基于Scott-Hensley算法的矿井反风模拟研究

程 磊，王泽华

(河南理工大学安全科学与工程学院，焦作 河南 454000)

0 引 言

当煤矿井下发生瓦斯与煤尘爆炸、煤层自然发火等灾害事故时，矿井通风系统是否可靠、灾害应急处理是否及时有效显得尤为重要[1]。矿井反风是矿井发生灾害时(特别是火灾)所采取的一项重要的控制风流的救灾措施[2]。当矿井进风井口、井筒、井底车场、主要进风巷和硐室等地点发生火灾时，进行全矿井反风，一方面可以防止高温空气和有害气体进入井下作业点，避免造成人员烧伤及有害气体中毒事故，另一方面可避免火灾事故扩大，为井下人员撤离创造条件。

矿井灾变时期，矿井反风是矿井灾害应急救援的一项重要措施，井下发生灾害时采取全矿井反风措施，可以使有害气体和火灾烟流由进风井筒排出，缩小井下受灾范围[3-5]。因此，有必要对实现矿井反风的各种方式以及不同反风方式产生的反风效果进行详细研究，为给矿井匹配合适的反风方式，行之有效的方法是对矿井反风进行仿真模拟。随着计算机技术的发展，对于矿井系统仿真模拟技术已经达到了新的高度[6-7]。谈国文[8]对复杂矿井通风网络的可视化动态解算进行了研究；钟德云等[9]对基于回路风量法的复杂矿井通风网络的解算算法进行了研究；刘兴滨等[10]通过建立矿井三维通风系统仿真模型对矿井北翼回风立井运行后的分区通风系统进行模拟，实现了矿井的精确调风；袁明昌等[11]采用三维仿真系统对武山铜矿通风系统做了优化研究，解决了武山铜矿通风系统存在的南北矿带风流干扰严重、风速合格率偏低的问题；程磊等[12]通过对矿井仿真模型的研究提出了矿井通风网络图的自动绘制技术研究；辛嵩等[13]等通过Ventsim建立矿井通风系统模型，对单翼通风系统进行了优化研究。

以薛湖煤矿为研究对象，首先详细分析不同矿井所适用的各种反风方式，运用MATLAB软件对矿井建立三维仿真模型，将Scott-Hensley解算算法编写为MATLAB程序，对模拟的各种反风方式进行解算，选出最合适的反风方式，实现全矿反风。

1 工程背景

薛湖煤矿井田面积约73.95 km2，为煤与瓦斯突出矿井，设计生产能力1.2 Mt/a，剩余可采储量86.343 Mt，剩余服务年限51.4 a。矿井采用立井单水平上下山开拓方式，倾斜(走向)长壁后退式采煤方法，一次采全高，全部垮落法管理顶板。矿井通风方式为混合式，通风方法为抽出式，即：主井、副井进风，中央风井和东风井回风。中央风井安装2台对旋轴流式主要通风机，工作风量7 126 m3/min；东风井安装2台对旋轴流式主要通风机，工作风量10 455 m3/min，风量满足安全生产要求。目前，矿井总进风量为15 956 m3/min，总回风量为17 189 m3/min，有效风量率为89.95%。

薛湖煤矿最近一次全矿井反风演习：中央风井与东风井同时进行反风，通过风机反转实现。此次反风演习8∶52开始，10∶53反风结束，11∶30反风演习结束，共历时158 min。中央风井主通风机反风前总风量为5 401 m3/min，反风时总风量为2 869 m3/min，中央风井主通风机反风率为53%；东风井主通风机反风前总风量为10 480 m3/min，反风时总风量为6 770 m3/min，东风井主通风机反风率为65%,从指挥部下达反风命令到井下风流反向历时6 min。

2 反风方式分析与模拟算法

2.1 反风方式分析

生产矿井主要通风机必须装有反风设施，并能在10 min内改变巷道中的风流方向；当风流方向改变后，主要通风机的供给风量不应小于正常供风量的40%。每季度应当至少检查1次反风设施，每年应当进行1次反风演习；矿井通风系统有较大变化时，应当进行1次反风演习。矿井通风系统经简化后可分为三类：单风井工作的矿井、有共用进风段多风井工作的矿井、无共用进风段多风井工作的矿井。单风井工作的矿井只有一种反风方式，只需将该风井反风即可；有共用进风段多风井工作的矿井和无共用进风段工作的矿井均有3种反风方式，分别为两风井同时反风；仅一个风井单独反风，另一风井保持正常通风；仅一个风井单独反风，另一风井停运并打开风井防爆门。

2.1.1 单风井工作的矿井

该类矿井反风较为简单(图1)，这种矿井反风方式较为单一，只要将该风井进行反风，就可以实现全矿井的反风。

图1 单风井工作的矿井

2.1.2 有共用进风段多风井工作的矿井

有共用进风段的多风井工作的矿井可以简化成图2所示的示意图，仅以两个风井为例来进行分析。

图2 有共用进风段的多风井工作的矿井

图2为通风系统示意图。矿井虽有2个回风井，但他们有共用的进风段,对该类矿井进行反风，有3种不同的反风方式。将这3种反风方式定义为反风方式的集合：M={M1,M2,M3}，其中：M1表示F1和F2两风井同时反风；M2表示仅F1风井进行单独反风，F2风井保持正常通风；M3表示仅F1风井进行单独反风，F2风井停运，并打开该风井防爆门。将反风条件定义为条件集合T={T1,T2,T3,T4}，其中：T1表示F1、F2两风井风机能力相同，即F1=F2；T2表示F1井风机能力小于F2井风机能力，即F1

当反风方式为M2，反风条件为T1或T2或T3时，其反风结果如图3所示。F1风井所独立担负的区域可以实现反风；公共段CO段依然保持进风，但进风量减少；F2风井的排风量增加；F2风井所担负的独立区域的风量有大部分是来自F1风井所独立担负区域的乏风。该方式会造成公共段没有实现反风、保持正常运行系统的风量部分来自反风系统区域的乏风，存在安全隐患。

图3 仅F1反风且F1=F2或F1

当反风方式为M2，反风条件为T4时，其反风结果如图4所示。F1风井所独立担负的区域可以实现反风；公共段CO段微风或者反风；F2风井的排风量增加；F2风井所担负的独立区域的风量全部是乏风，是来自F1风井所独立担负的区域的乏风。该反风方式存在不确定性，公共端CO可能会实现反风。

图4 仅F1反风且F1>F2

当反风方式为M3时，只需保持一个风井反风即可实现全矿反风，其反风结果示意图如图5所示。该方式不能保证井下所有用风地点的风量满足需求；井下局部用风地点的风量较低，不足以排除涌出的瓦斯；F2风井担负区域的风量来自F1反风系统区域的乏风。

图5 仅F1反风，F2停运

2.1.3 无共用进风段多风井工作的矿井

如图6所示的通风系统示意图，矿井虽有2个回风井，但他们有各自相对独立的进风段、回风段。从图6中可以看出，在进风段中有一段角联巷道O1O2，当F1、F2两风机的能力大小基本相同且两风井系统的阻力大小差别不大时，该端巷道的风量较小，方向也容易出现不稳定的情况。对该类矿井进行反风同样有M1、M2、M3三种不同的反风方式。

图6 无共用进风段的多风井工作的矿井

当采用的反风方式为M1，即F1风井和F2风井同时反风时，可直接实现全矿井反风，但角联巷道O1O2段的风量与风向受两风机能力大小的影响，其反风结果如图7所示。

图7 F1、F2同时反风

当采用的反风方式为M2时，即仅F1风井进行单独反风，F2风井保持正常通风，且在角联巷道O1O2段建立临时密闭设施，实现了两个区域完全分隔，其反风结果如图8所示。F1风井所独立担负的区域可以实现反风；对F2风井略有影响，但影响较小。此时，如果类似于O1O2段的角联巷道较多对造成临时工程多，在规定时间内不容易实现反风。

图8 F1反风、F2正常运行

当采用的反风方式为M3时，即仅F1风井进行单独反风，F2风井停运，并打开该风井防爆门，此时只需保持一个风井反风，即可实现全矿井反风，如图9所示。但该反风方式不能保证井下所有用风地点的风量满足需求；井下局部用风地点风量会较低，不足以排除涌出的瓦斯；F1风井能力大小决定井下各地点反风风量。

图9 F1反风、F2停运

2.1.4 反风方式分析结论

通过各种反风方式的优缺点及反风结果进行研究，得出以下结论：单风井工作的矿井，可以直接进行反风，实现反风；对于多风井工作的矿井，宜根据风井的实际情况来选择合适的反风方式；有共用进风段多风井工作的矿井，宜两风井同时进行反风达到反风目的；无共用进风段多风井工作的矿井，既可以两风井同时反风，也可以建立适当的临时设施，风井单独进行反风。

2.2 反风模拟算法实现

2.2.1 通风网络基本数学模型

通风系统中风流流动遵循三大定律：风压平衡定律、风量平衡定律和阻力定律。对于一个有N条分支，M个节点的通风网络，根据这三个定律可以建立通风网络数学模型，见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式(1)是由风压平衡定律确定的(n-m+1)个非线性方程；式(2)是由风量平衡定律确定的(m-1)个线性方程。对通风网络进行解算结果必须使式(1)和式(2)同时成立。

2.2.2 通风网络解算数学模型

回路风量法对非线性方程组求解有多种算法法，常用的有牛顿法和Scott-Hensley算法[14]。本文采用Scott-Hinsley算法。以独立的闭合回路为计算单元，在每个独立的闭合回路中选取近似风量并列出风压平衡方程，再用泰勒级数展开求解风量的校正值。Scott-Hensley算法数学模型见式(3)。

(i=1,2,3,…,M)

(3)

精度指标达式，见式(4)。

max|ΔQi|<ε(1≤i≤M)

(4)

式中，ε设定的精度条件。用上述ΔQi对回路中各分支风量进行迭代修正，如此反复进行，直至所有回路的修正风量都达到指定精度。

3 实例应用

薛湖煤矿通风系统属于有共用进风段的两风井工作的矿井。根据第2节结论可知该矿井通风系统共有5种不同的反风方式：①中央风井、东风井均反风；②中央风井反风、东风井正常通风；③中央风井正常通风、东风井反风；④中央风井反风、东风井停运；⑤中央风井停运、东风井反风。

5种反风方式中最后两种反风方式都存在风机停运的情况，当风机停运时不能保证井下所有用风地点的风量满足需求；井下局部用风地点的风量较低，不足以排除涌出的瓦斯，可能会产生次生事故。因此，进行反风时一般不会采用这两种方式，因此在模拟时，只对前三种反风方式进行模拟。

将Scott-Hensley算法写成MATLAB程序，并绘制薛湖矿的通风系统三维模型，将初始数据输入到算法程序中迭代计算，满足5%精度要求后再对3种不同反风方式进行迭代计算，直至这3种反风方式迭代计算出的结果均符合精度要求。迭代计算结果见表1。

薛湖煤矿回风井分别为中央风井、东风井，而且两风井主要通风机的能力相差较大，东风井风机能力为中央风井风机能力的1.3倍多。通过对表1数据分析可得出薛湖煤矿不同反风方式的结果：薛湖煤矿反风应当首选中央风井、东风井同时反风，且各风井、巷道反风率均大于40%；采用单风井反风时，另一个风井风机保持正常运行时，实现反风的风井和巷道的反风率均大于40%，副井、主井、东翼轨道、辅助进风巷、胶带大巷等主要进风巷道的风量并未发生反向；23采区、25采区由东风井担负，27采区、29采区由中央风井担负，要使采区风流反向，需使担负该区域的风井反风即可。

表1 薛湖煤矿反风模拟结果表

4 结 论

1) 单风井工作的矿井，可以直接进行反风，从而实现反风的目的。

2) 有共用进风段多风井工作的矿井，宜两风井同时进行反风从而达到反风的目的。

3) 无共用进风段多风井工作的矿井，可以两风井同时进行反风达到反风目的，也可以建立临时设施，风井单独进行反风，但会增加临时工程量。

4) 薛湖煤矿的反风模拟结果显示，当进行全矿反风时应采用中央风井、东风井同时反风的方式且模拟数据表明该反风方式各风井和巷道反风率均大于40%；当进行单翼反风时，采用担负该区域的风井反风，其余风井正常通风的反风方式，且模拟数据表明实现反风的风井和巷道的反风率均大于40%。