鄧紅衛(wèi),張 瑞,雷 濤,易東福

(中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

基于VENTSIM的云錫新山礦段通風系統(tǒng)優(yōu)化研究＊

鄧紅衛(wèi),張 瑞,雷 濤,易東福

(中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

根據(jù)云錫卡房新山礦段礦井回風困難的實際情況,利用SurpacVision、3DMine和Ventsim軟件建立了1800～1900m中段三維通風系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算模型,確定“1900m～地表”斜井新增工程,提出新增工程后的3種通風系統(tǒng)優(yōu)化方案,并進行風網(wǎng)解算。結(jié)果表明:新建工程選址合理,和原有工程形成了完整合理的通風網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過分析比較各通風方案的風速、通風阻力、風機數(shù)量及采場風量要求,確定了最優(yōu)通風方案。

Ventsim;三維通風系統(tǒng)模型;風網(wǎng)解算;方案優(yōu)化

本文在前人的研究基礎(chǔ)上,結(jié)合CAD、Surpac Vision、3D Mine礦業(yè)工程軟件及Ventsim通風模擬軟件,建立云錫新山礦段通風系統(tǒng)三維數(shù)字模型和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖,并提出3種通風系統(tǒng)方案分別進行風網(wǎng)解算,確定滿足礦山風量要求的最優(yōu)通風系統(tǒng)方案和相關(guān)風機選型。

1 工程概況及Ventsim簡介

1.1 工程背景

云錫集團卡房新山礦段開發(fā)生產(chǎn)區(qū)是一個集鎢、鉬、鉍等多金屬于一體的緩傾斜礦床,目前通過1800、1870、1900、1925、1946、1960和2000中段等工程及3個進風口和1處回風工程形成兩翼進風、中部回風的獨立通風系統(tǒng)。但由于生產(chǎn)重心不斷下移到1870～1800m中段,通風方式的不合理性和通風系統(tǒng)的不完善性逐漸凸顯,礦井內(nèi)氡濃度較高、氡子體放射性危害和含砷粉塵化學危害較嚴重。目前1900中段以下工程的風路較混亂,且經(jīng)過采場工作面的風量不足,不能很好地滿足1900中段以下的生產(chǎn)通風需要。為解決上述問題,需增加新的工程,并對已經(jīng)形成的通風系統(tǒng)進行優(yōu)化。

新增工程為1900m通地表斜井工程。通過3D Mine和Surpac軟件模擬,綜合考慮設(shè)備、物質(zhì)的運輸,擬將斜井地面位置選在坐標約為(X:119531,Y:572306)處,標高1960m,斜井工程從該點垂直連至1900中段,保證工程量最短。新增工程與各中段位置及連接情況如圖1所示。

圖1 通風系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及新增工程

1.2 Ventsim軟件簡介

Ventsim軟件是一款實用性較強的礦井通風仿真模擬軟件。該軟件可建立直觀的礦井三維通風系統(tǒng)模型,通過路徑模擬、風網(wǎng)解算和風機設(shè)置,對通風系統(tǒng)的效果進行模擬檢測、控制與優(yōu)化設(shè)計。具有系統(tǒng)可視化、現(xiàn)狀模擬、未來規(guī)劃編制與模擬、協(xié)助選擇風機和通風構(gòu)筑物類型及數(shù)量、模擬規(guī)劃或緊急情況下煙霧或氣體的運動路徑、模擬礦井最優(yōu)配風方案和協(xié)助通風方案進行財務(wù)分析等主要功能。

軟件采用Hardy-Cross迭代法求解通風網(wǎng)絡(luò),通過迭代次數(shù)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整,尋找可接受的解決方法。其算法如下:式中:△Qk為回路風量增量值;k=1,2,…,M,M為獨立網(wǎng)孔數(shù);ak為風機特征曲線斜率dHf/dQ。

該式適用于網(wǎng)孔中有風機和自然風壓作用的情況。當流經(jīng)的真實風量為Q時,其阻力消耗可由阻力定律h=RQ2計算,如圖2所示。

圖2 Hardy-Cross方法中的風量降壓關(guān)系

2 模型的構(gòu)建

2.1 模型的建立

根據(jù)新山礦段井巷工程的實際布局及數(shù)據(jù),借助SurpacVision和3D Mine礦業(yè)工程軟件,清除對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化沒有影響或影響極小的工程,建立礦段通風系統(tǒng)工程的三維數(shù)字模型,如圖1所示。

將模型導入Ventsim軟件,進行包括風路斷面尺寸、風阻、巷道支護形式、壓降差等的風路屬性的賦值,完成通風系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算框架圖的繪制與初步優(yōu)化。其計算過程如圖3所示。

圖3 通風系統(tǒng)風網(wǎng)解算及優(yōu)化流程

2.2 風路描述

整個通風系統(tǒng)分為兩條風路。

第1條風路主要服務(wù)于1870中段和部分1800中段區(qū)域。通風方式為兩翼進風、中央回風,風流方向如圖4所示。

第2條風路主要服務(wù)于部分1800中段,風流方向如圖5所示。

圖4 第1條風路網(wǎng)絡(luò)示意

圖5 第2條風路網(wǎng)絡(luò)示意

2.3 通風方案介紹

本次優(yōu)化建立了3種通風方案,3種優(yōu)化方案的基本情況如表1所示。

表1 方案描述

3 風網(wǎng)解算及方案優(yōu)化

3.1 通風系統(tǒng)阻力與功率消耗的風網(wǎng)解算

各方案進、回風處風路長度、通風阻力、功率消耗分布及占系統(tǒng)比值的情況如表2所示。

表2 進、回風處風路阻力與功率消耗分布

3.2 方案風網(wǎng)解算與優(yōu)化

3種方案主扇優(yōu)化選擇時相關(guān)參數(shù)風網(wǎng)解算的結(jié)果如表3所示。各方案最終解算結(jié)果及新增工程處的通風效果如表4所示。

表3 主扇風網(wǎng)解算優(yōu)化選擇結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

(1)上述風網(wǎng)解算表明,新增1900m至地表斜井使新山礦區(qū)1800、1870、1900中段和地表及其間相應(yīng)采場中形成了完整的通風網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),保證了新鮮風流充分洗刷工作面,污風及時排出。

(2)由表2可知,1800、1870中段坑口進風段通風阻力較小,分別為0.06643Ns2/m8和0.01625 Ns2/m8,占系統(tǒng)總阻力的23.1%和5.6%,而1900 m至地表斜井回風段的阻力(0.16588Ns2/m8)較大,占系統(tǒng)總阻力的57.6%,表明通風系統(tǒng)的阻力主要集中在1900m至地表的斜井回風段,自然風壓作用下,通風系統(tǒng)的負壓和功率將主要消耗于斜井回風段,進一步說明了1900m至地表斜井工程的必要性;通風系統(tǒng)優(yōu)化后,3種方案的功率消耗均較小,以方案一為例,3處進、回風段功率消耗分別為3.1,1.3,82.0kW,占總功率消耗的1.3%,0.5%和34.6%,而優(yōu)化前各段通風阻力分別為系統(tǒng)總阻力的23.1%、5.6%和57.6%。綜合分析表明,該新增工程選址合理,改善了系統(tǒng)當前通風狀況。

表4 各方案通風網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

(3)對比3種方案的通風效果,壓入式方案最合理。首先考慮各中段的風量和風速:3種方案1900m至地表斜井的風速分別為13.2,10.8,13.4 m/s,均小于《地下礦通風規(guī)定》中通風系統(tǒng)專用總回風道風速≤15m/s的指標規(guī)定;方案一和方案三的總回風量大體相同,分別為79,80m3/s,滿足78 m3/s的采場總需風量要求,而方案二總風量僅64 m3/s,無法滿足該要求。其次考慮整個系統(tǒng)所需的通風設(shè)備數(shù)量、電力消耗等因素,方案一的通風阻力0.28789Ns2/m8略大于方案三(0.28452Ns2/m8),但前者使用的通風機(7個)較少,總功率和電費均小于方案三,表明該方案通風動力消耗較少,通風費用較低。綜合考慮通風系統(tǒng)的經(jīng)濟合理性及技術(shù)可行性,對比得出方案一要優(yōu)于其他方案。這與云錫公司礦井為含氡危害礦井,采用壓入式供風,可使進風部分和用風部分處于正壓狀態(tài),防止氡和氡子體向礦內(nèi)滲流而污染風源的要求相符。

(4)3種方案選擇的主機性能與通風網(wǎng)絡(luò)匹配較好。以方案一為例,參考《地下礦通風規(guī)定》中相關(guān)規(guī)定,2臺主扇效率都為73%,大于60%,1800,1870中段進風道風速分別為6.0m/s和7.1m/s,滿足通風系統(tǒng)主要進風道風速≤8m/s的指標規(guī)定,而1900m至地表斜井作為該通風系統(tǒng)專用總回風道,風速為13.2m/s,小于15m/s的指標規(guī)定,模擬解算風壓也滿足不超過風機性能曲線上最大風壓的90%～95%的要求。

4 結(jié) 論

(1)利用Surpac Vision、3D Mine和Ventsim軟件建立了新山礦區(qū)三維立體通風系統(tǒng)仿真模型。

(2)采用Ventsim軟件,對三維通風系統(tǒng)模型進行現(xiàn)狀模擬,并根據(jù)實際要求增設(shè)1900m至地表的斜井工程,以解決實際回風困難的問題。

(3)提出設(shè)立新增斜井工程后的3種通風系統(tǒng)優(yōu)化方案,分別基于Ventsim軟件進行風網(wǎng)解算,形成了通順、完整的通風系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。確定了主扇和輔扇選型及位置,通過比較相應(yīng)參數(shù),提出壓入式的通風系統(tǒng)優(yōu)化方案,及時解決了礦井回風困難的問題,為礦山實際生產(chǎn)和管理提供指導和依據(jù)。

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2010-03-18)

鄧紅衛(wèi)(1969-),男,湖南岳陽人,副教授,主要從事地質(zhì)勘察與礦山安全方面的研究與教學工作,Email:denghw208@126.com。