智能决策支持系统在赵庄矿通风系统优化中的应用

张树丰 李博伦 赵晓涛

(1.山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司；2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院；3.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室)

煤矿井下通风系统复杂，是多数矿井的通病，如何做到矿井通风系统简单，便于管理是亟待解决的问题[1-2]。在通风管理过程中多数决策都依靠现场经验和类似情况处理，遇到复杂网络和2个系统贯通的系统优化问题，更是无法依靠人工来解决，缺少科学、统一的方法来指导现场方案的制定。本文以赵庄矿为例，利用矿井通风智能决策支持系统(简称智能决策系统)模拟方案[3-6]，采用科学的手段解决实际问题，具有一定的指导意义。

1 矿井概况

赵庄矿位于沁水煤田东南部，生产能力为8.0 Mt/a，矿井采用斜立井混合开拓方式。通风方式为分区通风，通风方法为抽出式，为“五进三回”的通风系统。矿井总共分为5个盘区，其中一、三、五盘区为正在生产的盘区；二盘区井底车场部分已经建设完成，且即将通过二一〇三巷与一、三、五盘区通风系统相连通；四盘区尚处于规划阶段。赵庄矿共有8个井筒，为典型的复杂网络。现通风系统存在以下问题：负担一盘区回风的张店一号风机能力不足的现象；负担三盘区、五盘区回风的张店二号风机电机满负荷运转，后期无提升空间，从而导致三盘区供风量不足；二盘区处于盘区建设时期，需风量极少，无法与现有风机能力进行匹配，造成大量风量浪费的现象。

2 通风系统分析

2.1 通风阻力

矿井的阻力是对矿井通风情况最直观的反映，不合理的阻力分布与阻力值都会对通风产生负面的影响，从而恶化通风系统，通过2个方面对通风阻力进行分析。

2.1.1 最大阻力路线分析

通过最大阻力路线可以直观得到矿井在各位置的阻力分布，便于发现阻力过大的部分，赵庄矿的最大阻力路线如下:

(1)张店一号路线。西范进风立井→井底联络巷→一一〇三巷→一三〇八一巷→一号横川→一三〇八四巷→一三〇九工作面→一三〇九一巷→十八号横川→一三〇九二巷→一一〇二巷→一一〇四巷→联络巷→一三〇四三巷→北二回风巷→北翼回风巷→西翼北回风巷→张店一号回风井。

(2)张店二号路线。副立井→北翼进风大巷→西翼南辅运巷→三一〇三巷→三三〇七巷→三三〇七工作面→三三〇八三巷→三三〇七辅运联络巷→西翼南回风巷→井底车场→张店二号回风井。

通过分析发现，张店一号存在部分线路阻力较高的问题，其中，北二回风巷部分阻力尤为突出，可以考虑对回风巷进行扩面降阻。最大阻力路线及变化曲线见图1、图2。

图1 最大阻力路线示意

2.1.2 三区阻力分析

通过对最大阻力路线进行三区划分(图3)，发现三区阻力分布与0.25∶0.45∶0.3的合理分配比例相差较远，存在阻力分布不均的问题。张店一号三区分布不均是由于进风线路过短，引起阻力分布不均。而张店二号进风路线过长是导致阻力分布不合理的根本原因，通过三盘区的风量较小是导致用风段阻力小的重要原因，通过加大三盘区的过风量可以改善这种分布不合理的情况，也从侧面反映了三盘区过风量需要提升这一问题。

2.2 风量分析

通过表1风量核算可以发现，南苏回风立井兼作提升井时存在严重的漏风现象，漏风量高达总风量的38%，远超《煤矿安全规程》[7](以下简称《规程》)中“现有箕斗提升井兼作回风井，必须有封闭措施，其漏风率不得超过15%”所规定的风量。现通风系统存在风量利用率低的问题，需要加强通风管理。

图2 最大阻力曲线▲—张店一号最大阻力路线；●—张店二号最大阻力路线

图3 三区阻力分布表1 通风系统风量统计m3/min

3 智能决策系统应用

针对阻力分布不均、通风管理不到位等问题，提出优化系统的解决办法，并运用智能决策系统构建赵庄矿的通风系统进行优化模拟。仿真系统构建前，对矿井数据进行收集，通过平差调节使系统达到使用要求，最终对方案进行模拟来验证可行性。

3.1 基础参数获取

为获取矿井阻力参数，对矿井进行了全矿测阻，测阻过程中选用了4条主测线路，3条辅测线路，共布置测点107个，采用倾斜压差计和气压计相结合的测试方法进行测量。为获取风机参数，采用徐州煤矿安全设备制造有限公司TF-3B型检测设备和系统对主要通风机进行测试。在风硐适当位置布置风速传感器、压力传感器、湿度传感器，通过Origin绘图软件处理得到风机特性曲线及特性方程[8]。

3.2 仿真系统建立

将通风系统图在智能决策系统中重新绘制，录入每条巷道的长度、百米摩擦风阻、巷道名称和风流方向。在仿真系统中加入各个风机在不同角度下的运行曲线，以便掌控风机风量负压随着系统改变而发生的变化，更好更安全地对方案进行调控、制定。构建好的通风系统见图4。

图4 赵庄矿通风系统仿真图

3.3 误差控制

对整个系统进行平差调节，使仿真系统达到工业精度要求。

(1)以各个重要用风点处回风量之和为约束条件，其相对误差控制在5%以下。

(2)主要通风机的工况点的相对误差控制在5%以下。

(3)主要井巷的风量误差一般控制在5%以下。

经过与测试数据比对，以上3个参数的误差范围均小于5%，认定误差在可接受的范围内，仿真系统可以进行方案模拟。

4 通风系统优化模拟

4.1 优化方案

为了使通风系统改造方案更好地贴合实际需求，结合3 a、5 a规划提出方案。

(1)目前张店一号风机最大排风量为16 800 m3/min，一盘区作为主采盘区，需满足1个采面、4条煤巷顺槽、4条大巷延伸、4个岩巷衔接要求，需风量在22 000 m3/min以上。由于一盘区的通风系统过于独立，已形成了一个进、回风体系，通过调整主要通风机叶片角度和系统降阻措施都无法满足工作地点的风量供应，因此，只能对负责一盘区回风的张店一号风机进行更换，选用能力更大的风机来满足生产需求。

(2)对于二盘区风机能力过剩以及提高三盘区供风的问题，将二盘区和主系统贯通的特殊时期通盘考虑，提出利用二盘区风机的过余能力使三盘区风量增加，从而达到生产需求的解决办法。使部分风流从二一〇三巷流入南苏回风立井，将2台风机作为一个并联系统，使流入系统的总风量增加。

4.2 方案模拟

张店一号回风立井选用能力更大的AGF606-3.6-1.8-2型号风机，利用Origin软件向仿真系统中加入风机特性曲线参数[9]。通过构建好的模型进行网络解算，更换后的风机在-5°下运行完全可以满足生产需求，此时风量为22 000 m3/min，负压为3 800 Pa。《煤矿井工开采通风技术条件》(AQ 1028—2006)[10](以下简称《开采技术条件》)中规定，矿井风量在大于20 000 m3/min时，矿井总阻力应小于3 920 Pa；矿井风量在10 000～20 000 m3/min时，矿井总阻力应小于2 940 Pa；矿井风量在5 000～10 000 m3/min时，矿井总阻力应小于2 500 Pa。因此，完全符合规定要求。

对三盘区风量增加的调整方案实施过程中，受到实际情况制约及《规程》中对巷道风量要求“采区进回风巷风速范围为0.25～6 m3/s”；二一〇三巷最大过风能力为9 576 m3/min，将贯通时期过风量控制为4 000 m3/min左右，为日后风量再调节留出一定的空间；南苏井底车场掘进部分需要供风量约6 000 m3/min；西翼掘进需风量保证约3 900 m3/min；三盘区需风量要从现有的10 000 m3/min增加到13 000 m3/min。使用已构建的智能决策系统软件进行解算，通过调节通风构筑物的状态来实现系统优化。

(1)在南苏回风立井对提升处漏风进行控制，使其减小到2 500 m3/min左右，将漏风量控制在规程规定范围内。

(2)在南苏井底掘进处适当位置增添调风设施，使供风量满足掘进即可，为南苏风机负担部分三盘区回风提供能力。

(3)在西翼胶带巷与西翼北辅运巷掘进处适当位置增添调风设施，使供风量满足掘进即可。

(4)在33071巷中拆除调节风门，大大地降低三盘区的阻力，使得通风路线顺畅，进而提高供风量，并在三盘区上部掘进头处增加调节风窗，使供风量满足掘进即可。

此时网络解算结果为二一〇三巷风量4 517 m3/min；三盘区总回风13 533 m3/min，基本满足生产要求；五盘区总回风量15 250 m3/min；南苏风机风量17 274 m3/min，负压2 416 Pa，漏风风量4 032 m3/min；张店二号风机风量32 040 m3/min，负压3 404 Pa。

基于二盘区未来的规划，对上述方案模拟结果进行验证。当盘区建设完成时，同现在相比多出一个回采工作面、一个备采工作面、一个瓦斯抽采系统，经过“四算一校核”计算，需风量共多出7 500 m3/min。此时，可通过上调南苏风机角度来满足风量供应，通过网络解算，南苏风机通过方案优化后风量增加了8 063 m3/min，负压增长到2 889 Pa，风量、负压均符合相关规定，此时各盘区风量也满足生产要求。

4.3 优化后系统评价

方案模拟后的系统与原系统进行数据比对，见表2。可以看出，通风系统中张店二号风机负压相对于原始状态增加了8.9%，负压的增长完全在合理范围内；张店二号三区阻力分布数据更为合理，通过最小二乘法[10]对优化前后S2数值进行计算，证明了优化的合理性；南苏风机有效风量提高了23.5%，达到了《规程》要求。调整后的赵庄矿通风系统更加安全、合理，优化了通风结构，解决了实际问题。

表2 优化后矿井通风系统数据

5 结 语

将矿井通风智能决策支持系统与现场实际相结合，模拟2个系统相互连通的情况，并利用能力富裕的南苏风机解决张店二号风机能力不足的问题，增加了三盘区的供风量。同时，模拟了未来二盘区开采情况，通过上调南苏风机的运行角度，完全满足以后的用风需求，从长远的角度论证了此调节方法的可行性，增强系统改造的可靠度。矿井通风智能决策支持系统的应用对整个矿山生产环节起到了指导作用，为解决矿井存在的类似问题提供了参考。