李孜軍 陳艷麗

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

·安全與環(huán)保·

基于Ventsim的礦井通風(fēng)風(fēng)阻參數(shù)優(yōu)化

李孜軍 陳艷麗

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

研究礦井通風(fēng)風(fēng)阻變化規(guī)律對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算及優(yōu)化調(diào)節(jié)的影響有著重要的意義。根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)量、風(fēng)壓和風(fēng)阻之間的平衡關(guān)系，運(yùn)用單因素分析法，實(shí)現(xiàn)快捷高效優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。該方法是通過(guò)改變某一分支巷道的風(fēng)阻值，分析其他特征分支風(fēng)量和風(fēng)壓對(duì)此變化做出的反應(yīng)狀況規(guī)律。以某金屬礦山為例，將通風(fēng)系統(tǒng)模型導(dǎo)入Ventsim三維仿真系統(tǒng)，選擇一個(gè)具有代表性的特定分支，在其他參數(shù)保持不變的情況下，改變這一分支巷道的風(fēng)阻值，通過(guò)仿真模擬解算出需要的數(shù)據(jù)。最后對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行分析比較，確定該分支巷道和相關(guān)分支風(fēng)量及風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)之間的相互關(guān)系，來(lái)判斷其對(duì)通風(fēng)穩(wěn)定性影響的大小。這不僅為礦井前期通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，也為后期礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行及改造提供了數(shù)據(jù)支持，最終為實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三維通風(fēng)仿真 Ventsim系統(tǒng) 風(fēng)流模擬 風(fēng)網(wǎng)解算

隨著人類(lèi)對(duì)礦產(chǎn)資源需求的增加和淺表層礦產(chǎn)資源的不斷消耗，人們不得不對(duì)深部礦產(chǎn)資源進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)采[1-2]。礦山深部開(kāi)采將會(huì)面臨諸多問(wèn)題：井下有毒有害氣體、粉塵、惡劣的高溫等因素會(huì)直接損害工人的身心健康，影響工作效率；礦山現(xiàn)代機(jī)械化程度低，礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，人工管理相對(duì)困難，甚至罕有礦山企業(yè)保有一套完備的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)資料。數(shù)字化礦井通風(fēng)管理作為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為解決這個(gè)問(wèn)題的有效方法之一[3-4]。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出大量的礦井通風(fēng)系統(tǒng)仿真與可視化軟件，例如遼寧工程技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)的礦井仿真系統(tǒng)軟件MVSS[5]；由美國(guó)VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾提出的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)可用于仿真、人機(jī)交互式、三維動(dòng)態(tài)模擬[6]；還有三維GIS、Visual Studio、Data Mine等[7-8]。由于各因素之間相互疊加影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，很難發(fā)現(xiàn)單個(gè)因素對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[9]，并且傳統(tǒng)的二維技術(shù)由于數(shù)據(jù)顯示不全面、不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬等原因，不能滿(mǎn)足大型復(fù)雜礦井的要求。而金碼軟件(北京)有限公司開(kāi)發(fā)的Ventsim三維仿真軟件是綜合性軟件，不但可以進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算，也可以進(jìn)行狀態(tài)模擬和經(jīng)濟(jì)分析。比如風(fēng)流模擬、污染度模擬、熱模擬、通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性分析等[10]。

1 Ventsim仿真軟件[11-12]

1.1 主要功能

(1)可直接導(dǎo)入畫(huà)好的礦井通風(fēng)系統(tǒng)AutoCAD圖，也可以根據(jù)礦井測(cè)得的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)界面上直接畫(huà)。

(2)可以瀏覽三維礦井圖中巷道內(nèi)通風(fēng)設(shè)施布置情況，進(jìn)行整體系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽。

(3)對(duì)新建或正在生產(chǎn)中的礦井進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)解算和動(dòng)態(tài)風(fēng)流模擬；模擬風(fēng)門(mén)、風(fēng)窗、密閉等通風(fēng)構(gòu)筑物的設(shè)置和風(fēng)量調(diào)節(jié)結(jié)果；進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型，風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)分析等。

(4)模擬井下柴油機(jī)、爆破、火災(zāi)等的有害氣體、粉塵擴(kuò)散路徑和濃度，并輔助進(jìn)行災(zāi)害處理和預(yù)案制定工作。

(5)對(duì)井巷中的冷源、熱源等進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)定量分析礦井的加熱或降溫效果。

(6)具有礦井通風(fēng)系統(tǒng)自然風(fēng)壓分析和深井(超過(guò)500 m)空氣壓縮分析的功能。

(7)主要巷道經(jīng)濟(jì)斷面的選型、通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性和通風(fēng)能力分析，進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)全局性?xún)?yōu)化處理。

1.2 系統(tǒng)理論

礦井通風(fēng)系統(tǒng)在Ventsim三維通風(fēng)仿真情況下，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)模擬。由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性受多種參數(shù)變化的影響，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更趨于復(fù)雜化，人工很難計(jì)算出來(lái)。因此，要在礦井通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)刻變動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行控制，要必須快速地實(shí)現(xiàn)風(fēng)網(wǎng)解算，才能得出準(zhǔn)確的結(jié)果。軟件采用Hardy-Cross迭代法求解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，在本質(zhì)上是依據(jù)風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律、風(fēng)阻定律和通風(fēng)系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立的系統(tǒng)模型。根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)分支巷道的初始風(fēng)量，近似求出各個(gè)風(fēng)路的風(fēng)量增值ΔQk(修正值)，對(duì)風(fēng)路中各分支巷道的風(fēng)量分別進(jìn)行修正，再迭代計(jì)算，直到修正值ΔQk滿(mǎn)足給定精度[13-14]。如圖1所示，通過(guò)迭代次數(shù)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，尋找可接受的解決方法。

對(duì)有風(fēng)機(jī)和自然風(fēng)壓作用的網(wǎng)孔，其風(fēng)量修正值可以用下式表示：

圖1 Hardy-cross方法中的風(fēng)量壓降關(guān)系Fig.1 The diagram of ventilation pressure drop in Hardy-cross methodh—通風(fēng)阻力；R—井巷風(fēng)阻；Q—真實(shí)風(fēng)量；Qa—近似風(fēng)量；ΔQ—初擬風(fēng)量與真實(shí)值的誤差； Δh—初擬通風(fēng)阻力與真實(shí)值的誤差。

(1)

式中，ΔQk為回路風(fēng)量增量值；k=1,2,…,M(M為獨(dú)立網(wǎng)孔數(shù))；Ri為井巷風(fēng)阻真實(shí)值；i=1,…,b(b為分支巷道數(shù))；Hfk為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓；Nvpk為自然風(fēng)壓；ak為風(fēng)機(jī)特征曲線斜率，dHf/dQ;Hf為風(fēng)機(jī)壓降；Qai為近似風(fēng)量。

2 礦井概況

根據(jù)礦山設(shè)計(jì)，某金屬礦礦井整體標(biāo)高-300～347 m，全礦共設(shè)置風(fēng)機(jī)13臺(tái)，其中采場(chǎng)排風(fēng)扇3臺(tái)，地表風(fēng)扇7臺(tái)，局部風(fēng)扇3臺(tái)，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓類(lèi)型采用全壓法。該礦采用主副井集中開(kāi)拓，共有3個(gè)采礦工作面，其中P400采礦場(chǎng)為正在籌建中的礦場(chǎng)，P415采礦場(chǎng)為正在開(kāi)采的礦井，P430采礦場(chǎng)是已經(jīng)采礦完畢封閉廢棄的礦井。正在開(kāi)采的礦場(chǎng)劃分為4個(gè)開(kāi)采中段，各個(gè)中段開(kāi)采高度為20 m。

本研究以該金屬礦通風(fēng)系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析特征分支風(fēng)阻變化對(duì)整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的影響。根據(jù)該金屬礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀況，進(jìn)回風(fēng)井筒位置分布及工作面分布情況等因素，通風(fēng)方法采用抽出式，即在主井設(shè)置主通風(fēng)機(jī)并進(jìn)行進(jìn)風(fēng)，T48RAR和U43回風(fēng)井回風(fēng)。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)流通路為新風(fēng)從主井進(jìn)入，經(jīng)M41FAR主通風(fēng)井和M40斜坡道進(jìn)入工作面，采場(chǎng)排出的污風(fēng)進(jìn)入上中段回風(fēng)平巷后通過(guò)采場(chǎng)排風(fēng)扇抽出進(jìn)入回風(fēng)井T48RAR系統(tǒng)排出地表；溜礦系統(tǒng)、采場(chǎng)開(kāi)拓系統(tǒng)和車(chē)間區(qū)域排出的污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)井U43豎井排出地表。礦井通風(fēng)三維仿真視圖如圖2所示。

3 風(fēng)阻變化對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

首先改變通風(fēng)系統(tǒng)某一參數(shù)的值，使其按照一定的規(guī)律進(jìn)行改變，并保證通風(fēng)系統(tǒng)其他參數(shù)不變。借助Ventsim三維礦井通風(fēng)系統(tǒng)軟件，得出特定系統(tǒng)狀態(tài)下的解算結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行圖表分析。由于需要分析的通風(fēng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，因此需要選定特定分支(見(jiàn)表1)進(jìn)行分析，如：進(jìn)風(fēng)井、回風(fēng)井、中段運(yùn)輸大巷和工作面。其他文中未涉及的分支可采用類(lèi)似的方法進(jìn)行分析。

圖2 三維通風(fēng)系統(tǒng)模型Fig.2 3D ventilation system model

3.1 單分支風(fēng)阻變化對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

在該金屬礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，與地表相連的進(jìn)風(fēng)井筒和斜坡道包括斜坡道+87.9～+226 m，U37豎井通風(fēng)井筒+87.9～+241.7 m，M40水平入口+148～+148.7 m，主進(jìn)風(fēng)井+132.9～+147.9 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的礦井通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，主進(jìn)風(fēng)井相對(duì)于其他進(jìn)風(fēng)分支對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響最大，對(duì)其進(jìn)行研究具有代表性的意義。該分支風(fēng)阻的變化對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響是全局性的。當(dāng)該分支的風(fēng)阻變化時(shí)，用Ventsim三維礦井通風(fēng)系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算，解算結(jié)果見(jiàn)表2所示。表2中分支風(fēng)阻變化率中的“1 000”是非常規(guī)值，表示將該分支風(fēng)阻增大到正常分支風(fēng)阻的1 000倍，用來(lái)分析在非正常狀態(tài)下通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)量和風(fēng)壓的變化情況。

表1 用于風(fēng)阻可調(diào)節(jié)性研究的特征分支Table 1 The resistance of the characteristic branches can be regulatory researched

表2 主進(jìn)風(fēng)井分支風(fēng)阻變化數(shù)值模擬結(jié)果Table 2 The numerical simulation results of wind resistance changes of the main ventilation well branches

3.2 多分支風(fēng)阻變化對(duì)風(fēng)機(jī)等效風(fēng)壓的影響

由于該金屬礦出入口分支不是很多，將出入口分支分為2組即可：第1組為入口分支，包括有主進(jìn)風(fēng)井、M40水平入口、斜坡道、U37井筒；第2組為出口分支，包括有U43豎井和T48RAR回風(fēng)井。第1、2組分支風(fēng)阻變化對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)1、2和3的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓效率影響結(jié)果如圖3所示。

3.3 模擬結(jié)果分析

(1)主進(jìn)風(fēng)井風(fēng)阻變化對(duì)各個(gè)特征分支風(fēng)量的影響各不相同。分支1、12和398的風(fēng)量是隨主進(jìn)風(fēng)井風(fēng)阻增大而變大的；分支14、134、133、399和400的風(fēng)量是隨主進(jìn)風(fēng)井風(fēng)阻增大而變小的；而分支319是隨主進(jìn)風(fēng)井風(fēng)阻增大基本保持不變的。其中，進(jìn)、回風(fēng)口的風(fēng)量變化最大，對(duì)礦井整體通風(fēng)效果有明顯的影響。因主要通風(fēng)機(jī)設(shè)置在進(jìn)、回風(fēng)井中，所以礦井通風(fēng)系統(tǒng)中各個(gè)風(fēng)機(jī)之間并不是獨(dú)立工作的。風(fēng)機(jī)之間相互聯(lián)系形成復(fù)雜的非線性系統(tǒng)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生重大的影響。

圖3 分支風(fēng)阻變化對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓效率的影響Fig.3 The changing of branch wind resistance impact on the efficiency of the fan air pressure◆—一組風(fēng)機(jī)1；■—一組風(fēng)機(jī)2；▲—一組風(fēng)機(jī)3； ×—二組風(fēng)機(jī)4；△—二組風(fēng)機(jī)5；●—二組風(fēng)機(jī)6

(2)當(dāng)主進(jìn)風(fēng)井風(fēng)阻增大時(shí)，2個(gè)回風(fēng)井中的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓減小，主進(jìn)風(fēng)井中的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓增大，深部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓不變。而在風(fēng)阻極致?tīng)顟B(tài)“1 000”時(shí)，風(fēng)機(jī)出現(xiàn)失速的情況。說(shuō)明，隨著礦井通風(fēng)系統(tǒng)的阻力增大，需要提高風(fēng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)彌補(bǔ)這部分增加的阻力，促使風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)向左偏離進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域。使得整個(gè)礦井的通風(fēng)效率降低，各用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量值未達(dá)到正常運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)這類(lèi)分支風(fēng)阻變化的敏感度很大，可以用來(lái)預(yù)防礦井通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定性的發(fā)生。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，所有進(jìn)風(fēng)分支風(fēng)阻發(fā)生變化都會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的效率產(chǎn)生不同程度的影響。而在礦井深處用來(lái)補(bǔ)給風(fēng)量的風(fēng)機(jī)只影響與它有關(guān)聯(lián)的分支，因而影響區(qū)域是局部性的。

(3)當(dāng)?shù)V井通風(fēng)系統(tǒng)所有進(jìn)風(fēng)或回風(fēng)分支風(fēng)阻增大時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓效率在進(jìn)風(fēng)井中上升，而在回風(fēng)井中下降。但對(duì)于風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)井中，風(fēng)機(jī)效率的變化率和風(fēng)壓的變化量卻有較大區(qū)別。利用礦井通風(fēng)系統(tǒng)的這一特點(diǎn)，可以?xún)?yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)分支的參數(shù)，幫助穩(wěn)定礦井通風(fēng)系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

(1)特征分支的風(fēng)量和風(fēng)壓在某一分支風(fēng)阻變化下的影響。為了保證礦井整體通風(fēng)量的穩(wěn)定，如果主進(jìn)風(fēng)井分支風(fēng)阻的值變大了，那么其他進(jìn)風(fēng)分支1、12和398的風(fēng)量也是變大的；而回風(fēng)分支14、399、中段分支134、通向工作面分支133和主進(jìn)風(fēng)井400本身的風(fēng)量是變小的；分支319處于局部通風(fēng)區(qū)域不受主通風(fēng)機(jī)的影響，因而風(fēng)量基本保持不變。當(dāng)主進(jìn)風(fēng)井風(fēng)阻增大時(shí)，2個(gè)回風(fēng)井中的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓減小，主進(jìn)風(fēng)井中的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓增大，而深部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓不變，在風(fēng)阻達(dá)到極致“1 000”時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)處于失速狀態(tài)，對(duì)礦井通風(fēng)安全影響極大。

(2)多分支風(fēng)阻變化對(duì)主要風(fēng)機(jī)風(fēng)壓效率的影響。當(dāng)?shù)?組進(jìn)風(fēng)井分支風(fēng)阻變化為原來(lái)的2倍時(shí)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的平均效率達(dá)到70.6%；第2組回風(fēng)井分支風(fēng)阻變化為原來(lái)的一半時(shí)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的平均效率達(dá)到72.8%。因此，適當(dāng)增大進(jìn)風(fēng)井分支風(fēng)阻或減小回風(fēng)井分支風(fēng)阻可以提高風(fēng)機(jī)風(fēng)壓總體效率，但是回風(fēng)井分支風(fēng)阻為零時(shí)反而不利率風(fēng)機(jī)風(fēng)壓效率的提高。

(3)采用Ventsim三維仿真通風(fēng)軟件對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算和風(fēng)流動(dòng)態(tài)模擬。通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化處理，為通風(fēng)管理人員和技術(shù)人員提供了一套科學(xué)管理的工具和必要的數(shù)據(jù)依據(jù)。與其他方法相比，具有獲取的結(jié)果更具有科學(xué)性、準(zhǔn)確性和可靠性，從而使該軟件具有了較高的實(shí)用價(jià)值。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Optimization of Mine Ventilation Resistance Parameter Based on Ventsim Software

Li Zijun Chen Yanli

(SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

It's very important to research the impact of the wind resistance changing regular of mine ventilation on mine ventilation network solution and optimal regulation. The single factor analysis method is proposed to realize a fast and high efficient optimal ventilation system by using the equilibrium rule of air volume，wind pressure and wind resistance of the ventilation system. In this method，the reacting rule for the other branch's air volume and air pressure with the variation is concluded through changing the wind resistance of one roadway branch. Taking a metal mine for example，the ventilation system model was introduced into Ventsim three-dimensional simulation system. Selecting a special branch as a representative，with any other parameters unchanged，and varying its wind resistance，the data needed were calculated out by simulation. Finally，the resolving results were analyzed and compared to determine the relationship between the branch and the associated branch's air volume and fan operating to judge its impacting level on the stability of the ventilation. The research not only provides the theoretical basis for the design of the mine ventilation system at early stage，but also the data support for post-mine ventilation system operation and reconstruction，and eventually lays a solid foundation for realizing the mine safety production.

3D ventilation simulation，Ventsim system，Ventilation simulation，Ventilation network resolving

2013-11-24

李孜軍(1967—)，男，副教授，博士，博士研究生導(dǎo)師。

X936

A

1001-1250(2014)-03-136-05