山西寺河矿“三进三回”通风系统优化设计_宋佰超.pdf

山西寺河矿 “三进三回” 通风系统优化设计 宋佰超 1， 2 李雨成 3 罗红波 1 郑义 1 （1. 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院， 辽宁 阜新 123000； 2. 内蒙古自治区矿山压力重点实验室， 内蒙古 呼伦贝尔 021008； 3. 太原理工大学安全与应急管理工程学院， 山西 太原 030000） 摘要寺河矿当前采用分区通风方式， 由3个进风井和3个回风井组成， 通风系统复杂。随着生产的持续， 出现1回风井所在分区通风系统风量利用率低、 电力消耗较大、 风机低压供电不稳定和2回风井所在通风区域巷 通风距离长、 阻力大、 通风能力近饱和等问题， 整个矿井安全可靠性较差。通过对矿井进行通风参数测试与数据处 理、 通风系统网络普查， 构建了通风仿真解算网络， 从通风系统阻力合理性、 矿井各用风地点风量供需对比、 三区阻 力分布和公共进风路线对风机工况扰动等角度详细分析了当前通风系统存在的具体问题。对主干风路 （3个进风 井和3个回风井） 的过风能力和各用风点的需风量进行了核定， 根据总进风量满足生产需求且总进风量与总回风 量相匹配的原则， 提出将当前3进风井变为回风井、 将1回风井和2回风井变为进风井的改造方案， 即将 “三进三 回” 通风系统改造为 “四进两回” 通风系统。对改造后的通风系统重新进行了盘区划分， 按照选定的最优盘区划分 方案对 “四进两回” 通风系统进行了调整， 最终总回风量达到17 743.2 m3/min， 回风量增加， 总阻力降低， 各用风点的 风量满足要求， 系统阻力分布合理， 风机能耗降低。 关键词矿井通风通风系统分区通风通风网络解算多风机复杂风网通风阻力通风优化 中图分类号TD72文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-147-07 DOI10.19614/ki.jsks.201905024 Optimization Design of the “Three Intake Shafts and Three Return Shafts” Ventilation System of Sihe Mine in Shanxi Province Song Baichao1， 2Li Yucheng3Luo Hongbo1Zheng Yi12 （1. College of Safety Science and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China； 2. Key Laboratory of Mine Pressure of Inner Mongolia， Hulun Buir 021008， China； 3. College of Safety and Emergency Management Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030000， China） Abstract Zoning ventilation system is used in Sihe Mine currently， which consists of three intake shafts and three return shafts， and the ventilation system is complex.As production continues， many problems have arisen， such as low utilization rate of air volume， greater power consumption， unstable low-voltage power supply of fun in ventilation system of No.1 return shaft， long ventilation distance， large resistance and ventilation capacity near saturation in ventilation system of No. 2 return shaft， the safety and reliability of the whole mine is poor.In order to solve the above existing problems， the ventilation simulation com- putation network is established by means of ventilation parameters testing， data processing and ventilation system network sur- veying， and so on.The specific problems of current ventilation system of the mine are analyzed in detail from the aspects of re- sistance rationality of ventilation system， comparison between supply and demand of air volume in different using places， resis- tance distribution in the three zones and disturbance of public air intake route to fan working conditions.The ventilation capaci- ty of main air routes（three intake shafts and three return shafts）and the required air volume of each using places are checked. According to the principle that the total air intake should meet the production demand and the total air intake should match the total air return， the optimization and improvement scheme of transing 3air intake shaft into return shaft and trans- ing 1and 2return shafts into intake shafts is proposed， that is， the“three intake shafts and three return shafts”ventila- tion system is transed into “four intake shafts and two return shafts” ventilation system.The “four intake shafts and two re- 收稿日期2019-03-15 基金项目辽宁省教育厅基金项目 （编号 LJYL002） 。 作者简介宋佰超 （1985） ， 女， 讲师， 博士研究生。通讯作者李雨成 （1978） ， 男， 教授， 博士， 博士研究导师。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 安全与环保 147 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 turn shafts” ventilation system is re-divided into different sections， and the new ventilation system is adjusted according to the selected optimal partition scheme.The study results show that the final total return air volume reaches 17 743.2 m3/min， the re- turn air volume is increased， the total resistance is decreased， the air volume at each using place meets the requirements， the system resistance distribution is reasonable and the energy consumption of the fan is reduced. KeywordsMine ventilation， Ventilation system， Zoning ventilation， Computation of ventilation network， Multi-fan com- plex network， Ventilation resistance， Ventilation optimization 矿井通风系统设计的合理与否对矿井安全生产 具有长期而重要的影响 ［1-2］。寺河矿采用分区抽出式 通风方式， 有3个进风井和3个回风井， 矿井总进风 量为16 989 m3/min， 总回风量为17 105 m3/min。随着 生产的持续， 出现了1回风井风量利用率低、 电力消 耗较大、 低压供电不稳定和2回风井回风巷通风距离 长、 阻力大、 通风能力近饱和等问题， 整个矿井安全 可靠性较差， 通风系统亟需进行全面优化改造。 由于多风机联合运转时通风网络较复杂， 利用 人工网络解算方法无法灵活地对风网风量分布进行 合理调节， 因而有必要利用计算机技术构建通风网 络进行风网解算 ［3-7］， 对当前通风系统进行适当调整， 排除通风安全隐患， 增强通风系统的服务效能。现 有的通风系统优化改造重点主要为降低矿井通风阻 力、 增加有效风量， 优化措施主要是在局部地点增加 并联分支、 扩大井筒和部分巷道断面面积、 盘区内巷 道密闭等 ［8-12］。针对该矿通风系统存在的问题， 本研 究采用矿井通风仿真系统MVSS进行风网解算与分 析， 从矿井整体角度出发， 提出进回风井筒优化改造 方案， 即将 “三进三回” 通风系统改造为 “四进两回” 通风系统， 并对盘区进行重新划分。 1寺河矿通风系统合理性分析 1. 1矿井通风系统解算网络构建 通过对该矿通风系统进行参数测试与数据处 理， 以及对通风系统网络进行普查， 构建通风解算网 络， 并完成风网解算数据的录入 ［13-16］。对构建的解算 网络进行平差调节 ［17-21］， 使得各主要测试巷道的仿真 精度处于可靠范围内， 经平差处理后部分主要通风 巷道的解算结果与实际测量值对比如表1所示。由 表1可知 通风网络模拟精度达到了工程应用要求， 可以满足网络解算方案模拟分析需要。 1. 2矿井通风系统阻力合理性分析 矿井通风系统阻力是衡量矿井通风能力的主要 指标， 是影响通风系统可靠性和矿井生产能力的重 要因素。根据 煤矿井工开采通风技术条件 （AQ 10282006） ， 生产矿井通风系统阻力和风量的关系 如表2所示。 经实际测定， 目前寺河矿3个回风系统的风量和 阻力如表3所示。 对比分析表2、 表3可知 寺河矿3个回风系统的 阻力均超出了规定值， 通风系统亟需进行降阻优化 改造。 1. 3矿井各用风点风量供需对比核定 测定了当前通风系统下各盘区的实际供风量， 并计算了各用风点的理论需风量， 结果见4。由表4 可知 1回风井担负的西轨大巷主要硐室和3回风井 担负的九七盘区供风过剩， 2回风井担负的十五一盘 区和3回风井担负的九四东、 九四西盘区供风量匮 148 ChaoXing 宋佰超等 山西寺河矿 “三进三回” 通风系统优化设计2019年第5期 乏。可见， 矿井各盘区用风点的风量分布已经失衡， 应采取合理的调节措施或通风分区优化方式， 合理 分配矿井风量资源。 1. 4矿井三区阻力分布 为确保寺河矿井下通风系统服务于采掘生产， 减 少不必要的通风系统能量损失， 认为矿井进风区、 用 风区、 回风区的阻力应近似符合25、 45、 30的分 布比例 ［22］。经实测， 1回风井、 2回风井、 3回风井所 担负通风区域的三区阻力值如表5所示。 由表5可知 1回风井所在的通风系统用风区的 阻力偏高， 2回风井所在的通风系统进风区和回风区 的阻力偏高， 3回风井所在的通风系统进风区和回风 区的阻力略高。可见， 对1回风系统应着重对用风区 域进行通风系统优化， 针对2、 3回风系统应着重进 行进风区和回风区的通风系统优化。 1. 5公共进风路线对各回风系统风机工况的影响 矿井主要通风网络如图1所示。由图1可知 1、 2、 3回风系统的进风口均为3进风井、 副立井和主斜 井， 每2个回风系统之间均存在多条公共进风路段， 所有公用进风路段的阻力测定结果见表6。 由表6可知 大部分公共进风路段阻力超出了风 机最小风压值的30， 较大的公共进风路线阻力导致 各回风系统风机运转时相互之间存在扰动。 为进一步进行分析， 分别在1、 2、 3风井系统其 中2个封闭的情况下， 讨论第3个风机运转工况的跃 变情况， 结果如表7所示。 由表7可知 在当前多风机联合运转条件下， 由 于各风井系统在进风段存在公共路线， 导致各回风 系统通风阻力增大， 风量降低， 同时也造成通风机工 作效率低、 通风系统功耗增加， 有必要通过降低公共 路段阻力进行解决。 2多风机联合运转下矿井通风系统优化 2. 1矿井主干风路过风能力核定 矿井主干风路过风能力是通风网络风量调节的 难点之一， 为使各盘区进回风量与主干风路的过风 能力相匹配， 分别对1、 2、 3回风井和3进风井、 主斜 井、 副立井的过风能力进行核定。按照各井筒的初 期设计， 过风能力核定结果如表8所示。 依据矿井总进风量应满足各盘区需风量的要求 以及矿井总进风量与总回风量相匹配 （大于或等于） 149 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 的原则， 拟将寺河矿原有的 “三进三回” 通风系统优化 为 “四进两回” 通风系统。通过分析， 发现该矿回风系 统采用3回风井、 3进风井时的过风能力最大， 回风 能力总和约29 175.6 m3/min， 并且此时的过风能力与 其他4条进风井的进风能力总和较接近 （约29 989.8 m3/min） 。因此， 本研究采用3进风井和3回风井担 任整个矿井的回风任务， 其他4个风井作为进风井， 同时参照矿井阻力分布重新划分通风系统盘区。 2. 2 “四进两回” 通风系统设计及盘区划分 按照本研究 “四进两回” 通风系统设计思路以及 矿井采掘生产计划， 并根据风井系统的理论回风总 量与风井过风能力的匹配关系， 初步设计了4种盘区 划分方案， 并分别构建了MVSS解算网络， 对各用风 点的风量进行按需解算调配。经解算分析， 得到方 案对应的矿井通风阻力、 矿井风量以及2个风井系统 的阻力差异等参数， 分别如表9、 表10所示。 在上述分析的基础上， 分别按照公共段阻力占 总阻力百分比、 分区通风主扇工作风压差异性、 分区 通风系统阻力的权重递减次序， 对4种方案进行了对 比分析， 发现第2种方案最优， 其中需要改造的部分 地点如图2所示。但此时存在3进风井阻力超限、 公 共段阻力较大及局部巷道风速超限的问题， 因此需 要进一步优化调整。结合生产实际， 本研究通过布 置行人进风二巷进行优化， 如图3示。 3通风系统优化效果 寺河矿通风系统优化后， 原3进风井变为新3回 150 ChaoXing 2019年第5期 风井， 矿井通风系统由 “三进三回” 形式改变为 “四进 两回” 形式， 即主斜井、 副立井、 1进风井及2进风井为 4个进风井， 3回风井和新3回风井为2个回风井。主 要进风巷为轨道运输大巷、 胶带运输大巷、 西一进风 巷 （原1回风井底至九四东盘区无极绳横川区段） 、 西 二进风巷 （原2回风井底至151101巷正前区段） ， 回风 巷为151102巷、 南回风巷、 西一回风巷 （九四东盘区无 极绳横川至西一回风正前区段） ， 3条回风巷道的回风 流经2个回风立井回到地面。新回风井投入运行后各 风井担负区域划分为 3回风井担负九七盘区、 九四东 盘区的通风任务， 新3回风井担负九四西盘区、 一五一 盘区的通风任务， 各回风井实行分区通风。 经测定， 3回风井风量为7 293 m3/min， 总阻力为 3 250 Pa； 新3回风井风量为10 450.2 m3/min， 总阻力 为3 630 Pa， 矿井总回风量增加， 通风阻力降低， 矿井 总等积孔为6.01 m2， 为通风容易矿井。各回风井所 担负通风区域的三区阻力分布均在合理比例范围 内， 主要井巷风速符合 煤矿安全规程 规定； 公共进 风路段减少且最大阻力为808.68 Pa， 小于风机最小 工作风压的30， 对风机联合运转影响较小。调整后 的矿井主要用风点的风量供需情况如表11所示， 矿 井各用风点的风量基本满足， 部分地点风量较小， 可 通过在盘区内部进行微小调节加以解决。 4结语 为有效解决寺河矿 “三进三回” 通风系统存在的 宋佰超等 山西寺河矿 “三进三回” 通风系统优化设计 151 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ 金属矿山2019年第5期总第515期 主要盘区风量不足、 公共进回风路线通风阻力较大、 系统通风阻力分布不合理、 系统风机运行效率偏低 等问题， 根据盘区通风网络结构分析和主要进回风 工程通风能力校核， 将 “三进三回” 通风方式改为 “四 进两回” 通风方式， 即将原3进风井变为新3回风井， 1、 2回风井改为进风井， 简化了盘区通风线路， 并降 低了系统通风阻力。实践表明 方案实施后， 3回风 井风量为7 293 m3/min， 总阻力为3 250 Pa； 新3回风 风井风量为10 450.2 m3/min， 总阻力为3 630 Pa； 矿井 总回风量增加638 m3/min， 通风阻力降低1 467 Pa， 矿 井总等积孔为6.01 m2， 为通风容易矿井。优化后的 通风系统实现了盘区通风路线缩短、 系统阻力分布 合理、 盘区风量供需平衡、 风机运行平稳等目标， 提 高了矿井通风系统的安全可靠性。 参 考 文 献 李明.关于煤矿通风系统优化的研究 ［J］ .能源与节能， 2017 （12） 37-39. LI Ming.Research on the optimization of ventilation system in coal mines ［J］ .Energy and Energy conservation， 2017 （12） 37-39. 王天明， 李宗翔， 王欢.节点法中风机处理方法及通风网络建 模 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （10） 2817-2822. Wang Tianming， Li Zongxiang， Wang Huan. of fan treat- ment and ventilation network modeling in node ［J］ .Journal of China Coal Society， 2018， 43 （10） 2817-2822. 魏连江， 汪云甲， 方宗武.复杂通风网络简化过程与原理研究 ［J］ .中国矿业大学学报， 2010 （4） 480-483. Wei Lianjiang， Wang Yunjia， Fang Zongwu.Theory and process to simplify complicated ventilation networks ［J］ .Journal of China Uni- versity of Mining Technology， 2010 （4） 480-483. 田卫东.通风网络解算方法综述 ［J］ .矿业安全与环保， 2016， 43 （3） 96-99. Tian Weidong.Review on solution s for mine ventilation net- work ［J］ .Mining Safety and Environmental Protection， 2016， 43 （3） 96-99. 程磊， 党海波， 彭信山.矿井通风网络分析研究现状及趋势 ［J］ .煤炭工程， 2011 （3） 90-92. Cheng Lei， Dang Haibo， Peng Xinshan.Research status and trend of mine ventilation network analysis［J］ .Coal Engineering， 2011 （3） 90-92. 华宁， 陈喜山， 曹娥， 等.矿井通风网络解算软件研究综述 ［J］ .青岛理工大学学报， 2011， 32 （1） 63-68. Hua Ning， Chen Xishan， Cao E， et al.Research summary on mine ventilation network solution software ［J］ .Journal of Qingdao Univer- sity of Technology， 2011， 32 （1） 63-68. 徐婷婷.金属矿采空区管流场流一体化研究 ［D］ .阜新 辽宁工程 技术大学， 2018. Xu Tingting.Study on the Integration of Pipe Flow Field and Flow in Goaf of Metal Mine［D］ .FuxinLiaoning Technical University， 2018. 岳崇彪.浅析多风井矿井通风系统优化改造 ［J］ .能源与节能， 2017 （9） 50-51. Yue Chongbiao.Analysis of optimization of ventilation system in Multi-shaft mines［J］ .Energy and Energy Conservation， 2017（9） 50-51. 范加锋， 富向， 高永强， 等.付家焉煤矿矿井通风系统优化实践 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （9） 151-154. Fan Jiafeng， Fu Xiang， Gao Yongqiang， et al.Optimization practice of mine ventilation system in Fujiayan Coal Mine ［J］ .Safety in Coal Mines， 2016， 47 （9） 151-154. 王永信， 江重阳， 魏培瑾.高阻力矿井通风系统优化改造 ［J］ .煤 矿安全， 2016， 47 （3） 121-123. Wang Yongxin，Jiang Chongyang，Wei Peijin.Optimization and modification of ventilation system in high resistance mine ［J］ . Safe- ty in Coal Mines， 2016， 47 （3） 121-123. 陶树银， 熊正明， 程哲， 等.金属矿山矿井通风系统优化研究 ［J］ .矿业研究与开发， 2012 （2） 58-60. Tao Shuyin， Xiong Zhengming， Cheng Zhe， et al.Study on the opti- mization of ventilation system of metal mine［J］ .Mining Research and Development， 2012 （2） 58-60. 张鸿斌， 高军军， 李雨成.凤凰山矿通风阻力测定分析与优化实 践 ［J］ .矿业安全与环保， 2017， 44 （1） 83-86. ZHang Hongbin， Gao Junjun， Li Yucheng.Analysis and optimiza- tion practice of ventilation resistance determination in Fenghuang- shan Coal Mine［J］ .Mining Safety Environmental Protection， 2017， 44 （1） 83-86. 李奇. MVSS3.0 通风仿真软件的可靠性及应用研究 ［J］ .中州 煤炭， 2012 （12） 7-8. Li Qi.Study on reliability and application of MVSS3.0 ventilation simulation software ［J］ .Zhongzhou Coal， 2012 （12） 7-8. 赵千里， 刘剑.用矿井通风仿真系统 （MVSS） 确定通风系统优 化改造方案 ［J］ .中国安全科学学报， 2002， 12 （2） 14-18. Zhaon Qianli， Liu Jian.Optimizing the re protocol for ventila- tion system by mine ventilation simulation system ［J］ .China Safety Science Journal， 2002， 12 （2） 14-18. 李雨成， 刘剑， 贾廷贵.MVSS3.0在矿井通风系统改造中的应 用 ［J］ .煤矿安全， 2007， 38 （4） 21-22. Li Yucheng， Liu Jian， Jia Tinggui.Application of MVSS3.0 in mine ventilation system transation［J］ .Coal Mine Safety，2007， 38 （4） 21-22. 舒金华.基于MVSS的杏花煤矿通风系统分析与优化改造 ［D］ . 阜新 辽宁工程技术大学， 2006. Shu Jinhua.Analysis and Optimization of Ventilation System in Xin- ghua Coal Mine Based on MVSS ［D］ .FuxinLiaoning Technical Uni- versity， 2006. 陈宙， 赵恩平， 蒋仲安， 等.矿井通风阻力测定数据平差处理 方法及应用 ［J］ .中国矿业， 2006 （10） 105-108. Chen Zhou， Zhao Enping， Jiang Zhongan， et al.Adjustment process- ing and application of mine ventilation resistance measure- ment data ［J］ .China Mining Magazine， 2006 （10） 105-108. 宋迎春， 谢雪梅， 陈晓林.不确定性平差模型的平差准则与解算 方法 ［J］ .测绘学报， 2015， 44 （2） 135-141. 152 ChaoXing ［19］ ［20］ ［21］ ［22］ Song Yingchun， Xie Xuemei， Chen Xiaolin.Adjustment criterion and alporithm in Adjustment model with uncertainty ［J］ .Acta Geo- daetica et Cartographica Sinica， 2015， 44 （2） 135-141. 刘志平， 张书毕， 卞和方.经典平差函数模型的概括形式分析 ［J］ .测绘工程， 2014， 24 （3） 78-80. Liu Zhiping， Zhang Shubi， Bian Hefang.Research on the general- ized of classical adjustment models ［J］ .Engineering of Survey- ing and Mapping， 2014， 24 （3） 78-80. 邢志海.条件平差原理及通风阻力的条件平差 ［J］ .煤炭技术， 2003， 22 （11） 60-61. Xing Zhihai.Principle of conditional adjustment and conditional ad- justment of ventilation resistance［J］ .Coal Technology， 2003， 22 （11） 60-61. 李思达.总体最小二乘平差方法及若干测绘应用研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2017. Li Sida.Total Least Squares Adjustment and its Applica- tions in Surveying and Mapping［D］ .XuzhouChina University of Mining and Technology， 2017. 宜茂生， 陈长华， 卢国斌， 等.井巷通风阻力的合理分布 ［J］ .阜新 矿业学院学报 自然科学版， 1993， 12 （3） 7-11. Yi Maosheng， Chen Changhua， Lu Guobin， et al.Rational distribu- tion of ventilation resistance in wells ［J］ .Journal of Fuxin Mining In- stituteNatural Science Edition， 1993， 12 （3） 7-11. （责任编辑王小兵） 2019年第5期宋佰超等 山西寺河矿 “三进三回” 通风系统优化设计 153 ChaoXing