动态管理模型监测技术在通风系统中的应用

王思洁

（山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司，山西 晋城 048000）

1 前言

矿井深部开采对设备以及技术要求越来越严格，原来的矿井通风系统已经无法满足要求，新的通风系统随着开采深度的增加，也面临调控效率低下、风量小、风流短路等情况[1-4]。针对上述情况，将巷道风机、风路、通风节点集成一体，建立动态管理模型，该模型检测通风系统各个部件，对软件解算值和监测值对比分析，一旦出现数据差异且达到一定的程度，就会预报，保证矿井施工安全，降低损失。

2 工程概述

南凹寺煤业由于矿井开采延伸，现有通风系统无法满足生产要求。为实现矿井进出风的良性循环，需要针对矿井的实际情况，制定可行性通风网络方案。经过现场勘测，矿井的通风网络现状为竖井与斜坡较多，且分散，原来的系统无法满足风量要求，调控也较难进行。另外，由于工作面分散，掘进过程中，井下的部分风机安装的最佳位置被固定设施以及运输设备占用。由于以上种种原因，导致主通风机进风量不满足要求，因此，工作面易受自然风压影响，损失率居高不下。

3 矿井方案设计

通风网络设计需要权衡矿井的承载能力，不仅满足各方需求，同时要减少资源浪费，确保安全生产。根据现有的通风网络，考虑到通风网络的变化与系统的成本，在原来通风网络的基础上增加接入节点，以适应目前巷道掘进现状。图1 为简化通风示意图。因为目前通风系统不符合整个矿井的要求，因此对矿井通风网络提出改进方案：（1）在西回副井、风井联络道内安装风门，使其组成独立通风回路，达到风量要求；（2）在210m 中部设置局部风机，以补充西风井回风效应；（3）东回风井同样设置风机，使其达到该区风量要求。考虑大气压、温度、自然风压影响，防止出现新鲜空气短路和污气循环，在交叉口增设风门与空气幕，使分流调控水平得到加强。上述方案的实施，不必再掘进斜井进行连通，减少工程量和工程耗费。另外，复杂区域被空气幕、风机与风门分割成较独立的通风结构，后期动态管理时各层的通风状况便于独立控制，对工程进展提供较好的安全保证。

图1 通风示意图

4 动态模型检测技术

4.1 通风系统参数

表1为通风系统参数表，主要包括网络、构筑物、通风机、环境、工作面等参数。上述参数与解算的速度和精准度有关，是动态模型创建的基本要素。根据参数能够得到各部分风压与风量，通过这些参数能够对方案成效预判。

表1 通风系统参数表

4.2 回路风量解算

目前应用最为广泛的一种风网解算算法是回路风量法，其优势主要表现在实现方便、运行速度快、收敛性较好等方面。由于矿井网络复杂，回路多，易发生回路复杂化及误判。所以对BFS 生成树进行优化，从而保证双通路法解算，提升解算精确度与效率。图2 是BFS 算法流程。BFS 算法步骤如下：（1）从网络的初始节点开展排序与层次的划分；（2）判断关联分支数，进而对其进行排序与等级的划分；（3）把各分支当成起点，开展排序与层次的划分，给第二层进行排序与等级的划分；（4）访问流程随着每个分支划到最终节点进而终止。 另外，回路解算时，依据不同等级与层次给对应权重进行设置，从而对风压与风量模型精确分析。

图2 BFS 算法流程

4.3 动态模型的建立与可视化

确定各种参数、解算方法及设计完通风网络方案之后，对其进行封装，从而成为独立结构，计算机进行快速解算，成为动态管理模型，进而实时监测矿井通风情况。SQLServer 数据库包括风路、节点、风机等基本参数，使用BFS 生成树，解算节点风量。为确保动态管理模型数据准确与可靠，需分析比较现场实测值和软件模拟值。若两者误差大于12%，就会预报，如果不大于12%，会依据测定的数据，调整解算参数。图3 是动态模型处理流程。

图3 处理流程

在动态模型里，可在系统中对矿井工作状态、风阻与风量开展判断验证之后，进而对参数进行修正。该技术具有以下优点：（1）可以根据矿井通道的变化调整解算参数，更好地适应矿井不同规律；（2）可以检测出，在不同气候环境中，深部开采部分受自然风压的作用；（3）使人员对通风系统的盲目判断得到有效降低，能够使工作人员快速了解通风系统的实时状况，提高工程进速度。

5 动态模型应用分析

通风网络的节点作为动态管理模型的关键监测点，被全程不间断的监测。依据设计方案，通风系统中对应置放空气幕、风机和风门。主联通道路和竖井以及斜井相互关联，并依据层次和等级的差异对不同段的竖井和斜井的风量进行分配，为进一步保证风量的平稳性，相应数量的通风机被置放在交叉口的风机上。布置南凹寺煤业的通风系统且对比分析实测数据和动态管理模型的数据，结果如表2所示。

为对动态管理模型的准确性进行评判，南凹寺煤业通风系统关键节点需要持续监测。由表2 的对比分析数据可得：关键联络道的风量需求在通风网络的布置下被持续满足。通过对比分析动态管理模拟数据和通风网络节点的实测数据可得，两者的结果和变化趋势极为相近，由此可见，基于动态管理模型对于关键节点的风量变化模拟是较为准确的。进行一段时间不间断的监测，空气幕调控风流的作用有了进一步的增强，通过对供风器的位置进行相应的调整，小范围污风串联的难题得到有效解决，削弱了自然风压因素对通风系统的影响，使通风系统的稳定性得到了极大的提升。

表2 模拟值、实际风量、实测值对比表

6 结论

（1）通过分析矿井通风系统，将风门、风机安置于210m 处联络道交叉口，使其成为较独立的子循环系统，从而达到风量相关要求。为控制风流，使系统稳定性受到自然风压的影响降到最低，对供风器角度进行了调整，从而使通风系统稳定性得到了加强。

（2）测定通风系统各项参数、确定回路风向解算法之后，把参数以及内容进行封装，计算机进行快速解算，成为动态管理模型，进而实时监测矿井通风情况，得到较好外部环境。

（3）使用分等级、分层的形式对复杂通风系统开展风量布置与分配，增强通风管理力度， 减弱自然风压与污风串联造成的不良后果。并且对参数管理设计进行修正，可以较好应对网络变化及其相关网络需求。

（4）采用优化BFS 生成树对复杂网络回路风量进行解算，提升解算精度与速度，使失败概率降到最低。