曹伟平

（潞安化工集团能源事业部，山西 长治 046200）

矿井通风是保证矿井安全的重要手段之一[1-3]。通风阻力是矿井通风测量的基本指标，也是矿井通风系统优化的基础[4-6]。若矿井内通风阻力过高，会影响矿井的生产安全[7-9]。为全面了解李村煤矿通风系统运行情况，利用3DSIMOPT3.0 对煤矿进行防阻检测，分析测量数据，提出解决方案。

1 概 况

李村煤矿位于长子县境内，潞安区煤炭基础建筑规划新建一口井。李村煤矿现有5 个井筒，3 进2 回，分别为主井、副井、中央风井、尧神沟进风井、尧神沟回风井。井下实行分区通风，采用3 进2 回通风系统，采掘工作面均实现独立通风。矿井通风方式为分区式通风，机械抽出式。主井、副井和尧神沟进风井为进风井，中央风井和尧神沟回风井为回风井；中央风井担负一采区和西翼采区回风任务，尧神沟回风井担负二采区回风任务。中央风井总进风量为24 079 m3/min，中央风井总回风量为26 346 m3/min；尧神沟回风井总进风量为25 929 m3/min，回风井总回风量为23 745 m3/min。

2 李村煤矿矿风网参数的测定

2.1 矿井通风阻力测定的方法

此次测定采用气压计测定法，使用陕西斯达防爆有限公司生产的矿用本安型通风多参数测定仪（相对压力的测试精度为±10 Pa）、激光测距仪、SSN-71 大气压温湿度自动记录仪。采用整体控制较好的基点测定法，将SSN-71 大气压温湿度自动记录仪设定好后放置于井口位置测量[10]。在测量相对基点静压时，应测量绝对静压、巷道风速、温度和相对湿度，并计算速度压力。测量或检查巷道上每个点的高度，以计算潜在压力。

2.2 阻力测定及路线布置

2.2.1 测线的选择

选择的测定路线要能够反映矿井通风系统特征，它包括许多形式的支点和巷道类型[11]。主要实测距离应包括矿井内主要空气点，便于在主流方向测量。为准确测量2 个测量点间的阻力，测量点应从加固好、切割稳定、前后无积料、气流稳定的区间中选择。对阻力测量结果影响较小的节点应适当组合简化。

路线1： 副井—南翼轨道石门—南翼轨道大巷—一采区辅运联巷—一采区辅运巷—一采区辅运下山—1305 进风联巷—1305 进风巷—1305 工作面—1305 回风巷—一采区回风下山—一采区回风巷—南翼2 号回风巷—中央风井。

路线2：尧神沟进风井—二采区辅运联巷—二采区辅运巷—2303 进风巷—2303 工作面—2303 回风巷—二采区回风措施巷—二采区2 号回风巷—尧神沟回风井。

2.2.2 测点的布置

测点位于流量稳定点，路段平整，3 m 支点完好无损；当流量分布点、流量集中点和局部阻力较大时，测量点和流量变化点应保持一定距离（前缘宽度大于3 倍，后缘宽度大于8 倍）。对于安装点，确保2 个相邻点之间的差压不超过20 Pa 或装置的测量范围。这些点的布置要控制矿井和巷道主要通风道中阻力分布和风量的变化，尽量控制巷道中屋顶或基础高度接近已知导线点的布置。在坑内测量中，各测量点符合现场实际情况，所以选择点能够有效控制主工作面与工作面之间的阻力分布。

3 矿井三维通风仿真与优化系统建立与分析

3Dsimopt3.0 是辽宁工程技术大学系统建设研究所开发的三维通风模拟系统。该系统建立了巷道目标与节点、结构、通风、潮流等关系的数学模型，基于初步估算图网络破解算法，实现了通风网络破解的工程应用[12]。

导入文件并在3Dsimopt 中构建分解方案[13]。李村矿井通风系统参数测量完成后，处理数据，输入系统。建立李村煤矿通风三维模拟系统，确定部分巷道风量，模拟其流量分布，反复调整，使风量与最大阻力位置一致。该参数基于最小功耗原理和冲头驱动原理，根据需要调整空气分配。利用三维通风仿真系统对李村矿井通风网络进行模拟解算。

4 李村煤矿通风系统分析

4.1 误差分析

在采集过程中，实验数据受测量误差、测量精度等因素的影响。应对测量误差进行分析，分析时的测量误差小于5%[14]，满足要求。

通风系统阻力测定精度评价见式（1）。

式中：δ 为阻力测定误差，%；h 为测定的矿井通风总阻力，Pa；hfs为通风机装置静压，Pa；hs为通风机风硐测压点静压，Pa；hv为通风机风硐测压点动压，Pa；hn为矿井自然风压，Pa。

测试结果见表1、表2。

表1 路线1 通风系统的测定误差Table 1 Measurement error of route 1 ventilation system

表2 路线2 通风系统的测定误差Table 2 Measurement error of route 2 ventilation system

4.2 模拟结果分析

通过对仿真结果进行测定和计算，李村矿井2条测试路线总通风阻力为2 282.08 Pa、2 152.22 Pa，其中路线一进风区段通风阻力615.67 Pa，用风区段阻力849.89 Pa，回风区段阻力816.52 Pa，三区的通风阻力比为26.98∶37.24∶35.78。路线二进风区段通风阻力557.03 Pa，用风区段阻力857.84 Pa，回风区段阻力737.36 Pa，三区的通风阻力比为25.88∶39.86∶34.2。用风区段的通风阻力明显高于进、回区段。

4.3 风机运行合理性分析

风扇功率有风功率曲线（H-Q）、波功率曲线（n-Q）、有效风系数曲线（H-Q）。这3 条曲线测量了不同情况下的风量、风压和风扇波功率，并使用最小二乘法对这些离散点进行校正。根据李村煤矿通风机试验结果和2021 年潞安集团监测中心通风系统的仿真结果，分析主通风机的运行情况，如图1、图2 所示。

图1 中央风井主扇运行状态Fig.1 Operation state of main fan in central air shaft

图2 尧神沟回风井主扇运行状态Fig.2 Operation state of main fan in Yaoshengou return air shaft

中央风井主扇439.14 m3/s，尧神沟回风井主扇420.38 m3/s，2 个主扇位于曲线稳定工作区，同时在效率曲线极值点，风机效率最大，轴功率接近最大，风机正常运行。

5 李村煤矿通风系统优化

5.1 优化方案

（1） 优化方案一：在图中所示位置新建西三区回风立井，如图3 所示。

图3 方案一模拟Fig.3 Simulation of scheme 1

（2） 优化方案二：在图中颜色较深的巷道位置进行清理杂物巷道断面扩大处理，如图4 所示。

图4 方案二模拟Fig.4 Simulation of scheme 2

5.2 优化后模拟结果分析

方案一模拟结果分析：中央风井风量为19 806 m3/min，西三区回风立井风量变为6 540 m3/min，中央回风井负压由原来的2 148.79 Pa 变为1 738.55 Pa。该方案能够减少矿井通风阻力；并且中央回风井风量也会减少，该回风巷风速度不再超标；同时能够满足高瓦斯矿分区通风的要求，建议采用优化方案一。

方案二模拟结果分析：对中央风井巷道进行清理杂物和扩充断面后，增加有效通风面积；降低巷道风速，回风段风阻也有所降低。虽然能减小回风巷风速，矿井通风阻力也有所减小，但不能从根本上解决问题，因此不推荐该方案。具体结果见表3。

表3 优化后风量对比Table 3 Air volume comparison after optimization

6 结 论

本文采取了理论分析、现场实测、三维通风系统仿真等方法，对李村煤矿矿井通风系统进行研究和分析，并且对通风系统进行了优化改造，总结如下。

（1） 根据《煤矿安全规程》有关规定，矿井通风阻力不得超过2 940 Pa，后期当风量超过20 000 m3/min 时，不宜超过3 920 Pa，优化后矿井通风阻力为2 148.79 Pa，阻力相对合理。

（2） 对李村煤矿通风系统的研究表明，基于三维通风模拟系统的通风系统优化可以有效解决地下通风系统水平增长和网络结构复杂的问题。

（3） 利用三维通风模拟优化矿井通风系统，优化矿井主通风机运行，调整矿井通风系统，确定优化的调整方案，为实现“产风”提供科学依据。