寺河煤矿二号井通风智能决策支持系统的建立及优化

梁 谦 董锦洋

（1.晋能控股集团寺河煤矿二号井；2.太原理工大学安全与应急管理工程学院）

煤矿井下的通风系统十分复杂，当遇到2个通风系统贯通的问题时，更是无法单纯地依靠人工来解决［1］。有效地借助计算机软件辅助矿井通风领域的工作者进行设计和研究，显得尤为重要［2-4］。采用煤矿通风智能决策支持系统，对寺河煤矿二号井与寺河矿2个通风系统的贯通进行仿真模拟，并对方案进行优选，所得的方案可以将风机运行工况点降至合理范围，使通风系统管理更加高效。

1 矿井概况

寺河煤矿二号井位于寺河井田东区的东部，采用“四进两回”的抽出式通风系统。2个水平联合开采9号和15号煤层，其中，9号煤层正在回采九四和九七盘区；15号煤层正在回采十五三盘区。寺河矿有4个回风井，其中，上庄风井场地位于寺河二号井井田西部的中心，共布置2个井筒，分别为上庄进风立井和上庄回风立井。

现寺河煤矿二号井通风系统存在以下2个问题：1号和2号通风机运行工况点偏高，通风机风量负压匹配值均接近于《煤矿井工开采通风技术条件》［5］中对于风量和负压要求极限值，受限于巷道断面小及通风路线长等诸多因素，在目前基础上改善空间小；矿井通风路线长，角联系统、并联系统较多，分区通风不明显，通风系统管理工作困难。

2 通风系统分析

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，可以通过阻力路线和三区阻力2个方面对通风阻力进行分析。

2.1 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，最大阻力路线及变化曲线分别见图1、图2。通过分析发现，寺河煤矿二号回风井的阻力较高，可以考虑对回风巷道扩面降阻。

2.2 三区阻力分析

如图3所示，通过对最大阻力路线进行三区划分，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，存在阻力分布不均匀问题。寺河煤矿一号进风立井由于回风段阻力偏高，引起阻力分布不均匀；寺河二号用风路段线路太长、沿程阻力较大，二号回风井断面较小，且承担着九七盘区和一五三盘区回风任务，回风量大，故该段阻力较大。可以考虑对二号回风井服务区域进行降阻，扩充主要进风巷道和二号回风立井的过风断面，改善分布不合理的情况。表1展示了寺河煤矿二号井通风系统的风量情况。

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3 通风智能决策支持系统

建立寺河二号井的通风智能决策支持系统，对矿井基础数据进行采集，并利用平差调节对原始数据进行处理，使系统达到使用要求，为系统优化方案的模拟做准备。

3.1 数据采集及处理

3.1.1 阻力参数采集及处理

通过对寺河煤矿二号井进行全矿测阻，得到了150组左右的数据。参数获取采用倾斜压差计法和气压法相结合的测量方法，能够视现场环境最大限度地发挥倾斜压差计法高精度与气压计法易于测定的优势［6］。测定工作完成后，对数据进行了平差调节，减小了主客观误差对通风系统模拟带来的偏差［7］。

数据分析结果表明，9号、15号煤层各回风井阻力分布比较合理；1号通风机的等积孔为3.24 m2，2号通风机的等积孔为2.21 m2，通风难易程度为容易；各风井外部漏风均符合要求；经过并联风路闭合误差分析和负压测试数据分析，可以认为本次测定数据及分析结果是可靠的。

3.1.2 风机参数采集及处理

在风硐的适当位置布置风速传感器、压力传感器和湿度传感器，将测试得到的数据利用数据传输模块传输至电脑端进行汇总。将测试得到的风速和压力数据进行整理，采用Origin软件对二者进行最小二乘法拟合，得到风机特性曲线及特征方程［8-9］。

3.2 通风系统模型

矿井通风是不断变化的动态系统，为了保证通风系统模拟的准确性与有效性，使通风智能决策支持系统能够更好地辅助技术人员模拟方案与决策，必须建立拓扑关系正确的、数据准确可靠的通风系统模型。

经过对寺河煤矿二号井通风系统普查、通风系统图绘制、通风网络数据录入、网络解算模拟及平差调节，建立了寺河煤矿二号井9号、15号煤层的通风系统模型，如图4所示。

3.3 误差控制

模拟的误差主要通过以下方法进行控制，以达到可以使用的工业要求。

（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。

为了确保后期网络解算数据的可靠性，对构建的解算网络进行增阻调节，使得各主要测试巷道的解算精度达到可靠范围。解算系统调节后，风井风量及负压的误差和部分用风巷道的模拟结果与实际测量值的对比结果如表2～表4所示，模拟精度均小于5%，达到了工程应用要求，可以满足进一步的网络解算方案模拟分析需要。

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为了能更好地预测贯通对于各个风机风量、负压的影响，得出最优的贯通方案，需参考风机测试报告来拟合风机特性曲线。经计算可得：负责9号煤层的一号风立井-3°特性曲线函数表达式为负责9号、15号煤层的二号回风立井-12.5°特性曲线函数表达式为

4 实际应用

4.1 阶段划分

依据寺河二号井采掘计划安排，在未来5 a内通风系统大致存在2个重要巷道贯通时间节点，可以依据这2个时间节点，将未来大致划分为2021年1月—2022年7月和2022年7月—2023年12月2个阶段，分别进行通风系统规划设计。2022年7月左右，9号煤层将通过北胶带大巷和北回风大巷同上庄风井进行贯通；2023年底，寺河煤矿二号井9号煤层九七盘区通过98101巷、98102巷、98103巷同上庄风井区域进行贯通；15号煤层通过南翼辅运大巷和南翼回风大巷同上庄风井进行贯通。

4.2 优化方案

（1）2021—2022年阶段上庄风井未同寺河煤矿二号井主系统相连通，无法借助上庄风井辅助提升寺河煤矿二号井通风能力，因而需要论证在该时期内随着采掘进度的改变，现有的一号回风井和二号回风井的主扇在满足矿井风量需求的同时，主扇负压仍保持在合理范围内，并提出相关优化方案。

（2）2022—2023年阶段加入上庄风井，应统筹考虑对通风系统进行优化，对上庄回风立井、一号回风立井和二号回风立井同九六盘区、九七盘区、一五三盘区区域进行详细规划，采用极值流匹配的方法得出27种方案。

用①、②、③分别代表上庄回风立井、一号回风立井和二号回风立井（下同），具体方案如表5所示。

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由于一些现实性原因，有些方案在目前阶段无 法实现。例如：一号风机和二号风机受风机能力限制，不能负担3个盘区系统的通风任务；一号风机受能力限制不能负担2个盘区系统的通风任务；目前上庄风井并未同15号煤层相贯通，若是负担九七盘区的回风任务，回风线路过长，通风难度大；二号回风井负担2个盘区已经接近其最大通风能力，后续开采会导致阻力进一步增加，因而排除该情况。

因此通过以上现实原因的初步筛选，仅剩余3种优化方案，如表6所示。

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4.3 方案模拟

采用智能决策支持系统对2个阶段的优化方案分别进行仿真模拟，回风井和主要用风地点的模拟结果如表7和表8所示。

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4.4 优化结果分析

4.4.1 2021—2022年阶段

从模拟结果中可以看出，此阶段在困难时期时，各个盘区的需风量大致可以得到满足，达到了《煤矿安全规程》［10］的要求，但是存在一号风机的风量和负压过高而产生喘振风险。提出如下解决方案。

（1）考虑从上庄风井和九六盘区方向双向对掘，加快掘进速度提早实现贯通。

（2）选用大功率的局扇，或者选择挖掘风库进行长距离的接力通风，进一步降低一号风机的负压。

因此，在不改变现有的通风系统情况下，在2021—2022年现有通风系统大致可以满足生产和掘进的需求。若出现通风困难，需要考虑更换大局扇、增加风筒距离、增加风库、增加局扇；双向掘进提高掘进速度，提前贯通日期。

4.4.2 2022—2023年阶段

方案20中，首先对一号风井进行封闭处理；之后随着大巷的不断延伸，二号风机能力会逐渐不足，可能会出现供风不足的情况，应避免巷道内物料堆积，及时修整变形巷道，适当扩大断面面积来适当减小巷道的通风阻力；最后还应考虑在贯通前采取双向掘进加快掘进速度，缩短贯通时间。方案22和方案23中，二号回风井的最低角度为-15°，不存在再向下调整的可能性，所以选择方案20作为最终方案。

4.5 系统优化建议

寺河矿通风同寺河二号井贯通前，无法实现大的通风系统调整，且无法借助寺河矿风井辅助提升寺河二号井通风能力。该阶段九四盘区开采转向九六盘区开采和北胶带大巷和北回风大巷开拓的延伸过程中对风量的需求变化不大。因而在北胶带大巷和北回风大巷开拓的过程中可以考虑选用大局扇，增加中间风库或者局扇接力的方式来实现长距离掘进，保证主扇的稳定性；或采用上庄区域和寺河二号井双向对掘巷道的方法来加快掘进速度，缩短施工周期。

寺河矿通风系统同九六盘区贯通后，由于风机角度无法下调，会造成单个风机负担某一个盘区回风任务时出现风量和负压极度不匹配的情况，无法实现完全的分区通风。方案22中，上庄风井负担九六盘区，一号回风立井负担九七盘区，二号回风立井负担一五三盘区。方案23中，上庄风井负担九六盘区，一号回风立井负担一五三盘区，二号回风立井负担九七盘区。由于这2种方案均无法实现，因而采用上庄回风立井负担九六盘区的回风任务，二号风井负担九七盘区和一五三盘区的回风任务，这种方案具有可行性。随着开采的延伸，可能会出现二号风机能力不足的情况。在开拓过程中同样考虑选用大局扇，增加中间风库或者局扇接力的方式来实现长距离掘进，保证主扇的稳定性。或采用上庄区域和寺河二号井双向对掘巷道的方法来加快掘进速度，缩短施工周期。

5 结 论

采用极值流匹配法对寺河煤矿二号井和寺河矿的通风系统贯通进行了方案汇总，并利用定性分析的方法排除了部分方案；利用通风智能决策支持系统对定性分析筛选后的方案进行仿真模拟，最终确定了2个阶段的优化方案，降低了通风机运行工况点，使各个盘区的风量调整至合理范围。矿井通风智能决策支持系统的应用为通风系统优化问题的解决提供了基础，为类似问题提供了参考。