动态管理模型监测技术在通风系统中的应用

宁玉淼

(山西焦煤霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿， 山西 吕梁 033200)

1 前言

矿产资源的迫切需求和采矿技术的发展使得越来越多的大型企业进行深度开采，以便获取足够的矿产原料。但是，原矿井通风系统难以满足深度开采的需求，新通风系统面临着风流短路、风量不足、调控效率低等多种问题。针对此问题，相关专家和学者进行了研究。黄俊歆、钟德云等从通风网络结算的角度为通风系统的有效解算提供了理论支撑[1-2]；刘成敏、孙世彪、程子华等从通风网络的设计方案、通风回路角度对矿井的通风网络进行了优化[3]；何敏、吴兵借助现有的通风网络软件对通风系统进行了三维仿真，以便进行更加精准地管理[4-5]；周志扬等对扩改铁矿的通风系统的方案进行对比分析，提升了原系统的通风效果[6]。基于前人的研究，本文将通风节点、风路、巷道、风机等封装到一起，形成动态管理模型，对通风系统的各个部分进行监测，将监测值与通风软件的解算值进行比较，当差异较大时，进行及时预报，以便减少矿井损失，确保深度开采施工安全。

2 工程概况

现某大型矿山企业的一个矿井通过深度开掘的方式将生产能力从120万t/a提升到250万t/a，主要的开拓方式包括竖井、斜井和斜坡道。由于上部岩层的破断，东部不再向下掘进，西部则进行深度扩展。此背景下，受自然风压的影响，深度复杂通风系统难以进入新鲜风流，工作面污风难以及时排除，给深度开采工作带来极大挑战。

经过现场调查和测定，矿井的通风网络比较复杂，深度的中段、斜坡、竖井十分多，工作面分布比较分散，单靠原有通风系统难以输出足够风量，更无法有效地进行风流调控；井下运输设备、固定设施占用了风机安装的最佳位置，甚至部分区域难以进行风流调控；主通风机装置的进风量不够，容易受到自然风压影响，损失率比较高。为此，需要针对矿井的实际进行制定可行性通风网络方案，实现矿井内部进出风的良性循环。

3 矿井通风网络设计方案

根据现有的通风网络，对矿井深度开掘部分进行设计。考虑到通风网络的变化和通风系统的成本，决定在原有通风网络上进行改进，增加接入节点，适应通道的掘进变化。通风网络设计将全面衡量矿井的科学性和承载力，确保既不浪费资源，又能够满足各工作面的需求。

将矿井的结构进行简化，通风网络如图1所示。鉴于现有的通风系统难以满足整个矿井的通风需求，对通风网络进行改进。首先，在西回风井、副井的联络道上分别安装风门，让副井、西回风井形成独立的通风回路，满足这一部分的风量需求；然后，在200m中段为主箕斗井联络道提供风机，用于补充西风井的回风作用；最后，在东回风井添加风机，满足这一区域的风量需求和调配。除此之外，考虑到自然风压、温度、大气压的因素，在主要的交叉口布置多功能空气幕和风门，加强对分流的调控水平，防止出现新鲜空气段路和污气循环。

图1 矿井通风网络示意图

这一方案充分考虑了通风总量、通风管理和工程耗费。一方面不必再挖掘斜井进行连通。另一方面通过风机、风门和空气幕将复杂的区域划分为多井、多层的相对独立通风结构。在后期的动态管理模型中，可以较为独立的控制各个层次的通风状态。这为矿井工作面的向前推进提供了良好的安全保障。

4 动态管理模型监测技术

4.1 通风系统的相关参数

通风系统内的各项参数是动态模型创建的基本要素，关系到解算的速度和精准度。矿井的实际结构更加复杂、工作面数量较多，需要深入其中进行全面测定。通风系统的参数主要分为5大类：通风机参数、构筑物参数、网络参数、工作面参数、环境参数。这些参数的具体内容见表1。根据这些参数不仅可以计算出各部分的风量、风压，还能够在动态管理模型中对方案的效果进行预判。

表1 通风系统的相关参数列表

4.2 回路风量解算方法

回路风量法是目前进行风网解算的主流方法，具有容易实现、收敛速度快的优点。鉴于本矿井的网络复杂，回路比较多，容易出现误判或回路复杂化。因此，优化BFS生成树，实现双通路法解算，提高解算的效率和精准度，其算法过程如图2所示。

图2 最优回路BFS算法图

从图2可知，找到通风网络的一个初始节点，沿着初始节点进行层次划分和排列。首先，从判断初始节点的关联分支数，为分支排列顺序、设定等级；然后，在以各个分支为起点，再进行层次划分和排序，为第二层分支设定顺序和等级；最后，每个分支都划分到最终的节点，整个访问结束。在进行回路解算的过程会按照不同的层次和等级设定对应的权重，进而实现精准地风量、风压模型分析。

4.3 动态管理模型创建和可视化

在设计好通风网络方案、测定好各项参数、确定好解算方法后，将这些内容封装到一起形成较为独立的结构，在计算机的快速解算下成为动态管理模型，用于对矿井通风情况进行实时监测。

首先，基于SQL Server建立动态管理模型的数据库，将包括节点、风路、风机相关参数在内的所有数据输入其中；然后，借助优化BFS生成树，对各个节点的风量进行解算。在动态管理模型的创建和设计中，将软件解算的模拟值与测定的实际值进行比对。如果二者的误差大于10%便会发出预报，若不大于10%便会根据多次测定的数据，进行解算参数的调整，动态管理模型的处理流程如图3所示。

图3 动态管理模型的处理流程

在此动态管理模型中，通过设定判断误差范围来调节解算参数，使软件的解算能够得到增强。操作员可选择不修改参数，对矿井的风量、风阻和工况进行多次判断验证后，再进行修改。这一监测技术能够通过改变参数来适应矿井的通道变化，可通过改变解算参数来适应矿井的个例规律，也能够发现不同气候条件下，自然风压对深部开采部分的影响作用。总之，此系统减少了人员对通风系统的盲目判断，能够及时有效地反应矿井通风变化。

5 动态管理模型的应用分析

动态管理模型以通风网络的节点为主要监测点，对整个通风网络进行持续监测。按照通风系统的方案设计，将风门、风机和空气幕进行对应布置。斜井和竖井与主联通道路相关联，故而将各段的斜井、竖井按照层次、等级进行风量分配，在交叉口的风机上安装对应数量的通风机，确保具有风量稳定。在此矿区进行了通风系统的布设，将动态管理模型的数值与实际测定值进行了比对，对比见表2。

表2 动态管理模型模拟值与实际测定值对比表

此通风系统在矿山进行布设后，对现场的主要节点进行了测定，以便评价动态管理模型的准确性。通过表2所列的数据可以看出，通风网络的布设满足了主要联络道的风量需求，能够持续性满足风量需求。从通风网咯节点实测值与动态管理模型模拟值看，二者的变化趋势和结果比较吻合，动态管理模型能够正确模拟出各个节点的风量变化。经过一段时间持续观测，加强了空气幕调控风流的作用，调整了供风器的位置，进一步阻止了小范围的污风串联问题，减弱了自然风压对通风系统的影响，大大提高了通风系统的稳定性。

6 结论

本文以矿井深部通风系统改造为研究对象，在200m深度的联络道、交叉口布置了风机、空气幕、风门，使深部通风系统形成相对独立的子循环系统，满足了深部风量的需求。为了加强对风流的调控，避免污风串联，减小自然风压对系统稳定性的影响，在实践中调整了供风器的角度，进一步增强了通风系统的稳定。此研究得到了以下3点结论：

(1)以节点、风路、通道、风机等多项参数为支撑的动态管理模型能够对整个通风网络主节点的风量、风压等进行持续、稳定、有效的监测，能够为开掘工作提供良好的外部环境。

(2)复杂多变的深部通风系统可采用分层、分等级的方式进行风量分配和布置，加大深部通风的管理力度，减小小范围的污风串联和自然风压影响。同时，修改参数的管理设计，不仅能够灵活应对网络需求，还能够适应通风网络变化。

(3)复杂网络回路通风法的解算可通过优化的BFS生成树对各处的风量进行解算，加快解算速度和精度，降低解算失败的概率。