了最优的矿井通风系统优化改造方案。

1 矿井通风概况介绍

矿山采用综合机械化开采技术，完全垮落法控制顶板。中央分列式的矿井通风方式，并且采用抽出式的通风方法。主要包含主斜井，副斜井，行人斜井，四层防倾斜井四个进风井及其九层回风斜井、十二层回风斜井两个回风井。现有的矿山进风总量为12691m3/min，总排风量为13359m3/min。其中，九层回风井通风率为7207m3/min，负压力值为2460Pa，十二层回风井通风率为6152m3/min，负压力值为为2240 m3/min[1]。

2 矿井通风存在的问题

虽然矿井通风系统经过多年的建设、调整，取得了一定的进展，但由于不正规的采矿作业，不完善的通风设计和较低的技术管理等原因，仍有不少的问题。根据每年生产要求，在已有的通风系统布置了两个综采工作面，三个备用开采工作面，七个掘进开采工作面，等效的需求风量为18000m3/min，通过求解可得到，已有的通风系统存在几个问题如下：（1）同时多中段作业的矿井生产使得中段缺少巷道，各中段采场位置排列不规范，并且爆破后破碎作业较频繁，因此，造成了采场风流串联，严重的烟尘污染。（2）十二层回风井的通风阻力为3804.4Pa，九层回风井通风阻力为4439.4Pa，均超出了通风阻力应不高于2940Pa的规定，同时也超出了现有通风机的额定负压，已有的通风机不能满足要求；（3）通风阻力分布不合理，九层回风段通风阻力占回风井总阻力的72.8%，十二层回风段通风阻力占回风井总阻力的68.4%；（4）由于不健全的通风网路及其不健全的风量调节，对作业工作面不能实现按需分风，影响作业面的通风效果，并造成风流浪费。（5）漏风严重，有效风良率较低。抽出式通风矿井，直接漏入短路风流，可达主风量的40%～50%。

3 矿井通风系统方案的改造优化

3.1 提出矿井通风方案

改造优化矿井通风系统需要充分利用现有的巷道，本着工程量少、投资少、周期短、见效快的原则，通风系统不仅需要满足现有通风系统的要求，也要考虑到生产矿井在未来的部署和通风量，因此，提出以下几种解决方案：（1）在井田中部布置回风立井，下部通过回风联络巷分别与九层、十二层回风上山相连，并且将现有的九层十二层的回风斜井改为进风井；（2）在现有回风斜井的站点新建回风立井，回风井回风井，立井落平后与布置在十三号矿井中的总回风巷相连，总回风巷的布局是采用双巷平行排列布置的，通过回风联络巷分别与九层、十二层回风上山连接，并且将现有九层、十二层回风斜井改造为与空气连接的进风井；（3）在现有的工业用地主要是在西南方的废弃的家属住宅区新建两条回风斜井，回风斜井分别通过回风联络巷与九层、十二层的回风上山相连，并且将现有九层、十二层回风斜井改造为进风井。

3.2 系统界定

在矿山实际生产过程中，由于任何一个矿井通风系统是受很多因素影响的、而且是与多个变量相关的、多层面的复杂系统，所以建立仿真模型时需要适当的简化和规范实际的通风系统。下面将结合矿山通风系统实际的特点，基于4点假设界定通风系统模型的边界：（1）每条直巷道中的风匀速、均质且流向惟一，而弧形巷道则等效为多条直巷道；（2）巷道连接处无能量、物质损失，流入的各巷道风流按风量比混合均匀后，完全无变化的流出，且风流中各物质组分相同；（3）在通风系统内能量无损失、风流无泄露、风量平衡、风压平衡，且没有独头巷道的存在；（4）控制设备仅有开启、闭合状态。

3.3 矿井通风系统的建模及其模型的计算

利用上面提到的几种改造优化方案，并结合矿山提供了基本的技术数据资料，使用Ventsim软件来建立通风网络计算的三维模型[2]，并将通风技术参数输入模型进行求解。根据模型的计算步骤，进行计算，其过程为：（1）输入参数，将巷道通风参数、风机参数、风门参数等各个参数输入通风网络模型、风机模型、风门模型。（2）预处理，按风阻从大到小排列通风网络中各分支，标注固定风量分支，扇风机分支；建立最小生成树，确定组成回路的基本分支并构造独立回路。（3）迭代解算，直到在规定的迭代次数内全部独立回路达到预定精度。

4 结语

在本文提出的矿井条件下，进行了前期矿井通风阻力测定，并在主要通风机性能鉴定的基础上，认真分析了矿井通风系统存在的问题；根据矿井未来风量需求及生产部署情况，提出3个矿井通风改造方案，综合考虑矿井长期安全生产管理及经济投入等方面，根据工程最小、建设工期最短、通风线路最短、矿井通风阻力最小、投资最省、能够有效地满足矿井增大供风量、降低通风阻力的原则，确定最优方案；通过对通风系统进行模型简化、三维建模、界定边界条件、仿真等操作，确定通风系统改造最优方案。增强了人们对通风系统三维空间状态的认知能力，对矿山管理人员发现问题和优化通风网路均具有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 李良松，田浩.矿井通风系统设计及优化[J].中小企业管理与科技，2011（08）：177-178.

[2] 庞大芳，高东旭，李绪萍.矿井通风系统优化改造研究[J].矿石技术，2008（10）：73-75.

作者简介：张金龙（1987—），男，河北遵化人，本科，中级工程师，研究方向：采矿技术。