王庄煤矿通风系统仿真与评价.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０３􀆽 ２３ 作者简介刘公权１９９３ － ꎬ男ꎬ河北廊坊人ꎬ在读硕士研究生ꎬ研究方向为矿井通风ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０８. ０１５ 王庄煤矿通风系统仿真与评价 刘公权１ꎬ曹旭升２ꎬ邵良杉１ １. 辽宁工程技术大学 系统工程研究所ꎬ 辽宁 葫芦岛 １２５１０５ꎻ２. 潞安环能股份公司 王庄煤矿ꎬ山西 长治 ０４６０３１ 摘 要对于煤矿“一通三防”事故的预防是煤矿安全工作的重中之重ꎬ而通风系统更是关键一环ꎬ因通风 系统故障或不正常工作而导致的事故叫做“因风致灾”ꎻ与此同时ꎬ作为预防煤矿事故的手段ꎬ通风又是最 为关键有效的ꎬ也是最简单的ꎬ因而“以风治灾”的思想贯穿煤矿治理ꎮ 针对煤矿通风治理手段落后的问 题ꎬ辽宁工程技术大学开发了一种 ３ＤＳｉｍＯｐｔ２. ０ 三维通风仿真系统软件ꎬ对王庄煤矿通风系统进行仿真分 析ꎬ通过无向图网络解算后优化了通风系统ꎬ实现节能降耗ꎬ创造了良好的经济和社会效益ꎮ 关键词风阻测定ꎻ无向图网络解算算法ꎻ仿真模型ꎻ通风系统优化 中图分类号ＴＤ７２４ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００８􀆽 ００４０􀆽 ０３ 王庄煤矿地处山西省长治市故县ꎬ于 １９６６ 年 １２ 月建成投产ꎬ经过多次技术改造ꎬ已经成为一座 特大型现代化高产高效矿井ꎬ主采二叠系 ３ 号煤层ꎬ 煤层均厚 ６. ５ ｍꎬ属于高瓦斯矿井ꎬ矿井通风方式为 混合式ꎬ共有 ７ 个进风井ꎬ４ 个回风井ꎬ经过多年系 统扩建ꎬ原有通风系统亟待进一步优化[１]ꎮ １９３０ 年波兰学者 Ａ. Ｓａｋｕｓｔｏｗｉｃｚ 提出用降 阻法实现通风系统网络优化的方法ꎬ取得了不 错的效果 [２] ꎻ随着计算机技术的发展ꎬＳｃｏｔｔ 等 提出通风网络的迭代方法ꎬ并运用计算机进行 验证 [３] ꎬ自此ꎬ学者们开始越来越多的利用计算 机来简化通风系统的计算过程ꎬＲ Ｂｕｒｔｏｎ 博士 开发了 ＶＵＭＡ 系统ꎬ能实现平面与三维视图下 的通风网络绘制ꎬ但缺乏直观性ꎻ２００８ 年魏连 江教授提出了基于 ＧＤＩ ＋ ＧＩＳ 的矿井通风可视 化仿真系统ꎬ实现了通风系统各种图形的自动 绘制过程ꎬ但在解算算法上ꎬ难以达到工程需 求 [４] ꎮ 辽宁工程技术大学开发的 ３ＤＳｉｍＯｐｔ２. ０ 三维通风仿真系统ꎬ是在 ２０１４ 年开发的 １. ０ 系 统基础上ꎬ经过多次升级而成的ꎮ 在 ２０１８ 年ꎬ 由中国煤炭工业协会牵头ꎬ组织相关专家鉴定ꎬ 确定其已达到国际领先水平ꎬ获得国家软件著 作权 [５] ꎮ 本文在此基础上ꎬ通过巷道中的对象 和巷道构筑物、节点、通风动力配套装置以及风 流方向对象之间关系ꎬ并根据无初值迭代法ꎬ通 过无向图的网络解算算法ꎬ实现彻底的通风网 络解算工程化ꎬ最终经过计算机精确运算得到 最优调节方案ꎬ实施后增加了矿井通风系统的 安全稳定ꎮ １ ３ＤＳｉｍＯｐｔ２. ０ 三维通风仿真系统介绍 针对复杂通风系统ꎬ在利用通路法进行调节的 前提下ꎬ提出利用通路法的节点压能的驱动调节ꎬ可 以大大加快调节速度ꎬ使得复杂的通风网络能够容 易调节ꎬ利用通风系统的计算机网络进行智能仿真ꎬ 实现反演巷道风阻系数ꎬ并在建立煤矿的通风三维 仿真系统数学模型的基础上ꎬ开发出矿井通风的三 维仿真系统ꎮ 软件兼具三维可视化与立体示意图以及通风网 络图同步显示等多种功能ꎬ软件系统能够随操作人 员的指挥改变通风系统结构、巷道尺寸形状、新掘巷 道与通风动力叶片的角度调节、频率的改变、开停 风机等操作、通风构筑物的状态增加、拆除和开 启等ꎬ继而以仿真运算来达到通风系统状态变化 后新系统可能出现的问题ꎮ １. １ 仿真系统建立 图 １ 为王庄煤矿在 ３ＤＳｉｍＯｐｔ 系统下的通风系 统图５４０ 水平部分系统ꎮ 图 １ 王庄矿通风系统示意５４０ 水平部分系统 ０４ 实实用用技技术术 总第 ２５２ 期 １. ２ 数据处理 测定中使用的仪表的精度会受测定技巧以及其 他各种因素影响ꎬ难免会发生各种误差ꎮ 如果误差 在允许范围以内ꎬ则测定结果是可用的ꎬ为此ꎬ必须 对测定结果进行验证后方可录入ꎮ 数据录入后ꎬ经过反复的调试ꎬ再对测试巷道实 测数据跟仿真计算值进行对比分析ꎬ得到整个矿井 仿真结果ꎬ并进行误差分析ꎬ确定误差在要求范围 内ꎬ其目的在于所建立的仿真系统能够真实反映实 际工况ꎮ 具体的统计数据如表 １、表 ２、表 ３ 所示ꎮ 根据王庄煤矿要求ꎬ测量数据应包含主要巷道的信 息ꎬ由表中数据可以看出ꎬ主要巷道仿真计算所得数 据和实测数据相对误差仅约在 ５％ꎬ再纵观整个测 试的巷道ꎬ仅有极少数的联络巷相对误差较大ꎬ但绝 对误差很小ꎬ且相对误差不大于 ５％ 的巷道包括了 各主要大巷和采区ꎬ故可以认为误差分布在合理范 围内ꎬ误差符合要求ꎮ 表 １ 基准井巷统计 井巷总数基准井巷数基准井巷百分比 １ ３８８１８６１３.４０ 表 ２ 误差分析 简单平均 绝对误差 简单平均 相对误差 风量加权平 均绝对误差 风量加权平 均相对误差 ２.５６６ ２６５５.７６０ ２１２３.５６９ ８４６６.８１９ １４７ 表 ３ 误差分布统计 相对误差该误差范围的井巷数 占基准井巷数的百分比 ≤５％１２７６８.２８ ５％ꎬ ≤１５％５５２９.５７ １５％ꎬ ≤５０％４２.１５ ≥５０％００.００ ２ 王庄煤矿通风系统仿真结果分析 ２. １ 通风机联合运转分析 在对王庄煤矿相关通风系统参数进行调整并进 一步优化三维通风仿真系统后ꎬ再对仿真系统进行 反复调试ꎬ以达到误差能够完全满足现场实际工作 需要ꎬ然后利用完善后的仿真系统对通风系统进行 分析评价ꎬ并对提出的改进方案进行仿真模拟ꎬ分析 ＋５４０ 风井与北栗风井通风机联合运转、通风动力 与通风阻力合理匹配、通风系统优化及可靠性ꎮ 为了掌握各主要通风机运行工况及性能ꎬ进行 通风机的联合运行分析ꎬ确保通风机稳定、合理运 行ꎬ实现矿井通风节能的目的ꎮ 通风机满足生产相 应的风量要求ꎬ并留大约 ３０％的富余量ꎮ 网络解算条件的概况如表 ４ 所示ꎬ其总分支总 数达到 １ ４４８ 条ꎬ地面运转主要通风机 ４ 台ꎮ 表 ４ 网络解算条件 网络分 支总数 网络节 点总数 运转风 机总数 固定风量 的分支数 调节 设施数 １ ４４８１ ００４４１８２７７ 矿井总排风量 １ ００６ ｍ３/ ｓꎬ相关参数如表 ５ 所 示ꎬ其中风机所负担风量的统计如表 ６ 所示ꎮ 依据 矿井等积孔计算结果可以看出ꎬ各个回风井均是通 风容易的风井ꎬ并且满足“煤矿井工开采通风技术 条件 ＡＱ１０２８ －２００６”中的相关要求ꎮ 表 ５ 矿井总风量、风网功耗、总等积孔 总风量/ ｍ３􀅱ｓ －１ 风网功耗/ ｋＷ总等积孔/ ｍ２ １ ００６２３ ８８５. ７８２４.７６ 表 ６ 回风井参数 回风井 风量 / ｍ３􀅱ｓ －１ 阻力 / Ｐａ 等积孔 / ｍ２ 功耗 / ｋＷ 北栗回风井４４１２ ５３０１０. ４３１ １１５.７３ ＋５４０ 回风立井２１６２ ０５０５.６７４４２. ８０ ６２ 回风井１６６２ １１０４.３０３５０. ２６ 西风井１８３２ ４９０４.３６４５５. ６７ 西风井风机主要服务于 ５２、６１ 采区ꎬ６２ 风井负 担 ６２ 采区的通风任务ꎬ ＋ ５４０ 风井负担 ７１ 采区的 通风任务ꎬ北栗回风井负担 ８１ 采区、９１ 采区通风任 务ꎮ 仿真分析可知ꎬ通风系统中存在着大量的阻力 偏大巷道ꎬ主要原因是巷道较长、风量较大ꎮ ２. ２ 通风系统可靠性分析 矿井通风系统的可靠性指井下的通风系统在运 行过程中能够维持正常工作参数的能力ꎬ用来确保 井下具有足够的新鲜风量ꎮ 矿井的通风系统肩负井 下安全生产的重要责任ꎬ其正常稳定的工作具有十 分重要的意义ꎬ随着井下开采深度的增加ꎬ井下地形 的复杂变化ꎬ各种不确定突发情况伴随产生ꎬ这些都 会令井下通风系统的可靠性大打折扣ꎬ甚至可能造 成整个通风系统瘫痪ꎬ从而危及人身设备安全ꎬ故必 须保证井下通风系统的可靠ꎮ ２. ２. １ 通风设施可靠性分析 王庄煤矿通风系统复杂ꎬ风门等井下通风设施 较多ꎬ共有 ２７７ 处ꎬ风门压差超过 １ ０００ Ｐａ 的有 ７ 处ꎬ５００ １ ０００ Ｐａ 的有 ６１ 处ꎬ１００ ５００ Ｐａ 的有 ７３ 处ꎬ小于 １００ Ｐａ 的有 １３６ 处ꎮ 对于压差大的风 门ꎬ要特别加强维护ꎬ使正、反向均处于良好状态ꎬ保 障通风系统的可靠ꎮ 如风门失效或非正常开启ꎬ将影响相关巷道的 风量、风流方向ꎬ这将意味着矿井局部区域、整个采 区、或整个矿井通风系统失效ꎬ导致通风系统不稳 定ꎮ １４ ２０２０ 年 ８ 月 刘公权等王庄煤矿通风系统仿真与评价 第 ２９ 卷第 ８ 期 ２. ２. ２ 风门失效仿真分析 风门等通风设施是井下通风系统的重要组成部 分ꎬ它们将井下的风流进行调控ꎬ以按照需求完成风 量分配ꎬ因而对通风设施进行合理设置ꎬ不仅能增加 安全性ꎬ而且也是通风经济性的一项关键手段ꎮ 运 行中风门可能因各种因素而损坏ꎬ无法正常工作ꎬ这 时将使风量无法正常分配ꎬ对于开采工作面等瓦斯 粉尘浓度高的区域还将因风量不足而造成爆炸危 险ꎮ 以 ５４０ 回风立井风门为例ꎬ利用 ３ＤＳｉｍＯｐｔ２. ０ 三维通风仿真系统进行仿真ꎬ得出风门失效后相关 巷道的风量变化ꎮ 经过风门失效仿真ꎬ可以看出 １ ５４０ 进风井风量增加 １７５. ８ ｍ３/ ｍｉｎꎻ风门 失效后对北栗进、回风井ꎬ６２ 进、回风井ꎬ西进、回风 井风量几乎无影响ꎮ ２ 风门失效后ꎬ对７１、８１ 采区风量影响较大ꎬ 对于其他采区９１ 等采区的风量影响极小ꎬ可以忽 略不计ꎮ ３ ７１ 采区回风大巷风量变化率为 １２. ５９％ꎬ 较风门失效前风量减少 ８４９. ０１ ｍ３/ ｍｉｎꎻ７１ 采区辅 助运输大巷风量变化率为 １２. ２５％ꎬ 风量减少 ４９３. ８ ｍ３/ ｍｉｎꎻ７１ 采区胶带运输大巷风量变化率为 １２. ５９％ꎬ风量减少 ３７８. ６ ｍ３/ ｍｉｎꎻ７１０５ 工作面风量 由 ２ ２５６. ６ ｍ３/ ｍｉｎ 减少到 １ ９７７ ｍ３/ ｍｉｎꎬ风量变化 率达 到 １２. ３７％ꎻ ８１０２ 工 作 面 风 量 变 化 率 为 １２. ８１％ꎬ风量减少为 １ ７８２ ｍ３/ ｍｉｎꎻ８１０３ 工作面风 量由原来的 ２ １９３. ６ ｍ３/ ｍｉｎ 降到 １ ９１３. ４ ｍ３/ ｍｉｎꎬ 风量变化率为 １２. ７８％ꎮ ４ ５４０ －２ 胶带巷风量变化率 １２. ６１％ꎬ风量 减少 １２５. ４ ｍ３/ ｍｉｎꎻ中部车场风量变化率 １３. ７７％ꎬ 风量减少 ２３. ４ ｍ３/ ｍｉｎꎮ ５ 风门失效后ꎬ工作面的风量减少ꎬ用风量 难以满足安全生产要求ꎬ有可能导致生产安全事故 的发生ꎮ 为防止类似情况发生ꎬ应严格按照规定安设风 门等构筑物ꎬ并加强日常管理与维护ꎬ从而保障通风 系统运行稳定ꎬ预防矿井灾害发生ꎮ ３ 结 语 针对传统煤矿通风系统仿真软件优化效果难以 达到工程实际需求的问题ꎬ开发了 ３ＤＳｉｍＯｐｔ２. ０ 三 维通风仿真系统ꎬ对王庄煤矿通风系统进行仿真优 化ꎬ实现了通风阻力与通风动力合理匹配ꎬ保障了通 风系统的稳定ꎮ 参考文献 [１] 赵 波ꎬ杨胜强ꎬ李 伟ꎬ等. 王庄煤矿通风阻力测定 与分析[Ｊ]. 煤炭技术ꎬ２０１２ꎬ３１１１０１ －１０３. [２] 王海宁ꎬ彭 斌ꎬ彭家兰ꎬ等. 基于三维仿真的矿井通 风系统及其优化研究[Ｊ]. 中国安全科学学报ꎬ２０１３ꎬ ２３９１２３ －１２８. [３] 倪景峰. 矿井通风仿真系统可视化研究[Ｄ]. 阜新辽 宁工程技术大学ꎬ２００４. [４] 胡青伟. 大平煤矿通风系统异常诊断研究[Ｄ]. 徐州 中国矿业大学ꎬ２０１９. [５] 邵良杉ꎬ张兴国ꎬ翁旭泽ꎬ等. 塔山煤矿通风系统阻力 测定与分析[Ｊ]. 同煤科技ꎬ２０１８２１ －６. [责任编辑路 方] 􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎 􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄 􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎 上接第 ２１ 页较大程度降低了上隅角瓦斯浓度ꎮ 总之ꎬ通过对工作面采取瓦斯综合治理技术ꎬ解 决了工作面煤层存在的瓦斯压力大、采掘接继困难 等问题ꎬ保证了矿井安全及正常生产ꎮ 参考文献 [１] 国家安全生产监督管理总局. 防治煤与瓦斯突出规定 [Ｍ]. 北京煤炭工业出版社ꎬ２００９. [２] 程远平ꎬ刘洪永ꎬ赵 伟. 我国煤与瓦斯突出事故现状 及防治对策[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２６１５ －１８. [３] 王平虎. 寺河矿高瓦斯抽采与突出综合防治技术试验 研究[Ｄ]. 北京中国矿业大学ꎬ２０１０. [４] 祝文德. 仰采边采边撤综采工作面上隅角的瓦斯治理 [Ｊ]. 科学技术创新ꎬ２０１７２９１０１ －１０２. [５] 王 科. 矿井瓦斯综合抽采治理研究[Ｊ]. 能源与节能ꎬ ２０１７５１９０ －１９２. [６] 徐再刚. 高瓦斯低透气性突出煤层瓦斯治理技术实践 [Ｊ]. 中州煤炭ꎬ２０１６３８ －１１ꎬ１４. [责任编辑路 方] ２４ ２０２０ 年 ８ 月 刘公权等王庄煤矿通风系统仿真与评价 第 ２９ 卷第 ８ 期