矿井通风计算机模拟系统的应用.pdf

灾害与防治 矿井通风计算机模拟系统的应用 李聪江 1, 郑书兵 2, 张志峰1 1开滦集团 有限责任公司, 河北 唐山 063301 ;2天地科技股份有限公司, 北京 100013 [摘 要 ] 在美国 MTU M fire 程序的基础上, 利用 3D图形技术研究开发适合煤炭生产企业 使用的矿井通风计算机模拟系统。详细介绍矿井通风计算机模拟系统及其在钱家营矿业分公司的现场 应用, 实践证明, 这套系统是适合煤矿使用的先进软件工具, 模拟结果与现场实际情况完全相符。 [关键词 ] 矿井通风; 计算机模拟; MTU M fire 程序 [中图分类号 ] TD724[文献标识码 ] B [文章编号 ] 10066225 2006 04008102 Application Computer Si mulation System ofM ine Ventilation [收稿日期 ] 2006- 03- 02 [作者简介 ] 李聪江 1970- , 男, 河北抚宁人,1994年毕业于阜新矿业学院采矿工程专业, 现任开滦集团蔚州矿业公司崔家煤矿技术室 主管工程师。 20世纪 50年代波兰 WBudryk学者在研究矿 井火灾时风流状态的基础上,提出了火风压作用和 过量烟气学说,对矿井火灾时发生的各种风流紊乱 现象作出了理论上的分析与阐述。当前国内外已开 发出各具特色的矿井通风和火灾救灾软件, 但许多 软件均在数据管理、图形显示和救灾决策功能上存 在明显的不足,不能将通风系统可视化,因此在指 挥实际火灾救灾方面不能提供及时准确的信息。美 国 MTU M fire 程序是先进的火灾模拟软件, 因 此将其引进并完成火灾模拟计算功能, 但该程序没 有图形显示功能, 为了形象显示井下风流和火灾模 拟状况, 利用 3D图形技术对其进行改造,直接支 持矿井通风系统平面图 或立体图 , 并能够动态 显示井下风流和火灾模拟状况, 从而为矿井的安全 生产提供可靠保证。 1 矿井概况 11 矿井瓦斯概况 采用邻近的范各庄矿业分公司的瓦斯梯度 33m / m 3 / t,推算本矿 - 700m 以浅属低瓦斯矿 井,- 700m以深属高瓦斯矿井。 根据历年瓦斯等级鉴定资料,开采的 - 600m 水平以上区域为低瓦斯矿井,相对瓦斯涌出量最大 为 20m 3 / , t 瓦斯来源主要是采掘工作面和采空 区, 局部区域瓦斯涌出量较大, 个别巷道在掘进过 程中出现底板冒瓦斯泡的现象。采用瓦斯抽放方式 进行瓦斯治理。 12 矿井通风设备 钱家营矿业分公司现有东、西 2个风井,东风 井安装 2台 K473 01型离心式通风机,配套同步 电动机功率为 1600k W,转速 500r/m in, 风机排风 量 25933m 3 /s,负压 3450Pa ,等积孔 56m 2。西 风井安装 2台 GAF266/1581型轴流式通风机, 配套同步电动机功率为 1600k W,转速为 1000r/ m in ,风机排风量 10656m 3 /s, 负压 2250Pa, 等积 孔 264m 2。 13 矿井防灭火概况 本矿 12 s, 9 s, 8 s 和 5 s 煤层属 类自然发火煤 层;12 s- 1煤层自然发火期为 12个月。有自燃倾向 煤层, 设计在发火期内采完并封闭; 通风区负责预 测预报工作并在通风系统上采取均压措施;另外矿 井东西风井各有 1套注浆系统, 随时向采空区和密 闭内注浆。 2 矿井通风计算机模拟系统 21 系统主要功能 系统主要功能有矿井风网解算;矿井火灾计 算机仿真模拟; 计算机选择最短救灾路线;矿井通 风系统图的计算机绘制平面图或立体图 ;矿井 通风系统图的打印输出; 井下风流和火灾模拟在矿 井通风系统图中的动画显示。 22 系统组成和工作原理 系统由两部分组成,一是通风网络解算模块, 二是通风系统的图形显示模块。MTU M fire 程 序担任计算功能即通风解算和火灾模拟解算 ; 利用 3D图形技术开发的图形显示部分,能够适应 矿井动态发展变化的特点,并能够动态显示井下风 流和火灾模拟状况, 支持单线、双线、平面和立体 81 第 11卷 第 4期总第 71期 2006年 8月 煤 矿 开 采 CoalM ining Technology Vo111 No 4 SeriesNo71 August2006 等多种显示方式。 MTU M fire 程序的计算结果直接传送至图 形模块, 图形模块动态显示风网中的风流状况和火 灾模拟状况。这两部分紧密结合, 构成了一个完整 的系统。具体工作原理见图 1 。 图 1 网络解算模块和图形显示模块工作原理 23 系统文件结构 系统文件结构和主要文件用途见图 2 。 图 2 系统文件结构和主要文件用途 24 系统数据库和网络连接 为了满足矿井通风管理、火灾模拟、图形显示 和网络工作的需要,构建了 Access数据库,数据 库中包含系统所需的各种参数和风网数据。 系统可以在单机环境下运行, 也可以在网络环 境下运行。对于网络环境系统要求在主计算机中安 装 SQL Server ,如果未安装 SQL Server ,则主机的 数据库文件 DB MFiremdb应该设置共享,以便网 络中的其他用户可以通过局域网文件共享方式取得 所需数据。 3 模拟系统的应用 2004年 5月 1日,钱家营矿业分公司组织了 矿井反风演习,5月 2日组织了矿井火灾演习。在 这两次演习过程中,利用这个软件系统在公司生产 技术部调度室进行了模拟演示, 系统模拟结果和矿 井现场实际发生情况完全相符,特别是对 1127工 作面火灾的模拟, 指挥人员通过模拟系统实时了解 到受灾范围, 在灾害发生后从容指挥, 从而使应对 措施得力,减小了事故的危害程度。 31 矿井通风网络解算 打开 M fire文件,按照矿井阻力测定的结果, 新建一个文件名,在这个文件名下依次打开巷道数 据、风机数据、节点数据和火灾数据 以上数据 均以数据库文件形式存在 , 在以上数据输入完毕 后进行网络解算。部分巷道的输入数据见表 1 。 表 1 矿井网络解算巷道数据 巷道名称 始节 点 末节 点 风阻 /MPa 风量 /m3 s- 1 副井3600009810 - 600西大巷分岔点690004310 2195口939002420310 - 478下口3736000618410 - 600西大巷口里3837000385810 - 600西大巷口外3938003163610 1683风道口526523016359610 1683运道口527526009244510 1683运道以下横川口528527012353210 32 节点概念解析 在通风图中,实际绘制的巷道均由 2个实际的 点连接而成,将这 2个点称为 实际节点 ∀ 实 际起点∀ 和 实际终点 ∀, 它有别于风网解算中 的 节点 ∀ 概念,为了简单还称这些点为 节点 ∀ 同样通风图中的巷道也有别于风网解算中的 分 支∀ 概念 。但风网解算图实际来源于通风系统 图,本系统考虑到了两者的联系, 并将两者合二为 一进行处理。实际上,风网解算中的 1条分支包含 实际通风图中的多条巷道,风网解算中的节点仅仅 是整个通风图中所有巷道连接点中的一部分。 33 巷道显示样式 巷道线形显示共有 单线型 ∀、 双线型 ∀ 和 彩色双线型 ∀ 3种样式,用户可以根据需要在三 者之间切换。另外, 淡化非解算巷道的功能是为了 突出显示风网解算中使用的巷道, 帮助风网解算人 员设计解算线路。 34 火灾灾情模拟和最短救灾路线选择 火灾灾情模拟首先要在 M fire系统中进行计 算,计算成功后退出 M fire系统,此时技术结果自 动传送至图形显示模块。火灾灾情模拟见图 3 。 最短救灾路线的求解操作步骤如下 单击起点框在起点框中输入起始节点号单 击终点框 在终点框中输入终止节点号 点击 路线求解 ∀ 按钮,系统进行最短路线的查找 选 择 显示救灾路线 ∀。 为了适应矿井发展的要求,井下巷道、风门和 下转 53页 82 总第 71期煤 矿 开 采2006年第 4期 中, 也增加了端头的顶煤损失。根据我国部分低位 插板式放煤支架工作面的放煤损失率统计, 工作面 端头损失一般在 238 左右。 综合上述分析,可以得出伊泰酸刺沟矿综放开 采工作面的煤炭采出率为初采阶段 30 左右; 过渡阶段 65 ; 正常阶段 77 。 223 提高工作面煤炭采出率的技术措施 1 实施煤层预注水,软化煤体,提高顶煤 回收率。 2 采用预爆破弱化煤体,提高顶煤回收率。 3 在设计中,考虑工作面推进方向与煤体 裂隙方位的合理匹配, 提高顶煤回收率。 4 在开切眼附近,采用预裂顶煤顶板,及 时断顶的措施,减少工作面初采期间的煤炭损失。 5 加大工作面开采长度和工作面推进长度, 降低初采和末采的损失率。 6 改进端头支架放煤机构,在确保端头安 全条件下,实施端头放煤, 尽量减少端头损失。 7 在后部输送机上安装浮煤回收装置,减 少浮煤损失。 8 加强放煤工艺管理,保证放煤口开启大 小与尾梁摆放角度一致,尽可能满足大块煤放出。 3 主要结论 1 顶煤的回收率和采场矿压及顶板活动具 有密切关系。每次顶板断裂、压力增大, 顶煤破碎 效果好,都是最佳放煤时期;反之则放煤效果较 差。工作面的矿压活动周期性地出现,导致了工作 面的煤炭资源回收率也是这样周期性变化。 2 采取预爆破、预注水和优化放煤工艺等 综合技术措施, 可有效提高工作面顶煤回收率。 3 考虑真实工作面的放煤损失 6 左右和工 作面端头损失 238 ,该条件下实际工作面的煤 炭采出率为初采阶段 30 左右,过渡阶段 65 左右, 正常阶段 77 左右。 [参考文献 ] [ 1] 王家臣, 李志刚, 陈亚军, 郑厚发 综放开采顶煤放出散体 介质流理论的试验研究[ J] 煤炭学报,2004 3260 263 [ 2] 李化敏, 周英, 翟新献 放顶煤开采顶煤变形与破碎特征 [ J] 煤炭学报,2000 4352355 [ 3] 贾光胜, 王战洲 综放开采顶煤损失及提高回采率途径研究 [ J] 煤矿开采,200 421 23 [ 4] 张顶立 综合机械化放顶煤采场矿山压力控制[ M ] 北京 煤炭工业出版社,1999 [ 5] 钱鸣高, 王庆康 采煤工艺学[M ] 徐州 中国矿业大学出 版社,1992 [责任编辑 邹正立 ] 上接 82页 图 3 火灾灾情模拟演示 掘进面等要不断进行增删和修改, 本系统的图形环 境可以方便地帮助用户完成这项工作。另外本系统 的图形环境还支持井下风流和火灾模拟状况的动态 显示,并可以在单线图、双线图、立体管道图、平 面图和三维立体图之间做出选择。 4 效益分析 41 经济效益 矿井通风计算机模拟系统的应用,使矿井通风 系统可视化,通过矿井通风网络解算,可以优化矿 井通风系统,从而更好地服务于矿井生产。按矿井 每个工作面多出 1刀煤计算可创造 180万元 /a的 经济效益; 按东、西风井节约耗电量计算可创造 240万元 /a的经济效益。 42 社会效益 1 通过矿井灾害模拟,可以对事故起到超 前预防,同时可以有针对性制定出可行性预防措 施,避免事故的发生,为企业和社会创造一个良好 的环境。 2 通过矿井通风系统优化,可以在一定程 度上改善井下生产工作面工作环境, 减小工作面作 业职工的体力消耗特别是工作面温度的降低 。 [责任编辑 邹正立 ] 53 白士邦 综放顶煤放出规律及提高资源采出率的技术措施2006年第 4期