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【摘 要】 近几年来，由于随着矿井生产能力的逐步提升，矿井开采深度和范围的进一步加大，造成了矿井供风能力不足，矿井需风量增大，矿井通风阻力、井巷风阻进一步升高增加的被动局面。带来了矿井通风不畅、部分地段风速高甚至超限、用风地点进、回风路线变长、通风压力损失大、风量调配困难、矿井抗灾能力减弱等一系列的安全问题。本文就矿井通风系统所存在的问题进行分析，并对其进行优化改造，以供参考。
【关键词】 矿井；通风系统；优化改造
引言：
通风系统包含通风方式、方法的选定，通风网络和风量的确定，通风动力选择等要素。在煤炭的生产过程中，矿井的通风系统是重要的组成内容，在矿井生产工作中起到了防灾、抗灾、稳产以及高产、高效的作用，直接影响到生产单位的经济利益。矿井通风系统中相关联的要素较多，要素与要素之间互相影响。因此为了保证矿井通风系统能够更好地服务和制约生产系统，提高生产工作的安全性和可靠性，通风系统需要时刻保持最好的运行状态。
一、矿井通风系统概况
某矿井设计生产能力90万t/a，现已达到160万t。矿井面积约5.1km2，煤层厚度平均4-5m，可采煤层分为3#、4#、6#、9#、11#。该矿采用斜井开拓，通风方式为中央分列式，主、副斜井进风，回风斜井回风，其中主斜井新鲜风流主要服务于主运皮带和两条运输大巷，副斜井的新鲜风流主要服务于4#、6#层采区，现回风斜井利用于原小窑的两条老巷作为并联主回风巷道。目前井下布置5个掘进工作面和2个综放工作面，其中，4#层布置2个综掘和1个综放工作面，6#煤层布置3个掘进工作面和1个综放工作面。
二、矿井通风系统缺陷及要求
矿井在主通风系统上存在一系列的缺陷，比如主要回风巷设在老巷内，巷道年久失修，巷道成型不规格，漏风大，而且是全裸巷道，矿井有效风量利用率达不到规程要求，这也使得矿井通风系统不稳定不可靠，为此：生产单位需要花费大量的维护费用。
完整独立通风系统是任何一个矿井的必备条件；矿井通风系统的总阻力，一般不应超过3920Pa；设置进风井口时，考虑全年风向频率，井口应布置点不应受有害和高温气体、粉尘、煤尘侵入；进风井不能兼用箕斗提升或装有胶带输送机的井筒；如果需要兼作回风井使用时，采取必要措施，满足安全要求是必不可少的；多风机的通风系统，以按需分配为前提，风量合理，各主要通风机的工作风压不宜相差太多。如果通风机之间的风压相差悬殊时，就应该考虑使共用风路的风压降低，使其不超过任何一台通风机风压的30%；每一个生产水平和每一采区，都必须布置回风巷，实行分区通风；井下爆破材料库必须有单独的新鲜风流，回风风流必须直接引入矿井的总回风巷或主要回风巷中。
三、通风系统优化方案的拟定
根据通风系统现状分析和存在的一系列问题，结合未来几年的矿井开拓开采规划，在综合分析各种存在问题的基础上，本着针对现实、对症下药、理论联系实际的优化控制思路，拟定下列5个通风系统优化方案。通过通风阻力测试及计算机模拟解网发现由于通风设施设置不合理使某些采掘工作面实际风量远大于需风量，而通风设施两侧压差过大及风量分配的不合理使风机风压被人为增大。通过对井下各采掘用风地点风量进行按需分配（定风）。再通过对高阻、风速超限巷道采取扩巷降阻，调整通风设施，对角联风路进行控制。预测风机运行工况、井下分風点及风流方向。
1）对风井的改造。对两条回风斜井的断面进行刷扩、锚喷。由原来的12m2增加到22.3m2以上。由此来降低矿井的通风阻力。
2）及时封闭井巷开拓时的老巷。在井巷开拓时，会遇到很多贯穿的老巷，给矿井的通风系统安全管理工作带来困难和隐患，因此，本着通风系统布置“简单、直接、实用”的原则，必须及时进行构筑通风设施或封闭。
四、矿井通风系统优化算法
（一）通风网络优化程序
通风网络调节优化是对给定的通风系统，即给定风网结构、分支风阻、风机特性、用风地点和用风量（固定风量）等条件下，确定通风机的最佳风压值和各风流调节设施的最佳位置和参数，以使得矿井通风总功率最小。通风网络调节优化程序是借助于Microsoft公司生产的VisualStudio6.0平台，用VC++6.0和其它辅助工具开发完成的，具有以下主要特征：（1）界面全部实现可视化、中文化；（2）布局合理、美观；（3）交互方式友好。
通风网络调节优化程序以风网解算为基础、以风流优化控制为核心，程序所用主要算法包括：（1）选生成树算法：解决通风网络分析的首要问题是挑选一个符合要求的生成树。挑选生成树有很多方法，加边法、缩边法、就是常用的方法。程序中生成树的选择，采用的主要算法为加边法，为了加快解算速度，新加入的边一般都是最小权的边，也就是选择一个最小的树。（2）风网解算算法：程序采用的通风网络解算算法为斯考特—恒斯雷法，该法属于回路法。其实质是以图论为基础，以节点风量平衡方程和回路风压平衡方程为依据，利用高斯—塞德尔迭代法逐次求解回路修正风量，在设定的精度范围内获得接近方程组真实解的渐进风量。3）风流优化控制算法：建立风流优化控制模型的目标函数，同时考虑分支可控性、风量和风压的上下限等因素，得出风流优化控制的数学模型。并采用相关的算法对风流优化控制的数学模型进行求解。
（二）矿井风流优化控制算法原理
对于矿井通风系统风流控制方案的优化，主要应使控制设施尽可能少，控制量（风压）尽可能低，这种优化控制模型的目标函数应是控制量与风量乘积的绝对值之和取最小许可值，其中风网各分支的可控性、风量和风压的上、下限等构成了风流优化控制的约束条件。
目前对风流优化控制数学模型求解的算法有约束变尺度法（CVM）、广义简约梯度法（GRG）和混合函数法（MPOP）、遗传算法（GA）等，选择一种控制算法对数学模型进行求解即能得到风流控制问题的全局最优解。
以各分支控制量（风压）Hi与其风量qi乘积的绝对值之和作为优化目标函数，同时考虑分支的可控性、风量和风压的上、下限等因素，则矿井风网风流优化控制的数学模型为：
式中：J为优化控制的目标函数；n为通风网络分支数目；m为风网节点数目；hij为第i个回路中第j条分支的通风阻力与通风能量的代数和；qij为与第i个节点相关联的第j条分支的风量值。
增阻调节是煤矿中用的最多的风量调节方法。但是，如果网络中最大阻力线路上的阻力太大，超过了现有风机的能力，而且不能对风机进行更换时，就应考虑降阻或增压调节。程序中，降阻或增压的地点应在进行解算前，人为添入到数据输入表格中。
程序中可降阻分支的处理方法为：事先确定可降阻分支的最小阻力的方法。处理思路为：采取增大巷道断面面积来使一些分支阻力降低。当一个分支断面积被扩大后，它的最小阻力就是通过既定风量时的阻力大小，用h'ij来表示，并用其替代原阻力hij。阻力调节值用△h'ij表示。所以分支实际调节的阻力值为△hij，计算方法为：
五、结论
结合实际二1（己组）情况，选择合适的主扇作为通风配套设备，结合十三矿当地的大气压以及温度，选择特性曲线300为通风容易阶段的解算，400则为通风困难阶段的解算，改造后的矿井，在通风容易阶段的风量总需求为8141m3/min，通风阻力为1989.4Pa；在通风困难的阶段的风量总需求则为9916m3/min，通风阻力为2851.8Pa。在风速上，两个阶段的通风风速经验算符合相关要求。
参考文献：
[1]吴永平.晋华宫矿推行超前管理的理论与实践[J].中国煤炭，2002（9）：56-57.
[2]黄元平主编.矿井通风[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.1
[3]傅贵等.矿井通风系统分析与优化[M].北京：机械工业出版社，1995
【关键词】 矿井；通风系统；优化改造
引言：
通风系统包含通风方式、方法的选定，通风网络和风量的确定，通风动力选择等要素。在煤炭的生产过程中，矿井的通风系统是重要的组成内容，在矿井生产工作中起到了防灾、抗灾、稳产以及高产、高效的作用，直接影响到生产单位的经济利益。矿井通风系统中相关联的要素较多，要素与要素之间互相影响。因此为了保证矿井通风系统能够更好地服务和制约生产系统，提高生产工作的安全性和可靠性，通风系统需要时刻保持最好的运行状态。
一、矿井通风系统概况
某矿井设计生产能力90万t/a，现已达到160万t。矿井面积约5.1km2，煤层厚度平均4-5m，可采煤层分为3#、4#、6#、9#、11#。该矿采用斜井开拓，通风方式为中央分列式，主、副斜井进风，回风斜井回风，其中主斜井新鲜风流主要服务于主运皮带和两条运输大巷，副斜井的新鲜风流主要服务于4#、6#层采区，现回风斜井利用于原小窑的两条老巷作为并联主回风巷道。目前井下布置5个掘进工作面和2个综放工作面，其中，4#层布置2个综掘和1个综放工作面，6#煤层布置3个掘进工作面和1个综放工作面。
二、矿井通风系统缺陷及要求
矿井在主通风系统上存在一系列的缺陷，比如主要回风巷设在老巷内，巷道年久失修，巷道成型不规格，漏风大，而且是全裸巷道，矿井有效风量利用率达不到规程要求，这也使得矿井通风系统不稳定不可靠，为此：生产单位需要花费大量的维护费用。
完整独立通风系统是任何一个矿井的必备条件；矿井通风系统的总阻力，一般不应超过3920Pa；设置进风井口时，考虑全年风向频率，井口应布置点不应受有害和高温气体、粉尘、煤尘侵入；进风井不能兼用箕斗提升或装有胶带输送机的井筒；如果需要兼作回风井使用时，采取必要措施，满足安全要求是必不可少的；多风机的通风系统，以按需分配为前提，风量合理，各主要通风机的工作风压不宜相差太多。如果通风机之间的风压相差悬殊时，就应该考虑使共用风路的风压降低，使其不超过任何一台通风机风压的30%；每一个生产水平和每一采区，都必须布置回风巷，实行分区通风；井下爆破材料库必须有单独的新鲜风流，回风风流必须直接引入矿井的总回风巷或主要回风巷中。
三、通风系统优化方案的拟定
根据通风系统现状分析和存在的一系列问题，结合未来几年的矿井开拓开采规划，在综合分析各种存在问题的基础上，本着针对现实、对症下药、理论联系实际的优化控制思路，拟定下列5个通风系统优化方案。通过通风阻力测试及计算机模拟解网发现由于通风设施设置不合理使某些采掘工作面实际风量远大于需风量，而通风设施两侧压差过大及风量分配的不合理使风机风压被人为增大。通过对井下各采掘用风地点风量进行按需分配（定风）。再通过对高阻、风速超限巷道采取扩巷降阻，调整通风设施，对角联风路进行控制。预测风机运行工况、井下分風点及风流方向。
1）对风井的改造。对两条回风斜井的断面进行刷扩、锚喷。由原来的12m2增加到22.3m2以上。由此来降低矿井的通风阻力。
2）及时封闭井巷开拓时的老巷。在井巷开拓时，会遇到很多贯穿的老巷，给矿井的通风系统安全管理工作带来困难和隐患，因此，本着通风系统布置“简单、直接、实用”的原则，必须及时进行构筑通风设施或封闭。
四、矿井通风系统优化算法
（一）通风网络优化程序
通风网络调节优化是对给定的通风系统，即给定风网结构、分支风阻、风机特性、用风地点和用风量（固定风量）等条件下，确定通风机的最佳风压值和各风流调节设施的最佳位置和参数，以使得矿井通风总功率最小。通风网络调节优化程序是借助于Microsoft公司生产的VisualStudio6.0平台，用VC++6.0和其它辅助工具开发完成的，具有以下主要特征：（1）界面全部实现可视化、中文化；（2）布局合理、美观；（3）交互方式友好。
通风网络调节优化程序以风网解算为基础、以风流优化控制为核心，程序所用主要算法包括：（1）选生成树算法：解决通风网络分析的首要问题是挑选一个符合要求的生成树。挑选生成树有很多方法，加边法、缩边法、就是常用的方法。程序中生成树的选择，采用的主要算法为加边法，为了加快解算速度，新加入的边一般都是最小权的边，也就是选择一个最小的树。（2）风网解算算法：程序采用的通风网络解算算法为斯考特—恒斯雷法，该法属于回路法。其实质是以图论为基础，以节点风量平衡方程和回路风压平衡方程为依据，利用高斯—塞德尔迭代法逐次求解回路修正风量，在设定的精度范围内获得接近方程组真实解的渐进风量。3）风流优化控制算法：建立风流优化控制模型的目标函数，同时考虑分支可控性、风量和风压的上下限等因素，得出风流优化控制的数学模型。并采用相关的算法对风流优化控制的数学模型进行求解。
（二）矿井风流优化控制算法原理
对于矿井通风系统风流控制方案的优化，主要应使控制设施尽可能少，控制量（风压）尽可能低，这种优化控制模型的目标函数应是控制量与风量乘积的绝对值之和取最小许可值，其中风网各分支的可控性、风量和风压的上、下限等构成了风流优化控制的约束条件。
目前对风流优化控制数学模型求解的算法有约束变尺度法（CVM）、广义简约梯度法（GRG）和混合函数法（MPOP）、遗传算法（GA）等，选择一种控制算法对数学模型进行求解即能得到风流控制问题的全局最优解。
以各分支控制量（风压）Hi与其风量qi乘积的绝对值之和作为优化目标函数，同时考虑分支的可控性、风量和风压的上、下限等因素，则矿井风网风流优化控制的数学模型为：
式中：J为优化控制的目标函数；n为通风网络分支数目；m为风网节点数目；hij为第i个回路中第j条分支的通风阻力与通风能量的代数和；qij为与第i个节点相关联的第j条分支的风量值。
增阻调节是煤矿中用的最多的风量调节方法。但是，如果网络中最大阻力线路上的阻力太大，超过了现有风机的能力，而且不能对风机进行更换时，就应考虑降阻或增压调节。程序中，降阻或增压的地点应在进行解算前，人为添入到数据输入表格中。
程序中可降阻分支的处理方法为：事先确定可降阻分支的最小阻力的方法。处理思路为：采取增大巷道断面面积来使一些分支阻力降低。当一个分支断面积被扩大后，它的最小阻力就是通过既定风量时的阻力大小，用h'ij来表示，并用其替代原阻力hij。阻力调节值用△h'ij表示。所以分支实际调节的阻力值为△hij，计算方法为：
五、结论
结合实际二1（己组）情况，选择合适的主扇作为通风配套设备，结合十三矿当地的大气压以及温度，选择特性曲线300为通风容易阶段的解算，400则为通风困难阶段的解算，改造后的矿井，在通风容易阶段的风量总需求为8141m3/min，通风阻力为1989.4Pa；在通风困难的阶段的风量总需求则为9916m3/min，通风阻力为2851.8Pa。在风速上，两个阶段的通风风速经验算符合相关要求。
参考文献：
[1]吴永平.晋华宫矿推行超前管理的理论与实践[J].中国煤炭，2002（9）：56-57.
[2]黄元平主编.矿井通风[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.1
[3]傅贵等.矿井通风系统分析与优化[M].北京：机械工业出版社，1995