何敏, 武福生， 成燕玲

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司, 江蘇 常州 213015；3.蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司， 江蘇 蘇州 215104)

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基于三維模型的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模擬分析

何敏1,2, 武福生1,2， 成燕玲3

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司, 江蘇 常州 213015；3.蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司， 江蘇 蘇州 215104)

以某礦為研究對象，利用VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)構(gòu)建了礦井通風(fēng)系統(tǒng)真實三維模型，在獲取可靠通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對該礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控方案進行了準(zhǔn)確模擬?，F(xiàn)場實際測量結(jié)果與模擬結(jié)果較為吻合，誤差很小，驗證了基于三維模型的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控方案的可靠性。

煤炭開采； 通風(fēng)系統(tǒng)； 通風(fēng)仿真； 三維模型； 優(yōu)化調(diào)控； 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)的重要組成部分，是礦井實現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要保障[1]。隨著礦井開采的不斷進行，通風(fēng)系統(tǒng)會變得越來越復(fù)雜，尤其是一些地質(zhì)條件比較差的礦井，在通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流調(diào)控上一直存在著比較大的困難[2-3]。如果通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流調(diào)控不當(dāng)，往往會導(dǎo)致工作面風(fēng)量不足、污風(fēng)不能及時排除等問題，甚至威脅到礦井的生產(chǎn)安全[4]。因此，在礦井生產(chǎn)過程中加強通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控和通風(fēng)管理工作就顯得非常重要[5]。

目前，我國在礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控領(lǐng)域普遍采用基于AutoCAD開發(fā)的通風(fēng)仿真軟件，這些軟件只能繪制二維平面下的通風(fēng)系統(tǒng)圖。隨著地下開采深度及廣度的不斷推進，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度逐步增大，二維通風(fēng)系統(tǒng)圖已無法直觀地表達礦井通風(fēng)系統(tǒng)中各巷道間的復(fù)雜空間層位關(guān)系[6]。因此，礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控采用三維可視化技術(shù)將是今后發(fā)展的必然趨勢。

VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)是基于3D GIS技術(shù)開發(fā)的三維通風(fēng)仿真軟件，可幫助用戶進行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、日常通風(fēng)管理、災(zāi)害事故動態(tài)模擬和安全監(jiān)控管理。本文采用VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)，依據(jù)陽泉某礦巷道導(dǎo)線點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了該礦通風(fēng)系統(tǒng)的真實三維巷道模型，通過阻力測定數(shù)據(jù)及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算獲取該礦可靠的通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)，對該礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控方案進行三維通風(fēng)仿真模擬，以判定通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控方案的可行性。

1 通風(fēng)系統(tǒng)真實三維模型構(gòu)建

通風(fēng)系統(tǒng)真實三維模型構(gòu)建步驟如下：

(1) 利用礦井采掘工程平面圖的巷道中心線生成巷道實體圖。主要方法是將巷道的導(dǎo)線點連接起來，形成巷道中心線，然后將導(dǎo)線點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)賦值于中心線端點，最后將所有中心線導(dǎo)入VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)，生成三維巷道實體圖。

(2) 修改巷道參數(shù)。上述生成的三維巷道實體圖中，巷道斷面形狀、巷寬、巷高等參數(shù)都是系統(tǒng)默認(rèn)值，需要根據(jù)礦井實際情況進行修改。

(3) 輸入礦井通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)。礦井通風(fēng)的基礎(chǔ)參數(shù)主要包括巷道摩擦阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)、主要通風(fēng)機工況點數(shù)據(jù)。其中，巷道摩擦阻力系數(shù)首先采用通風(fēng)阻力測定的實測數(shù)據(jù)，后期通過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算修正為實際值；局部阻力系數(shù)按照巷道布置關(guān)系在VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)預(yù)設(shè)值中選?。恢饕L(fēng)機工況點數(shù)據(jù)按礦井實際情況進行輸入。

(4) 添加通風(fēng)構(gòu)筑物。在VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)中，礦井的通風(fēng)構(gòu)筑物主要是指風(fēng)門和風(fēng)窗。風(fēng)門和風(fēng)窗在VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)中可以先按固定風(fēng)量進行預(yù)處理，在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算結(jié)果符合實際情況后，將風(fēng)門轉(zhuǎn)化為風(fēng)阻值，風(fēng)窗體現(xiàn)其開口面積。

(5) 修正通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)。根據(jù)礦井實際情況，利用VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算功能進行修正。

2 礦井通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)獲取

礦井通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)的獲取流程如圖1所示。

圖1 礦井通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)獲取流程

可靠的礦井通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)是保障通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模擬結(jié)果準(zhǔn)確的必要條件，礦井通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)主要依靠礦井通風(fēng)阻力測定及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算獲取。

復(fù)雜礦井的通風(fēng)阻力測定由于工作量大、測定周期較長、干擾因素多及測量儀器本身的誤差等原因，使得測定結(jié)果或多或少存在著一定的誤差。有效的解決辦法：將通過通風(fēng)阻力測定獲取的礦井通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)輸入到通風(fēng)仿真模擬軟件中進行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算，獲得主要巷道的模擬風(fēng)量數(shù)據(jù)，將其與礦井真實可靠的風(fēng)量數(shù)據(jù)進行對比檢驗，如果誤差16:21 2016-11-21小于5%(礦井通風(fēng)行業(yè)領(lǐng)域認(rèn)為巷道風(fēng)量誤差小于5～10%是可以接受的準(zhǔn)確值，這里取5%)，則說明獲取的通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)是可靠的；否則，需要對相關(guān)巷道的摩擦阻力系數(shù)進行修改，直至風(fēng)量誤差小于5%。其原理是依據(jù)礦井通風(fēng)阻力定律，在主要通風(fēng)機工況點確定的情況下，只要給礦井各條巷道的風(fēng)阻進行賦值，依據(jù)自然分風(fēng)的原則，通風(fēng)仿真模擬系統(tǒng)就能準(zhǔn)確模擬出各條巷道的風(fēng)量；如果模擬風(fēng)量值與礦井實際風(fēng)量匹配良好，則說明巷道的風(fēng)阻賦值準(zhǔn)確、可靠。因為VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)能通過巷道的摩擦阻力系數(shù)，結(jié)合巷道斷面積、長度直接計算出風(fēng)阻值，所以，在圖1中采用的方法是通過通風(fēng)阻力測定獲取巷道摩擦阻力系數(shù)。

3 陽泉某礦通風(fēng)系統(tǒng)真實三維模型構(gòu)建

陽泉某礦屬于特大型礦井，主采煤層為3號、8號、15號，通風(fēng)系統(tǒng)非常復(fù)雜，現(xiàn)有2個水平、6個采區(qū)、7個進風(fēng)井、4個回風(fēng)井，礦井總回風(fēng)量為76 618 m3/min。

該礦的通風(fēng)系統(tǒng)真實三維模型構(gòu)建情況如下：

(1) 該礦采掘工程平面圖上的導(dǎo)線點數(shù)量共計3 538個，通過這些點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再結(jié)合所有井口及部分坡度推算的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，勾畫形成了該礦的巷道中心線。將巷道中心線導(dǎo)入VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)，生成該礦的三維巷道實體圖，共4 320條巷道。

(2) 根據(jù)礦井設(shè)計資料、通風(fēng)報表中的部分巷道斷面情況及阻力測定的實測數(shù)據(jù)，對該礦的所有巷道的斷面形狀、巷寬、巷高等進行修改。

(3) 為獲取該礦的通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)，進行了通風(fēng)阻力測定工作。由于該礦通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜、采區(qū)覆蓋區(qū)域大，故采用氣壓計基點法進行測定。一共布置319個測點，歷時15 d完成測定工作。測定的數(shù)據(jù)包括：地面的大氣壓力(每隔5 min測量1次，用于對井下測定的壓力值進行校正)；測點的絕對壓力、測定時間、溫度、濕度、標(biāo)高；測點所在巷道的風(fēng)量、斷面形狀、巷寬、巷高、支護形式；4臺主要通風(fēng)機的工況點等。數(shù)據(jù)處理完成后，將巷道的摩擦阻力系數(shù)及主要通風(fēng)機工況點數(shù)據(jù)、37個掘進巷道的風(fēng)量輸入到三維巷道實體圖中，選取巷道的局部阻力系數(shù)。

(4) 該礦共有84處風(fēng)門、242處風(fēng)窗或風(fēng)障，這些均按固定風(fēng)量在前述三維巷道實體圖上進行輸入。

(5) 利用VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)進行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，通過與通風(fēng)報表中的風(fēng)量和用通風(fēng)阻力測定獲得的風(fēng)量進行對比檢驗，修改小部分巷道的摩擦阻力系數(shù)后，若風(fēng)量誤差小于5%，認(rèn)定獲得了該礦可靠的通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)。至此，完成該礦三維模型構(gòu)建。該礦局部三維模型效果如圖2所示，主要通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)見表1、表2。

圖2 某礦局部三維通風(fēng)模型效果

名稱風(fēng)量/(m3·min-1)風(fēng)壓/Pa北部主要通風(fēng)機185813252南部主要通風(fēng)機256343150西北部主要通風(fēng)機136342272西南部主要通風(fēng)機187692530

表2 主要特征巷道的摩擦阻力系數(shù)

4 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控方案模擬分析

該礦原有5個回風(fēng)井，隨著采掘更替，原東部風(fēng)井附近采掘工作面的需風(fēng)量逐年減少，為提升礦井的經(jīng)濟效益，停運了該主要通風(fēng)機。在該主要通風(fēng)機停運前，此區(qū)域還剩一個備用工作面，如果通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整，其回風(fēng)只能經(jīng)北部風(fēng)井排出，而北部風(fēng)井區(qū)域的北回風(fēng)巷、南回風(fēng)巷和南回風(fēng)配巷3條采區(qū)回風(fēng)巷中，只有南回風(fēng)巷與該備用工作面所在采區(qū)的回風(fēng)巷相連接，但是南回風(fēng)巷冒頂嚴(yán)重，只有200 m3/min 的回風(fēng)能力。因此，在通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整時，對該備用工作面進行了臨時密閉。現(xiàn)由于采掘銜接原因，決定啟用該備用工作面，因而通風(fēng)系統(tǒng)需要進行優(yōu)化調(diào)控。具體優(yōu)化調(diào)控方案：① 對南回風(fēng)巷冒頂段進行整巷；② 對南北回風(fēng)的第1條聯(lián)絡(luò)巷冒頂段進行整巷；③ 拆除上述備用工作面的臨時密閉墻。

投入生產(chǎn)時，備用工作面預(yù)計需風(fēng)量為110 0 m3/min 左右，為了判斷以上優(yōu)化調(diào)控方案是否可行，擬采用VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)事先進行通風(fēng)模擬分析。首先將南回風(fēng)巷和南北回風(fēng)的第1條聯(lián)絡(luò)巷冒頂段的摩擦阻力系數(shù)分別更改為其正常段的值，即0.013 Ns2/m4和0.013 Ns2/m4，其次將備用工作面的固定風(fēng)量標(biāo)志去除，然后輸入主要通風(fēng)機工作角度的特性曲線數(shù)據(jù)，之后進行通風(fēng)模擬，模擬結(jié)果見表3、表4。

表3 主要用風(fēng)地點風(fēng)量模擬結(jié)果 m3/min

表4 北部風(fēng)井主要通風(fēng)機工況點通風(fēng)模擬結(jié)果

根據(jù)以上模擬結(jié)果可知，主要用風(fēng)地點的風(fēng)量均滿足用風(fēng)需求，因此，可以判定上述優(yōu)化調(diào)控方案是可行的。為了驗證模擬結(jié)果的可靠性，礦方按照上述優(yōu)化調(diào)控方案進行了工程實施，工程實施之后進行了現(xiàn)場測定工作，測定結(jié)果見表5、表6。

表5 主要用風(fēng)地點風(fēng)量測定結(jié)果 m3/min

表6 北部風(fēng)井主要通風(fēng)機工況點通風(fēng)測定結(jié)果

根據(jù)以上實測結(jié)果與模擬結(jié)果的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，實測結(jié)果與軟件模擬的結(jié)果基本一致，因此，可以判定：在三維通風(fēng)模型通風(fēng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)上，利用VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)進行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控方案模擬所獲得的結(jié)果也是可靠的，可以為礦井生產(chǎn)現(xiàn)場的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

5 結(jié)語

采用VENTSIM三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)構(gòu)建了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的真實三維巷道模型，在通過阻力測定數(shù)據(jù)及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算獲取可靠通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控方案進行了仿真模擬。通過對比分析方案實施后現(xiàn)場的實際測量結(jié)果與模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各用風(fēng)地點的風(fēng)量及主要通風(fēng)機的工況點風(fēng)量均與軟件通風(fēng)模擬的結(jié)果較為吻合，誤差很小，驗證了基于三維模型的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控方案的可靠性。

在當(dāng)前礦井通風(fēng)系統(tǒng)越來越復(fù)雜的背景下，采用三維技術(shù)構(gòu)建完全真實的礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型，利用三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)，根據(jù)巷道摩擦阻力系數(shù)直接計算巷道風(fēng)阻，能有效避免二維系統(tǒng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算修改巷道風(fēng)阻所造成的同樣巷道摩擦阻力系數(shù)不一致的問題。

[1] 黃元平.礦井通風(fēng)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1990.

[2] 司俊鴻.礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流參數(shù)動態(tài)監(jiān)測及風(fēng)量調(diào)節(jié)優(yōu)化[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2012.

[3] 王海寧,彭斌,彭家蘭,等.大型復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)的共性問題分析與優(yōu)化實踐[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2014,14(3)：24-27.

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[6] 黃俊歆.礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控算法與三維可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

Simulation analysis of optimal regulation and control of ventilation system based on 3D model

HE Min1，2, WU Fusheng1，2， CHENG Yanling3

(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;2.Tiandi(Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China；3.Suzhou Electrical Apparatus Science Academy Co.,Ltd., Suzhou 215104, China)

A real 3D model of mine ventilation system was built by VENTSIM 3D ventilation dynamic simulation system taking a coal mine as research object. On the basis of obtaining reliable basic ventilation parameters, an accurate simulation of optimal regulation and control scheme of the ventilation system was made. The actual measurement results are in good agreement with the simulation results, and error is very small, so it verifies the reliability of optimal regulation and control scheme of ventilation system based on 3D model.

coal mining; ventilation system; ventilation simulation;3D model; optimal regulation and control; ventilation network calculation

1671-251X(2016)11-0041-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.010

何敏,武福生，成燕玲.基于三維模型的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模擬分析[J].工礦自動化，2016,42(11)：41-44.

2016-06-21；

2016-09-29；責(zé)任編輯：張強。

常州市科技支撐計劃(工業(yè))項目(CE20150068)。

何敏(1983-)，男，湖北天門人，助理研究員，博士，主要研究方向為礦井通風(fēng)防滅火，E-mail:hemin1234567@163.com。

TD72

A

時間：2016-10-28 16:26

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1626.010.html