基于Ventsim的乌兰煤矿通风系统优化设计_刘玉玲.pdf

￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ 作者简介刘玉玲（1983-） ，女，硕士，工程师。主要从事煤矿设计工作。 （Tel15826179375） （E-mailliuyulingwan。 1 基于 Ventsim 的乌兰煤矿通风系统 优化设计 刘玉玲，周和平，苏哲 中煤科工集团重庆设计研究院，重庆（400016） 摘 要Ventsim 是当前矿井通风领域较先进的三维仿真与决策软件，它具有强大的仿 真和可视化功能。 本文系统地分析了乌兰煤矿通风系统存在的问题， 并基于 Ventsim 软件对 通风系统进行模拟，通过对设计方案通风系统的模拟比较，实现了通风系统的优化设计，并 取得了理想的效果。 关键词关键词通风系统优化；三维仿真；网络解算 Optimal Design of Wu Lan Coal Mine Ventilation System Based on Ventsim LIU Yuling,ZhouHeping,Su Zhe China Coal Technology Engineering Group., Chongqing Design Research Institute, Chongqing 400016 P.R.China AbstractNowadays, Ventsim is an advanced three-dimensional simulation and decision-making software in the field of mine ventilation, it has a powerful simulation and visualization capabilities. This paper systematically analyzed the problems of the Wu Lan coal mine ventilation system, and simulation the ventilation system based on Ventsim software, by simulation comparison of ventilation system design, to achieve the optimal design of the ventilation system, and have achieved the desired results. Key Words Ventilation system optimization, Three-dimensional simulation, Network Solution 0 引言 0 引言 矿井通风系统是关系到矿井生产系统可靠运行、职工生命安全的一个非常重要的子系 统。同时通风系统的稳定、高效运转又是治理瓦斯、粉尘以及井下火灾等的一种有效途径。 矿井的通风系统设计与管理一直是矿井设计人员及现场管理人员关注的重点， 通风网络解算 是通风系统设计的核心及关键技术， 传统的手工解算通风网络， 存在效率低、 易出错等缺点， 特别是对于大型矿山的复杂通风网络，靠手工是不可能完成的。早在上个世纪中叶，国外就 开始研究应用计算机来进行通风网络解算，影响较大的两款软件为 MinTeeh 和 DataMine[1]。 近 2030 年来，我国许多高校科研院所对使用计算机来求解通风网络做了大量的工作， 取得了不少成果，但大多没有形成成熟的专业软件，仿真效果较差，而 Ventsim 是澳大利亚 Chasm 公司开发的一款优秀的矿山通风模拟软件[2]，在国内得到较广泛的应用。Ventsim 在 通风网络解算、三维通风系统仿真等方面处于先进水平。可以实现矿井三维通风系统设计， 通风网络解算、风流动态模拟和优化，通风系统经济性分析和评价，为通风系统调整方案仿 真和通风管理提供决策支持；可以对烟雾、粉尘、有害气体扩散路径和浓度进行模拟，实现 灾害预案制定和紧急情况处理。 本文应用 Ventsim 软件，实现神华宁煤集团乌兰煤矿通风系统的改造及优化。 2 1 工程背景及通风系统存在的问题 1.1 工程背景 1 工程背景及通风系统存在的问题 1.1 工程背景 乌兰煤矿为现有生产矿井，生产能力为 2.40Mt/a，本井田共含煤 26 层，其中可采、 大部可采煤层 8 层，全井田划分为＋1350m、＋1150m、＋910m 三个水平，目前正在开 采＋1150m 水平。乌兰煤矿为煤与瓦斯突出矿井，采用斜井开拓，采煤方法为走向长壁 采煤法，采煤工作面采用后退式开采。采煤工作面均采用综采工艺，其中 3 号煤层采用综采 放顶煤开采。 通风方式为两翼对角式，通风方法为机械抽出式。主要进风井筒有主斜井、副斜井、 中部管道斜井，回风井为南翼回风斜井和北翼回风斜井，矿井核定需风量 14835m3/min，矿 井实际总进风量为 16458m3/min，总排风量为 15789m3/min，其中南翼 8310m3/min、北翼 7479m3/min； 南翼回风斜井负压2900Pa、 北翼回风斜井负压2500Pa， 矿井有效风量率95.94， 等级孔 6.0m2，矿井有效风量富余系数为 2.08。改造前的通风系统详见图 1。 风巷掘 抽 主 斜 井 副 斜 井 中 部 管 道 斜 井 南 翼 轨 道 上 山 南 二 轨 道 上 山 南 二 回 风 斜 井 南翼回风斜井 北翼运输上山 北翼轨道上山 北翼回风斜井 1350m北翼运输大巷1350m南翼运输大巷 北三回风上山 1350m集中巷 1280m北翼集中巷 1280m南翼集中巷 八层回风上山 1280m北翼瓦斯抽采巷 1280m南翼瓦斯抽采巷 运输石门 运输石门 5868回风上山 掘 掘 掘 北翼1100m瓦斯治理巷 5867回风巷 5767回风巷 5767运输巷 掘 掘 管 道 斜 井 5347顶板道 5347一号回风上山 5347运输巷 5347综放工作面 5349综放工作面 掘 掘 5768运输巷 5767运输巷 5867运输巷 掘 掘 北翼1100m回风上山 南翼1350中央回风石门 回风上山 1215m集中巷 掘 掘 BD-II-10-NO.32 2400KW 非 1420集中巷 BD-II-10-NO.29 2220KW S14.9 V8.811 Q7877S7.6 V5.491 Q2504 S11.0 V1.974 Q1303 S9.3 V8.556 Q4774 图 1 改造前矿井通风系统图 1.2 通风系统存在问题 1.2 通风系统存在问题 经现场踏勘及分析，乌兰煤矿改造前的通风系统主要存在如下问题 （1）矿井通风线路长、阻力大、通风设施多、角联巷道多，采区内部通风阻力大，两 翼主扇都在高负压状况下运行（南翼回风斜井达 2900Pa 左右） 。 （2）采空区、巷道漏风严重、难以彻底解决，风排瓦斯量大。 （3）井下掘进工作面多，通风系统较复杂。 （4）矿井北翼煤层露头剥挖严重，漏风严重，北翼风井场地浅部存在发火区，对矿井 北翼回风造成安全威胁。 （5）通风设施冗余，降低了通风系统的可靠程度。 3 2 矿井通风系统优化改造 2.1 优化改造方案 2 矿井通风系统优化改造 2.1 优化改造方案 为了“缩短通风流程，减小通风阻力，增大通风能力，提高矿井通风抗灾能力” ，对矿 井通风系统进行改造，改造主要包括以下几个方面的内容 （1）调整局部通风系统，废弃并封闭无用巷道，布置专用回风巷，实现采区分区通风， 使每个采、掘工作面均形成独立通风系统。 （2）结合三水平延深，利用现有1280m 运输巷作为南北翼总回风大巷；增加南北翼 边界回风上山， 在北一采区和北二采区间增设了一条回风上山， 使南北两翼采掘工作面均能 独立通风。 （3）矿井南、北翼主扇均在高负压状况下运行，南翼可通过增大南翼回风斜井断面， 降低其通风阻力；但北翼因其井筒浅部漏风严重，需另布置新的回风井，方可满足矿井安全 需要。 综合上述内容， 矿井通风系统改造的主要问题是北翼回风井的位置选择问题。 根据矿井 开拓、开采布置及现有通风系统情况，并结合本井田的煤层赋存条件，提出以下 2 个优化方 案。 （1）方案一新布置回风斜井方案（矿井北翼现有油库搬迁后的场地内） 在矿井北翼现有油库搬迁后的场地内、沿煤系地层底板（K1砂岩标志层）与北一 采区和北二采区之间的回风上山联合布置回风斜井， 井口标高1570m， 落平标高为910m， 地面至1150m 标高井筒布置在 22 号煤层底板，倾角 23.5，斜长 1053m；1150m 至910m 标高布置在 12 号煤层底板，倾角 23，斜长 614m。井筒净宽 5.0m，净高 4.1m，净断面积 17.8m2。回风斜井通过回风石门与北翼1280m 集中回风巷相连。 （2）方案二新布置回风立井方案（原北翼风井场地内新布置回风立井） 为充分利用矿井现有设施，在北翼现有回风井场地内新布置回风立井，井口标高 1568m，落平标高1280m，垂深 288m，井筒穿越的煤层有 12、16、21、22 号煤层，穿 越各煤层的标高分别为 12 号煤层（1560m） ，16 号煤层（1546m） ，21 号煤层（1515m） ， 22 号煤层 （1510m） 。 井筒直径 5.0m， 净断面积 19.6m2。 井底通过回风石门与北翼1280m 集中回风巷相连。 方案一方案二详见图 2、图 3。 北翼910m集中运输巷 1280m北翼总回风巷 北翼979m集中运输巷 1150m中央变电所及水泵房 北翼新回风斜井 原北翼回风斜井 （本次废弃） 主斜井 副斜井 管道斜井 新副立井 1115m副立井井底车场 910m副立井井底车场 1350m中央变电所及水泵房 1280m南翼总回风巷 南翼1115m回风巷 南翼1215m总回风巷 5868工作面回风巷 5868工作面运输巷 5773工作面回风巷 南翼1047m瓦斯抽放巷 南翼979m瓦斯抽放巷 南翼910m瓦斯抽放巷 南翼回风斜井 图 2 方案一 4 副斜井 管道斜井 1280m中央变电所及水泵房 南翼回风斜井 5773工作面回风巷 南翼1047m瓦斯抽放巷 南翼979m瓦斯抽放巷 南翼910m瓦斯抽放巷 1280m南翼总回风巷 1350m中央变电所及水泵房 主斜井 880m轨道石门 南翼1115m回风巷 北翼910m集中运输巷 1280m北翼总回风巷 北翼979m集中运输巷 1150m中央变电所及水泵房 新副立井 1115m副立井井底车场 910m副立井井底车场 北翼新回风立井 北翼910～1115m回风上山 北翼1115～1280m回风上山 图 3 方案二 2.2 通风系统模拟 2.2 通风系统模拟 利用 Vensim 软件对这两个通风系统改造方案进行模拟。 2.2.1 仿真系统构建 矿井通风仿真系统的图形共有 2 种生成方式①在 Ventsim 系统的绘区域利用鼠标直接 绘制； ②利用 DXF 格式文件转换成仿真系统图。 乌兰煤矿通风仿真系统图采用第二种方式， 即在 AutoCAD 系统下，先绘制通风系统图，具体步骤①将 CAD 图形的文件类型另存为 DXF 文件类型；②按照水平标高新建图层，分图层导入 Ventsim 平台，并同时赋予相应的标 高；③对各节点进行绑定，以保证节点巷道的连接；④录入数据，主要包括巷道、构筑物、 风机等，其中巷道数据包含摩擦阻力系数、断面大小、支护形式等；⑤通风系统运行模拟。 2.2.2 利用 Ventsim 对通风系统优化改造方案模拟 通风系统模拟图详见图 4、图 5。 图 4 方案一 5 图 5 方案二 通风系统优化设计方案模拟结果及投资对比详见表 1。 通风系统优化设计方案模拟结果及投资对比 项目 供风量 （m3/s） 回风井风量（m3/s） 通风线路长度 （m） 通风阻力 Pa 投资比较（万 元） 方案一 258 北翼回风斜井 南翼回风斜井 5237 1065 经造价部门 计算，方案一 比方案二节 省 392 万元 120 138 方案二 258 北翼回风立井 南翼回风斜井 5402 1201 117 141 经综合分析比较，最终确定方案一为最终方案，方案一主要具有如下优点 （1）斜井施工工艺简单，费用低，工期短； （2）回风斜井与北翼1150m～1280m 回风上山联合布置，通风顺畅； （3）井筒位于煤层系地层底板，不受地表剥挖的影响，不穿突出煤层； （4）井筒及风井场地的施工对北翼现有回风斜井不造成影响； （5）方案一与比方案二相比投资省，且通风线路短，通风阻力小。 3 结 论 3 结 论 本文系统地分析了乌兰煤矿现有通风系统存在的问题，并利用 Ventsim 软件对拟定通风 方案进行模拟， 对比分析出较优方案， 为矿井通风系统的设计优化提供参考价值。 把 Ventsim 软件应用在矿井通风系统中， 不但可以快速的进行风网解算、 风流按需分配、 风流动态模拟， 也可以进行短期或长期通风系统规划，对矿井设计人员及通风管理人员发现通风系统问题、 优化通风系统具有一定的指导意义。 参 考 文 献 参 考 文 献 [1]林曾勇.矿井通风系统仿真可视化研究及其应用[D].武汉中国地质大学，2007. [2]骆贞江,杨成林,.Ventsim 软件在矿井通风中的应用[J].有色冶金设计与研究,2009,3037-9.