矿井通风仿真系统对煤矿通风系统的设计启示.pdf

2 0 1 4年第 6期 总第 1 0 5期 } j 【与 舌 圭 E N E R G Y A N D E N E R G Y C O N S E R V A T I O N 2 0 1 4年 6月 主 雏 麟妻 誊 矿井通风仿真系统对煤矿通风系统的设计启示 任万栋 ，刘慧霞 1 ．山西省煤炭安全执法总队，山西 太原 0 3 0 0 0 1 ；2 ．山西省吕梁市煤炭工业学校，山西 吕梁 0 3 3 0 0 0 摘要 针对煤矿通风 系统中，设计基于矿井通风仿真系统，有效提高对矿井通风数据的管理效率，强化矿井通风的 实时监控，实现对煤矿开采中矿井内通风情况的可视化三维监控 ，提高煤矿开采效率。将矿井通风仿真系统应用到煤矿 通风系统中，具有实际的应用价值 ，能够有效改善矿井施工工况，确保空气流通 ，降低矿井施工中安全事故的发生，提 升煤矿安全质量。 关键词 矿井通风仿真系统；设计；煤矿通风系统 中图分类号 T D 7 2 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 0 8 0 2 一 2 0 1 4 0 6 0 0 3 8 0 2 De s i g n o f Co a l M i n e Ve nt i l a t i o n S y s t e m Ba s e d o n M i n e Ve nt i l a t i o n S i mul a t i o n S y s t e m REN Wa n d o n g ’ ． L I U Hu i - x i a 1 ． L a w E n f o r c e me n t T e a m f o r Co a l S a f e t y o f S h a n x i P r o v in c e ， T a iy u a n 0 3 0 0 0 1 ， S h a n x i ， Ch i n a ； 2 ． L v l i a n g C o a l I n d u s t r y S c h o o l o f S h a n x i P r o v i n c e ， L v l i a n g 0 3 3 0 0 0 ， S h a n x i ， C h i n a Ab s t r a c t D e s i g n c o a l mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e m b a s e d o n mi n e v e n t i l a t i o n s i mu l a t i o n s y s t e m t o i mp r o v e t h e ma n a g e me n t e f f i c i e n c y o f t h e v e n t i l a t i o n d a t a o f mi n e ，s t r e n g t h e n t h e r e a l - t i me mo n i t o r i n g o f mi n e v e n t i l a t i o n ，a c h i e v e t h e v i s u a l t h r e e - d i me n s i o n a l mo n i t o r i n g o f t h e mi n e v e n t i l a t i o n i n c o a l mi n i n g ，a n d i mp r o v e t h e e f f i c i e n c y o f c o a l mi n i n g ． I t i s o f p r a c t i c a l v a l u e t o a p p l y t h e mi n e v e n t i l a t i o n s i mu l a t i o n s y s t e m t o c o a l mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e m， wh i c h c a n e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e wo r k i n g c o n d i t i o n s o f mi n e c o n s t r u c t i o n ，e n s u r e v e n t i l a t i o n ，r e d u c e t h e i n c i d e n c e o f a c c i d e n t s i n mi n e c o n s t ru c t i o n ，a n d i mp r o v e t h e s a f e q u a l i t y o f c o a l mi n e s ． Ke y wo r d s mi n e v e n t i l a t i o n s i mu l a t i o n s y s t e m； d e s i g n； c o a l mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e m 0 引言 针对当前国内在煤矿通风仿真系统软件设计中存 在的不足，设计基于矿井通风三维可视化的仿真系统 ， 通过通风系统的三维 自动构建、三维可视化、对动态 风流仿真及通风图属的三维交互查询，实现对煤矿通 风的立体监控操作，不仅可以便于对煤矿通风的三维 可视化管理 ，也将会有利于提升煤矿矿井通风的监控 质量 。以下 以北方山西阳煤煤矿为例 ，探讨基于矿井 通风仿真系统的煤矿通风系统设计，具体介绍如下。 1 煤矿基本情况 针对北方地区山西阳煤煤矿 下称 “ 该矿” ，其 位于山西省境内，该矿井对外交通方便 ，地理位置十 分优越 ，有着丰富的浅部煤炭资源 ；井田面积 8 3 ．6 k m ，地质储量 1 0 ． 61 0 t 。可采储量 6 ． 4 X 1 0 t 。矿 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 3 0 第一作者简介任万栋，1 9 8 5年生，男，山西汾阳人，2 0 0 9年 毕业于中国矿业大学安全工程专业，助理工程师。 38 井设计能力为 2 4 0 X 1 0 t ／ a ，核定能力为 2 9 01 0 4 t ／ a ， 主采 3 、1 2 、1 5 煤层 。矿井产量 已持续多年保持在 4 0 01 0 t 以上。为石炭系 、二迭系煤质 、煤种和主 要产品结构为3 、9 、1 5 、1 5 下煤为井 田赋存稳 定 。且在该矿井开采中 ，由 5 2 2 1 1风巷 一 5 0 6 m 为 5 2 2 1 1 切 眼 “ h 4 ”测点向上 1 1 ． 6 m处按 3 2 8 。经度方 位施 工 ，其风巷设 计 中全 长为 5 3 5 m，其上对 应 的 C 1 3煤 已被 回采 ，下覆 B l 0煤也 已回采 ，本次矿井 的 施工范 围是 F 1 0 5 、F I O 一 5 8 之间的断层 内，风巷北 断也将会靠近 F I O 一 5 8 断层带； 在该矿井中，其风巷 水文地质情况较为复杂 ，最大涌水量 为 3 ． 0 m 3 ／ h ～ 6 ． 5 m ，正常涌水量 为 1 ． 0 m ／ h 一 2 ． 5 m ／ h ，且还具有煤 尘爆炸的危险 l生，只有加强对矿井的通风管理及瓦斯 监测工作，才可以确保矿井施工安全。 2 矿井通风仿真系统对煤矿通风系统的设计 2 ． 1 系统需求分析 a 在矿井通风系统的设计 中，应该合理利用通风 动力 ，以最经济的方式为井下用风点提供足量空气 ， 确保矿井具有适宜的温度、湿度，并可以保持矿井中 2 0 1 4 年第 6 期 任万栋， 等 矿井通风仿真系统对煤矿通风系统的设计启示 2 0 1 4 年 6 月 具有良好的气候条件， 从而可以保证井下作业人员安全； b 1在矿井通风仿真系统设计中，还应该采取符合矿 井实 际情况 的矿井通 风方式及 矿井通风方 法 ，能 有 效控制矿井风向及风量 ，防治瓦斯 、火灾、粉尘灾害 ； c 1在设计该系统中，还可以借助现代化信息管理技 术 ，应用计算机作为辅助手段 ，实现对矿井通风系 统的管理 ，加强矿井通风管理，提高煤矿通风系统 的抗灾能力；d 在矿井的通风仿真系统设计中，应 该具 有人性化 的系统操作界 面 ，提高 系统操作 的友 好性，并能够积极改善矿井通风状况 ，确保煤矿矿 井施T安全 。 2 ． 2 系统功能分析 在矿井通风系统设计 中，系统应该具备绘制通风 系统图、网络图的能力 ，同时也应该具备风机选型、 风机调节 、自然分风管理 、按需分风解算 的能力 ，实 现对通风的最优设计与改造 ，调节控制矿井通风状况。 并且在煤矿通风系统设计 中，在基于矿井通风仿真系 统的设计中 ，还应该具备风机管理 、通风报表 、故 障 诊断及矿井灾变处理 的能力 ，可以应用计算机图形 系 统 ，以此来建立基于矿井的三维通风 网络模 型，能够 实现通风系统的数字化、可视化管理，对系统的网络 数据进行实时处理、解算 ，为矿井管理人员及技术人 员提供数据支持。并且在矿井通风仿真系统设计中， 还应该采用先进的计算机图形及数据库 、虚拟现实技 术 ，实现三维建模功能 ，使用户对复杂矿井 内的通风 情况 ，仅以三维图形就能够实现对矿井各个巷道风 量 、风向的实时解算 ，实现对矿井通风的全方位管理。 2 ． 3 系统硬件组成 针对该煤矿通风系统设计 ，对其矿井通风设计 中 应用通风仿真系统，可以有效实现对矿井内通风状况 的结算 ，确保矿井作用安全。该矿井通风系统的硬件 中，应该确保系统满足实际用工需求，确保矿井通风 正常，降低矿井事故的发生。针对该煤矿矿井的通风 仿真系统设计 ，那么其通风系统应该包括三维 自动构 建 、三维可视化及动态风流仿真、通风图属三维交互 查询 四个部分组成 ，故此 ，在该矿井仿真通风系统分 布设计中，将会应用到 D P接口、I ／ 0传输、传感器 、 电力参数采集 、以太网、P L C 、上位机、电源模块 、 C P U 、A D转换等 ，以满足对矿井通风仿真软件的硬 件设计需求，为矿井作用安全提供保障。_1 ．2 1 2 ． 4 系统软件设计 在该矿井通风仿真系统的软件设计中，应该确保 矿井通风仿真软件具备一定的智能性、可靠性 、实时 性与稳定性，确保矿井通风系统可以提高通风系统工 作效率。因此在系统的软件设计部分，应该包括以下 几个方面 。 a 对于矿井通风仿真软件系统的软件设计中，应 该实现网络解算 ，实现对矿井通风系统的仿真、预测 及分析，在系统的软件设计中，应该包括对自然分风 解算 、需求分风解算及设计 况点 的选择风机 ，然后 确保在软件实际应用中，可以利用网络解算结果 ，实 现对通风 系统 的仿 真模拟 ，及对 网络结构 的评价优 化 。该软件的流体网络图如图 1中所示 ； 图 1 系统流体网络图 b 在矿井通风仿真软件系统软件设计中，还应该 确保对矿井通风网络结构的合理性分析与评价，可以 确切计算出该通风系统网络结构的合理性系数，从而 可以判断出该网络结构的合理性。能够以图形 和表格 的方式 ，对于主要通风机工况点进行稳定性判断 ，找 出通风系统中的困难工作面通路 ，计算系统中的进 风 、用风及 回风阻力 ，并且能够 以图形和表格方式对 通风系统实施角联分支查询 ； C 在该矿井通风仿真软件系统的设计中，系统可 以绘制清晰、准确的网络图，以实现对矿井通风系统 的可视化，通过计算网络数据，自动生成网络图，随 后可 以根据 网络数据 ，以将用风地点排列在网络图的 中央，使矿井的通风系统结构被管理人员一 目看清 ， 同时在 网络图中，还具有一定的 G I S功能 ，可 以对 图 上显示的分支巷道名称、长度及断面、风量等参数进 行及时编辑计算 ，确保通风系统分析软件可以和网络 图软件融合起来，可视化的管理矿井通风情况； d 在该矿井通风仿真软件系统的软件设计中，应 用通风机智能选型软件，可以计算出用风地点的风 量，并且还可以计算出矿井风量及通风系统阻力，计 算主要通风机工作风量及风压；还可以根据网络图上 的巷道参数、通风参数及风机_T况点，将其修改数据 存入到数据库 中，进行网络解算 。能够把矿井的网络 图导人到 C A D系统 ，并且可 以在绘 图仪上进行输出 ， 针对软件系统中所有的生成数据及文字解算结果，还 都可以导人到 WO R D中。 下转 4 4页 3 9 2 0 1 4 年 第6 期 派占 钍 以为制氮机 的最大生产量为 6 0 0 I l l ／ h ，所 以需要连续 注氮时间在 9 5 h以上，必须要保持制氮机连续_丁作 4 h ， 以保证采空区自燃氧化带的安全 ，降低 自燃的可能 性 ，提高安全生产效率。 4结语 煤炭资源的需求量越来越大，使得煤炭开采企业 必须要加大生产力度。但 在煤炭资源开采过程中 ，由 于生产速度加快 ，再加上施T条件恶劣 、施工环境复 杂 ，施T丁艺和施T技术相对繁琐等 ，给矿业开采带 来了困难。一旦管理不善就会在生产过程中出现一些 安全事故等， 严重威胁着施工人员的身体健康和生命 安全 ，同时会对施 r企业 的设 备造成极大损 害 。因 此 ，必须要注重井下事故因素的研究 ，做好井下安全 事故 的防护措施 ，同时制定应急事故处理方案 ，保证 安全生产 ，提高施T效率和施T进度 。 参考文献 [ 1 ] 张学祥_3 2 2 l 1 一 1 综采工作面防灭火及瓦斯治理技术研究 与应用[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 1 0 S 1 7 3 7 5 ． [ 2 ] 雷铁山， 马小印． 综采工作面停产期防灭火管理与瓦斯涌出 探讨[ c] ， ／ 陕西省煤炭学会． 煤矿瓦斯地质与抽采利用研究 陕西省煤炭学会学术年会论文集f 2 0 1 2 ． 西安 陕西建 筑工程 学院， 2 0 1 2 ． [ 3 ] 郭鹏飞， 陈凡 ， 刘地 生． 高突危险综采工作 面防 瓦斯 、 防灭 火治理方法[ J ] ． 煤矿现代化 ， 2 0 0 6 0 2 3 7 3 8 ． [ 4 ] 曹 楠． 高瓦斯综采工作面煤层 自燃封闭火区治理技术研 究[ D] _ 西安 西安科技 大学 ， 2 0 1 2 ． [ 5 ] 马 驰． 采空区遗煤 自燃“ 三带” 分布数值模拟及防灭火综 合治理技术研究[ D] ． 安徽 安徽建筑工业学院， 2 0 1 1 ． [ 6 ] 王学伟， 王延阁． 易自燃厚煤层综采工作面回收期间综合防 灭 火技 术的研 究应用[ J ] 河南科技 ， 2 0 1 3 1 5 3 0 ． [ 7 ] 刘富道 ， 付立志． 福城煤矿 1 9 0 2 N综采工作面防灭火预控技 术及实践[ J ] ． 山东煤炭科技 ， 2 0 1 2 0 6 l 5 2 ， 1 5 4 ． 责任编辑刘倩倩 ●- ●0●0●◇● ◇● ● ● 0‘ ●◇● ●- c ● 0 ● ●0 ●00‘ ●◇●0‘ ●0●o‘0● ◇0 ●- ● 0 ● ●0● ●◇0 ◇● ●◇●0● ●0● ●0 上接 3 9页 3 矿井通风仿真软件 系统的应用分析 在煤矿开采中应用矿井通风仿真软件 ，将用户操 作转变成为矿井通风网络解算文件 ，也就是通过 网络 拓扑结构 、参数数据文件 、节点数据文件 、筑物数据 文件 、风机特性 曲线库文件 的形式 ，规划 出该系统的 通风网络图，并对该网络进行解算，还原原始数据。 通风量计算中的应用 在该矿井的通风风量计算中，根据通风仿真软件 系统，对矿井矿井总风量进行计算 按柴油设备单位 功率指标 4 ．0 8 m 3 ／ k W m in ，以总功率为依据，折算 总风量为 Q 5 7 6 k W 4 ． 0 8 m ／ k W ra i n 2 3 5 0 ． 0 8 m 3 ／ mi n ，即 3 9 ． 1 6 m3 ／ s 。 通风负压计算 。巷道通风负压 由式 1 计算 各类作业面的数量 ，个。 针对各类作业面所需风量，各类作业面的数量及 风量 备 用 系数 从 而计算 出总 风量 Q m 1 ． 5 2 ． 4 4 1 ． 7 53 2 ． 15 1 ． 3 43 2 2 ． 52 5 4 ．4 m3 ／ s 。 对于矿井的通风系统布置中 ，采用单翼对角的抽 出式通风方式 ，也就是 由副井来进入新风 ，并且经井 底车场及石门，从而可以进入 阶段运输巷道 。在实际 中，还应该考虑作业面分风需求 ，确保矿井采矿中的 风流通风 ，可满足生产通风要求。减少因负压不平衡 问题 ，确保风量分配合理 ，在主要需风岔 口及 回风联 络道中，使扇风机安全经济地运转，可以设测风站及 活动式调节风门，应用矿井通风仿真系统 ，实现对矿 井掘进面的通风管理 ，确保矿井通风安全。 h aLP q 2 ， 1 4 结语 式 1 中，h 为巷道通风负压，P a ；P为巷道周界， IT I ；L为巷道长度 ，1T I ；S为巷道断面 ，m ；q 为巷道 所需风量 ，m3 ／ s ；r z 为摩擦系数 ，N s 2 ／ m 。 最终计算得矿井总负压为 1 8 0 0 P a 。 矿井巷道所需风量按排尘风速计算 Q V S O ． 2 5 5 ． 2 4 1 ． 3 4 m 3 ／ s ， 2 式 2 中 ，Q为放矿 巷道所需 风量 ，ln ／ s ；V为 风 速 ，m／ s ；S为巷道断面，m 。 矿井总风量计算 中，可以根据式 3 p m ∑Q ， 3 式 3 中，Q 为矿井总风量，m 。 ／ s ；Q 为各类作业 面所需风量 ，r n 3 ／ s ；K为风量备用系数 ，K -- 1 ． 5 ；N i 为 4 4 建立可视化的矿井通风仿真系统，根据当前煤矿 矿井特点 ，设计基于煤矿通风系统的仿真系统 ，优化 改造当前的矿井通风仿真系统 ，应用软件优化矿井通 风网络 ，实现对矿井通风系统 的模拟监控 ，强化煤矿 通风管理 ，有效提升煤矿开发的现代化进程 ，具有实 际的应用价值 。 参考文献 [ 1 ] 邢玉忠． 矿井重大灾害动态机理与救援技术信息支持系统 研究[ D] ． 太原 太原理工大学， 2 0 1 2 ． [ 2 ] 周丽琨． 虚拟现实系统中不规则形体的几何表现[ D] ． 武汉 武汉理工大学， 2 0 1 2 ． 责任编辑 刘倩倩