基于Ventsim仿真系统的矿井通风系统优化

王明建，陈 健，黄文争

(1.山西三元煤业股份有限公司，山西 长治 046000；2.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；3.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新 123000;4.冀中能源峰峰集团 检测中心，河北 邯郸 056201)

矿井通风系统是煤矿安全生产系统的主要组成部分之一，有煤矿“心脏”之称，担负向井下输送新鲜风流、稀释与排出有毒有害气体、排放粉尘及热湿等重要任务。合理、可靠、稳定的通风系统是防止瓦斯灾害、煤尘爆炸及火灾等灾害发生的有效方法，同时也是井下人员健康工作、设备正常运转及良好工作环境维持的有力保障。

通过Ventsim仿真系统可以对矿井巷道风流的风量、风速及阻力进行模拟，实时三维显示计算结果，并可将计算结果导出至EXCEL中，供矿井通风管理人员查看与分析，为井下实际通风管理提供依据[1-2]。本文在实践经验的基础上，结合矿井通风理论和Ventsim仿真平台进行通风网络解算，为该矿通风系统的改造(北部风井的建立)提供理论指导[3]。

1 矿井概况

1.1 矿井交通与通风

该矿井中部为目前采掘区域，北部为待采区域。目前矿井通风系统为三进两回布置，南部主立井、副立井和中部副立井进风，南部回风立井和中部回风立井回风。

1.2 矿井煤尘与瓦斯

井田恒温带深度在40 m左右，恒温带温度为13.5 ℃，地温梯度1.3 ℃/100 m，属地温正常区。目前所采3号煤层的煤尘具有爆炸危险性，3号煤层属于不易自燃煤层。矿井实测瓦斯赋存主要参数见表1。

表1 瓦斯赋存主要参数

2 北部风井建设的必要性

目前南部回风立井回风17 500 m3/min，中部回风立井回风14 500 m3/min，根据矿井生产衔接规划，中部回采结束后转移至北部区域进行回采。矿井北部盘区按照东西翼同时开采设计，计划布置2个回采工作面、2个备用工作面、14个掘进工作面，南翼区域无采掘工作面。

北部区域若不建设风井，则由中部进风立井进风、中部回风立井回风，按照通风最困难时期，设计最大阻力路线：中部进风井—北部进风大巷—采区进风巷—工作面运输巷—工作面—工作面回风巷—采区回风巷—北部回风大巷—中部回风井，路线总长度达到了18 090.6 m。根据《AQ 1028-2006 煤矿井工开采通风技术条件》5.1.9的规定，矿井通风系统风量大于20 000 m3/min时，总阻力应小于3 920 Pa，北部区域总需风量见表2。

表2 矿井北部区域需风量

根据目前矿井通风系统实测参数、矿井北部区域需风量及路线总长度，结合公式H=RQ2，预估未来的矿井通风系统最大总阻力约为12 000 Pa，远远超出了规定的3 920 Pa。因此，根据规定有必要规划建立北部进风井，并对其可行性进行论证[4-5]。

3 矿井通风仿真系统的建立

以矿井采掘工程平面图为基础，建立矿井三维通风仿真模型，根据实测的矿井巷道参数对仿真模型中每条巷道的赋值，并进行通风网络解算。通过与测试数据对比验证，仿真结果误差不超过5%，表明可基于该仿真模型对建设北部进风井的可行性进行论证，矿井实测参数见表3[6]。

依据实测参数(详细参数见表3)，以目前矿井通风系统为基础建立仿真模型，通过仿真模型计算出模拟负压，并与矿井风机房水柱计的实测负压进行对比[7-8]，计算误差，见表4。

表3 矿井通风系统实测参数

表4 矿井仿真与实测负压

4 北部建设进风井的通风系统仿真

北部建设进风井的通风仿真系统依据该矿通风最困难时期进行设计，在北部九盘区按照东西翼同时开采设计，总风量按36 000 m3/min配给。

1) 不建设北部进风井。中部进风立井作为主进风井，南部进风立井辅助进风，中部回风立井回风。在目前矿井通风系统仿真模型的基础上，结合北部区域需风量和矿井实测参数，建立包括北部区域在内的全矿井通风仿真系统，利用此仿真系统计算矿井通风最困难时期的阻力。仿真结果：矿井最困难时期通风阻力为8 930.5 Pa，超出规定的3 920 Pa，个别出现巷道超速现象，见表5。

表5 方案1 矿井通风系统阻力

2) 建设北部进风井。中部进风立井和北部进风立井同时作为进风井，中部回风立井回风。利用所建立的全矿井通风仿真系统，并结合北部区域需风量和矿井实测参数[9]，建设北部风井后矿井通风最困难时期的阻力，仿真结果：矿井最困难时期通风阻力为3 559.0 Pa，符合规定的要求，见表6。

表6 方案2 矿井通风系统阻力

根据仿真数据(表5)绘制北部风井建设前的矿井通风系统阻力三区分布图，由图1可知，进风区通风阻力为4 452.0 Pa，用风区阻力为735.2 Pa，回风区阻力为3 743.3 Pa。用风区阻力占通风总阻力比例较小，而进、回风阻力占总阻力的90%以上，显然是由于进、回风路线过长导致。同时总阻力也超出了所规定的3 920 Pa。

根据仿真数据(表6)绘制北部风井建设后的矿井通风系统阻力三区分布图，由图1、图2可知，进风区阻力由4 452.0下降为786.2 Pa；用风区阻力为722.8 Pa，基本没有变化；回风区阻力由3 743.3 Pa下降为2 050 Pa，与建设北部风井前相比，进、回风阻力明显下降，三区阻力分布较之前更加合理，同时满足了规程的要求。

图1 通风阻力三区分布(建设北部进风井前)

图2 通风阻力三区分布(建设北部进风井后)

5 结 语

本文依托矿井建设北部区域进风井工程，采用理论分析、现场测试和数值模拟等综合研究方法，结合Ventsim仿真系统，对矿井建设北部风井前、后的通风困难时期的最大通风阻力进行预测。仿真数据结果显示，建设北部风井前通风困难时期矿井最大通风阻力高达8 930.5 Pa，进、回风阻力占总阻力90%以上；建设北部风井后通风困难时期矿井最大通风阻力降至3 559.0 Pa，进、回风阻力明显下降，进风区、用风区和回风区三区阻力分布更加合理，同时满足规程的要求。根据Ventsim仿真系统的模拟结果可知建设北部风井的方案可行，这具有一定的指导意义。