柴青平，傅國輝，鄧皓澤，黃鉑然，黃 浩，王培濤

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114001；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

自然風(fēng)壓是礦井通風(fēng)系統(tǒng)中一種客觀存在的自然現(xiàn)象[1]。隨著四季氣候的變化，礦井內(nèi)的自然風(fēng)壓也會(huì)受到一定的影響，其大小和方向會(huì)隨著季節(jié)氣候的變化而發(fā)生改變。由于自然風(fēng)壓受到季節(jié)氣溫的影響，礦井通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)受到不同程度的干擾[2]。通過研究季節(jié)變化下自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，有助于指導(dǎo)優(yōu)化礦山通風(fēng)系統(tǒng)，降低通風(fēng)成本，提高通風(fēng)效率。

為了深入理解自然風(fēng)壓的變化特性以及對(duì)整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的影響，李亞俊等[3]對(duì)自然風(fēng)壓的形成機(jī)理和影響因素進(jìn)行了深入研究，并推導(dǎo)出一種計(jì)算自然風(fēng)壓的有效方法；李茂等[4]針對(duì)新疆年溫差大、晝夜溫差大的氣候條件特點(diǎn)，運(yùn)用Ventsim 軟件對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)提出優(yōu)化改造技術(shù)方案，提高了礦井風(fēng)量和通風(fēng)效率；胡善祥[5]根據(jù)礦井的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算夏季、冬季的礦井自然風(fēng)壓以及一天中礦井自然風(fēng)壓的變化，從而分析自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)的影響；彭家蘭等[6]利用3DVS 系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的自然風(fēng)壓計(jì)算模塊，模擬自然風(fēng)壓對(duì)全礦通風(fēng)的影響程度，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率來適應(yīng)不同季節(jié)的變化，實(shí)現(xiàn)利用自然風(fēng)壓輔助通風(fēng)的目標(biāo)；張志偉[7]基于自然風(fēng)壓的四季流動(dòng)特性，揭示了自然風(fēng)壓對(duì)古城煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的影響，通過在進(jìn)風(fēng)井安裝供暖設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了減小冬季礦井自然風(fēng)壓的目標(biāo)；王寶明[8]依據(jù)某煤礦通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)，研究得出自然風(fēng)壓與回風(fēng)井溫差值呈正比關(guān)系；馬恒等[9]基于流體靜力學(xué)與熱力學(xué)，得到了礦井實(shí)時(shí)的自然風(fēng)壓算法，并在長平煤礦的應(yīng)用中證明了其可靠性，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究提供了一定的理論基礎(chǔ)；馬奎等[10]分析了深井基建時(shí)期自然風(fēng)壓與通風(fēng)方式的相互作用關(guān)系，判斷了自然風(fēng)壓下反風(fēng)工況的風(fēng)流方向；張加元[11]研究了開采深度與通風(fēng)負(fù)壓工況下自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律；宋大和[12]探討了深井井筒貫通的通風(fēng)問題，得出自然風(fēng)壓對(duì)井筒貫通時(shí)刻通風(fēng)穩(wěn)定性有著重要作用；王利國[13]分析了煤礦建設(shè)時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性變化規(guī)律，進(jìn)一步研究了空氣密度對(duì)自然風(fēng)壓大小與方向的影響；耿俊斌[14]探討了溫差、濕度、空氣密度、礦井開拓布局及深度對(duì)自然風(fēng)壓的影響規(guī)律。

通過工作經(jīng)驗(yàn)和大量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)與自然風(fēng)壓之間存在緊密聯(lián)系，蔡海倫等[15]利用Ventsim 軟件模擬了會(huì)寶嶺鐵礦的通風(fēng)系統(tǒng)，并分析了自然風(fēng)壓對(duì)各分支風(fēng)路的敏感性，發(fā)現(xiàn)其對(duì)部分聯(lián)絡(luò)巷通風(fēng)影響較大且夏季自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)起抑制作用；張金堂等[16]發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)有著促進(jìn)與抑制作用，揭示了井筒反風(fēng)時(shí)溫度與自然風(fēng)壓的影響規(guī)律；余志劍等[17]基于井下自然風(fēng)壓變化規(guī)律，利用其特點(diǎn)對(duì)主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能提供了有效措施；喬海濤等[18]揭示了自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律；張永亮等[19]設(shè)計(jì)了通風(fēng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合自然風(fēng)壓隨四季氣候變化特性，提出了自然-機(jī)械聯(lián)合作用通風(fēng)方法，實(shí)現(xiàn)了金青頂?shù)V區(qū)的節(jié)能目標(biāo)。上述研究成果表明：自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)影響顯著，具有抑制與促進(jìn)作用。

綜上所述，不同學(xué)者通過計(jì)算從進(jìn)風(fēng)井到回風(fēng)井完整回路的自然風(fēng)壓或開展實(shí)地測(cè)量進(jìn)行分析，掌握自然風(fēng)壓在不同時(shí)期對(duì)礦井通風(fēng)的量化影響效果，并充分利用此規(guī)律實(shí)現(xiàn)礦山的節(jié)能通風(fēng)。但針對(duì)四季氣候變化對(duì)復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)影響的研究較少，為進(jìn)一步了解季節(jié)變化對(duì)礦井通風(fēng)的影響，利用三維仿真軟件，通過建立眼前山鐵礦三維通風(fēng)系統(tǒng)模型，模擬不同季節(jié)氣候下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)井口自然風(fēng)壓大小與方向，從而分析自然風(fēng)壓隨季節(jié)變化對(duì)眼前山礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響，并利用此規(guī)律對(duì)眼前山主機(jī)站風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)利用自然風(fēng)壓輔助通風(fēng)，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 工程概述

眼前山位于鞍山市，屬于溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)。春季日照時(shí)間長，降雨量小，因回暖快，濕度較??；夏季降水量大且較為集中，氣溫較高，酷熱較少；秋季濕度低，氣溫急降；冬季整體干燥寒冷。全年最高氣溫36.90 ℃，最低氣溫-30.40 ℃，全年平均氣溫8.60 ℃。

眼前山鐵礦的井下通風(fēng)采用了多級(jí)機(jī)站通風(fēng)方式。所設(shè)置的風(fēng)機(jī)機(jī)站位于采區(qū)進(jìn)風(fēng)天井、主進(jìn)風(fēng)井、主回風(fēng)井、采區(qū)回風(fēng)天井的聯(lián)絡(luò)巷。進(jìn)風(fēng)主要依靠副井、1 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井、2 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井、3 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井、主斜坡道，回風(fēng)依靠東主回風(fēng)井、中央主回風(fēng)井、西主回風(fēng)井[20]，如圖1 所示。

圖1 眼前山鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)Fig.1 Ventilation system of Yanqianshan Iron Mine

眼前山鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)在初期設(shè)計(jì)中對(duì)自然風(fēng)壓的利用較少，且風(fēng)機(jī)選型方面未將四季氣候變化因素考慮其中，由于眼前山地區(qū)四季分明，晝夜溫差大，濕度變化較大，涉及工況較多，因此，通過收集數(shù)據(jù)進(jìn)行自然風(fēng)壓模擬，掌握其變化規(guī)律，充分利用自然風(fēng)壓輔助通風(fēng)，提出相應(yīng)措施，達(dá)到節(jié)能目的。

通常計(jì)算的自然風(fēng)壓是指一個(gè)閉合回路中由于存在溫度或密度的差別從而引起的自然風(fēng)壓。眼前山鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，巷道線路繁多，進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井之間存在分流，并未有完整閉合的回路；且三維仿真系統(tǒng)以每條巷道作為獨(dú)立計(jì)算對(duì)象，模擬出每條進(jìn)風(fēng)井處的自然風(fēng)壓值和方向，因此，選用三維仿真系統(tǒng)進(jìn)行自然風(fēng)壓模擬計(jì)算。

2 建立三維仿真模型

2.1 三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)

三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)可對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解算，其動(dòng)態(tài)模擬原理主要為Scott-Hinsley 迭代法，借助計(jì)算機(jī)平臺(tái)的強(qiáng)大運(yùn)算能力，多次進(jìn)行風(fēng)流模擬迭代達(dá)到系統(tǒng)平衡，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬。三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)可建立礦井仿真三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過對(duì)巷道主要參數(shù)賦值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)流模擬后，能夠進(jìn)行仿真三維條件的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)壓、風(fēng)速、風(fēng)流態(tài)、自然風(fēng)壓、通風(fēng)成本等信息顯示，針對(duì)不同通風(fēng)復(fù)雜程度的金屬礦山均可達(dá)到良好的模擬效果。

2.2 建立眼前山通風(fēng)系統(tǒng)三維仿真模型

根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立眼前山通風(fēng)系統(tǒng)三維仿真模型，實(shí)現(xiàn)了礦井風(fēng)流、風(fēng)機(jī)運(yùn)行和通風(fēng)構(gòu)筑物等動(dòng)態(tài)模擬。具體構(gòu)建步驟如下所述。①導(dǎo)入眼前山鐵礦不同水平巷道中線CAD 圖形文件。②選中巷道中線圖形，通過三維仿真軟件自動(dòng)生成巷道，并對(duì)不同巷道界面進(jìn)行修改設(shè)置，對(duì)不同水平巷道進(jìn)行分類和用途劃分。③設(shè)置巷道進(jìn)出口的連接類型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定風(fēng)向，對(duì)巷道風(fēng)流方向進(jìn)行固定。④將在前期調(diào)研中測(cè)量的通風(fēng)阻力系數(shù)、巷道壁面支護(hù)形式、風(fēng)門或通風(fēng)構(gòu)筑物類型、巷道斷面形狀尺寸、地表工程環(huán)境信息、地?zé)崽荻鹊葏?shù)設(shè)置于模型中，在不同水平進(jìn)風(fēng)井、回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷設(shè)置主風(fēng)機(jī)和輔助風(fēng)機(jī)、局扇，在對(duì)應(yīng)位置設(shè)置通風(fēng)構(gòu)筑物或風(fēng)門。⑤設(shè)置工程環(huán)境信息，地表巖溫、地表干球溫度、濕球溫度、地溫梯度等基本環(huán)境信息。⑥通過風(fēng)流模擬解算修正通風(fēng)系統(tǒng)模型。最終得到眼前山鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)三維仿真模型，共建立6 020 條分支和6 260 個(gè)節(jié)點(diǎn)，風(fēng)路總長度90 875.60 m，眼前山通風(fēng)系統(tǒng)三維仿真模型如圖2 所示。

圖2 眼前山鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)三維仿真模型Fig.2 3D visualization model of ventilation system in Yanqianshan Iron Mine

為驗(yàn)證三維仿真模型的準(zhǔn)確性，對(duì)眼前山鐵礦-123 m 回風(fēng)水平與-303 m 進(jìn)風(fēng)水平處的主巷、進(jìn)風(fēng)井、回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量；通過設(shè)置模型參數(shù)，進(jìn)行風(fēng)流模擬，得到驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，根據(jù)選取節(jié)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬解算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表1。

表1 進(jìn)風(fēng)水平和回風(fēng)水平處實(shí)測(cè)風(fēng)速值與模擬風(fēng)速值對(duì)比Table 1 Comparison of measured and simulated wind speed values at the intake and return air levels 單位：m/s

共計(jì)選取有效風(fēng)速驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)18 處，風(fēng)速平均差值約為0.31 m/s，誤差在可接受范圍內(nèi)，進(jìn)一步說明了三維仿真模擬良好、可靠性高、準(zhǔn)確性高，模型具備展開自然風(fēng)壓模擬的基礎(chǔ)。

3 三維仿真模擬四季氣候變化

3.1 眼前山地區(qū)四季氣候情況

考慮眼前山地區(qū)一年四季溫差變化較大，需要對(duì)四季進(jìn)行精細(xì)劃分，因此分別展開三維仿真模擬：一年中的春季、夏季、秋季、冬季，每個(gè)季節(jié)為3 個(gè)月，每個(gè)月取1 d，每天取日間9 時(shí)與夜間9 時(shí)兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，總計(jì)24 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)；通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并調(diào)研氣象局歷史數(shù)據(jù)，收集了2022 年3 月至2023 年2 月眼前山地區(qū)近一年的晝夜溫濕度數(shù)據(jù)，提取其中24個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的地表平均溫度、濕度組成24 種工況，見表2。

表2 眼前山地區(qū)四季晝夜溫濕度數(shù)據(jù)Table 2 Temperature and humidity data of day and night in four seasons in Yanqianshan Area

3.2 三維仿真系統(tǒng)自然風(fēng)壓計(jì)算原理

三維仿真系統(tǒng)在熱量模擬過程中充分考慮了溫度、壓力、自然通風(fēng)可變性等多種因素。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將預(yù)先模擬的外部空氣平均密度設(shè)定應(yīng)用于風(fēng)流解算中，計(jì)算得到自然風(fēng)壓。

三維仿真模擬時(shí)，每個(gè)巷道對(duì)應(yīng)不同的出入口，使用傳統(tǒng)計(jì)算原理工作量較大，因此，不計(jì)算總的自然風(fēng)壓；通過設(shè)置多種工況條件進(jìn)行通風(fēng)模擬，三維仿真系統(tǒng)會(huì)計(jì)算每一條巷道的自然風(fēng)壓，通過假設(shè)一條同標(biāo)高的巷道，將礦井內(nèi)部與外部空氣的平均密度進(jìn)行差值計(jì)算。通過模型預(yù)設(shè)的地表干球溫度、濕球溫度、地表大氣壓強(qiáng)自動(dòng)計(jì)算礦井外部空氣密度，并且會(huì)隨著巷道高程的變化而發(fā)生改變。在風(fēng)流模擬過程中，計(jì)算得到了礦井空氣密度，而巷道風(fēng)流密度則代表了內(nèi)部空氣的密度。最終通過公式計(jì)算出各個(gè)巷道的自然風(fēng)壓值。

三維仿真系統(tǒng)中自然風(fēng)壓計(jì)算見式（1）。

式中：P為自然風(fēng)壓，Pa；dρ為礦井內(nèi)部與外部空氣平均密度差，kg/m3；g為重力加速度，取9.81 m/s2；h為巷道高程差，m。

3.3 自然風(fēng)壓結(jié)果分析

基于仿真模型進(jìn)行通風(fēng)模擬計(jì)算，研究得出副井、1 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井、2 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井、3 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井處的自然風(fēng)壓，具體數(shù)據(jù)見表3，自然風(fēng)壓變化曲線如圖3 所示。

表3 進(jìn)風(fēng)井自然風(fēng)壓數(shù)值Table 3 Natural air pressure values of inlet shaft 單位：Pa

圖3 自然風(fēng)壓變化曲線Fig.3 Change curves of natural wind pressure

由表2 可知，進(jìn)風(fēng)井處自然風(fēng)壓大部分時(shí)間段為正值，對(duì)礦井通風(fēng)起到積極作用。1 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井、2 主號(hào)進(jìn)風(fēng)井在夏季日間出現(xiàn)了負(fù)值的自然風(fēng)壓，這表明此時(shí)風(fēng)壓與通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)方向相反，不利于新鮮風(fēng)流的進(jìn)入，夏季（日）H1=-5.70 Pa，夏季（日）H2=-3.60 Pa。因此，針對(duì)1 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井、2 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井，在夏季日間運(yùn)行期間，需關(guān)注其主要通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，在保證礦井通風(fēng)量的同時(shí)，適當(dāng)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或扇葉角度，避免風(fēng)機(jī)低壓低效率運(yùn)行，并加強(qiáng)通風(fēng)機(jī)管理。

由圖3 可知，可發(fā)現(xiàn)4 條進(jìn)風(fēng)井的自然風(fēng)壓隨著四季氣候的變化，呈現(xiàn)出一種類似于正弦曲線的變化趨勢(shì)，即“夏季低、冬季高”。這種整體變化規(guī)律在各個(gè)進(jìn)風(fēng)井之間基本保持一致。其中，冬季自然風(fēng)壓值最高，利用價(jià)值較大。

眼前山地區(qū)冬季、秋季、春季地表氣溫時(shí)常較低，全天候自然風(fēng)壓與礦井的通風(fēng)方向保持一致，這使得自然風(fēng)壓對(duì)礦井的通風(fēng)起到了一定的助推作用。井下風(fēng)量有所增加，可利用這一特性調(diào)整主要通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、葉片安裝角度等，在滿足礦井通風(fēng)需要的同時(shí)又滿足礦井通風(fēng)風(fēng)壓的需要，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的。

3.4 自然風(fēng)壓對(duì)礦井風(fēng)量的影響

通過改變礦井四季氣候條件，進(jìn)行多次模擬并記錄1 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井、2 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井、3 號(hào)主進(jìn)風(fēng)井、副井處風(fēng)量值，進(jìn)一步反映四季氣候?qū)ΦV井通風(fēng)的影響規(guī)律，如圖4～圖7 所示。由圖4～圖7 可知，4條進(jìn)風(fēng)井的風(fēng)量變化趨勢(shì)基本趨于一致，1—8 月隨著氣候變化，溫度上升，風(fēng)量逐漸降低，直至夏季為全年最低值；9—12 月隨著氣候變化，溫度降低，進(jìn)風(fēng)量逐漸增大，直至冬季上升至全年最大值。對(duì)比圖中日間與夜間的曲線段，可明顯看出進(jìn)風(fēng)井全年的風(fēng)量值，夜間大于日間；由于眼前山地區(qū)晝夜溫差變化較大，夜間溫度降低有利于礦井通風(fēng)。

圖4 一號(hào)主進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量變化曲線Fig.4 Change curves of air volume in No.1 main inlet shaft

圖5 二號(hào)主進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量變化曲線Fig.5 Change curves of air volume in No.2 main inlet shaft

圖6 三號(hào)主進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量變化曲線Fig.6 Change curves of air volume in No.3 main inlet shaft

圖7 副井風(fēng)量變化曲線Fig.7 Change curves of air volume in auxiliary shaft

綜上所述，4 條進(jìn)風(fēng)井全年風(fēng)量變化曲線呈U型分布，秋季與春季進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量變化趨于平穩(wěn)，夏季進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量受自然風(fēng)壓影響明顯降低，夏季日間自然風(fēng)壓不利于礦井通風(fēng)；冬季進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量受自然風(fēng)壓影響明顯增高，冬季自然風(fēng)壓有利于礦井通風(fēng)。

4 自然風(fēng)壓的利用與節(jié)能

眼前山鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)在初期設(shè)計(jì)中對(duì)自然風(fēng)壓的利用較少，且風(fēng)機(jī)選型方面未將四季氣候變化的因素考慮其中。通過上述分析可知，眼前山礦區(qū)在冬季期間，其進(jìn)風(fēng)井處自然風(fēng)壓有利于通風(fēng)且利用價(jià)值大，運(yùn)用此規(guī)律，充分利用自然風(fēng)壓輔助通風(fēng)；由于秋季與春季自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)影響較小，因此，在夏季與冬季兩種工況下，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化研究。眼前山夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度為29.00 °C，室外大氣壓力為100.26 kPa，平均室外風(fēng)速為3.00 m/s；冬季通風(fēng)室外計(jì)算溫度為-21.00 °C，平均室外風(fēng)速為3.30 m/s，室外大氣壓力為102.39 kPa；前者設(shè)定為工況一，后者為工況二；在兩種工況下，以目前眼前山鐵礦風(fēng)機(jī)實(shí)際設(shè)置的運(yùn)行情況，通過三維仿真模擬主風(fēng)機(jī)通風(fēng)，模擬結(jié)果見表4。

表4 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)報(bào)告Table 4 System report of ventilation network

根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)報(bào)告結(jié)果可知，以風(fēng)機(jī)現(xiàn)功率設(shè)置進(jìn)行通風(fēng)模擬，冬季由于自然風(fēng)壓輔助作用，利于風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得總進(jìn)風(fēng)量達(dá)到了826.40 m3/s，進(jìn)風(fēng)總量提高35.40 m3/s 左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出礦井需風(fēng)量，且工況二條件下通風(fēng)系統(tǒng)整體輸入電功率比工況一條件下多出200.80 kW。由此可知，若全年保持相同的風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)置，將造成現(xiàn)場(chǎng)用電浪費(fèi)，因此，需對(duì)主基站風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，達(dá)到適合冬季通風(fēng)時(shí)的工況點(diǎn)。

通過對(duì)比在相同參數(shù)設(shè)置下風(fēng)機(jī)在夏季與冬季的工況點(diǎn)（圖8），可得出2-3 基站風(fēng)機(jī)夏季運(yùn)行時(shí)工況點(diǎn)：風(fēng)壓586.10 Pa，風(fēng)量94.50 m3/s；冬季運(yùn)行時(shí)工況點(diǎn)：風(fēng)壓718.70 Pa，風(fēng)量94.50 m3/s。2-4 基站風(fēng)機(jī)夏季運(yùn)行時(shí)工況點(diǎn)：風(fēng)壓552.20 Pa，風(fēng)量94.90 m3/s；冬季運(yùn)行時(shí)工況點(diǎn)：風(fēng)壓676.40 Pa，風(fēng)量95.20 m3/s。2-15 基站風(fēng)機(jī)夏季運(yùn)行時(shí)工況點(diǎn)：風(fēng)壓516.60 Pa，風(fēng)量143.80 m3/s；冬季運(yùn)行時(shí)工況點(diǎn)：風(fēng)壓629.10 Pa，風(fēng)量143.80 m3/s。2-16 基站風(fēng)機(jī)夏季運(yùn)行時(shí)工況點(diǎn)：風(fēng)壓572.50 Pa，風(fēng)量143.10 m3/s；冬季運(yùn)行時(shí)工況點(diǎn)：風(fēng)壓699.10 Pa，風(fēng)量143.10 m3/s。冬季工況點(diǎn)相較于夏季工況點(diǎn)向上偏移，風(fēng)壓顯著增大。

圖8 三維仿真模擬基站風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)Fig.8 3D simulation of fan operating points in base station

針對(duì)主機(jī)站2-3 基站、2-4 基站的K-8-19 型風(fēng)機(jī)和主機(jī)站2-15 基站、2-16 基站的K-8-23 型風(fēng)機(jī)進(jìn)行工況點(diǎn)調(diào)節(jié)，在冬季時(shí)期將主扇的葉片安裝角由35.00°調(diào)整至30.00°。以工況二為環(huán)境條件，再次設(shè)置模型中對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，重新開展礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流模擬，得到的對(duì)比結(jié)果見表5。

表5 風(fēng)機(jī)優(yōu)化前后通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)報(bào)告Table 5 Ventilation network system reports before and after fan optimization

由表5 可知，風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化后，總進(jìn)風(fēng)量與夏季平日需風(fēng)量基本持平，未出現(xiàn)進(jìn)風(fēng)量過剩的情況，同時(shí)保證了與優(yōu)化前相當(dāng)?shù)耐L(fēng)網(wǎng)絡(luò)效率，并減少了約173.00 kW 的輸入電功率，具有節(jié)能降本的效益潛力；目前，眼前山鐵礦所采用的風(fēng)機(jī)暫時(shí)不具備變頻調(diào)節(jié)功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行扇葉角度調(diào)整較為困難，但后續(xù)隨著智慧礦山逐漸發(fā)展成型，礦山風(fēng)機(jī)將更新迭代為可調(diào)節(jié)式變頻風(fēng)機(jī)，上述風(fēng)機(jī)優(yōu)化建議可為礦區(qū)自然風(fēng)壓的利用提供理論基礎(chǔ)，后續(xù)還需通過變頻風(fēng)機(jī)的引用來進(jìn)一步驗(yàn)證此優(yōu)化建議的可靠性。

5 結(jié)論

針對(duì)眼前山鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)，通過三維仿真模擬計(jì)算晝夜溫差較大的夏季、溫度相對(duì)穩(wěn)定的春秋季以及寒冷冬季期間的礦井自然風(fēng)壓，進(jìn)一步分析自然風(fēng)壓隨晝夜變化以及季節(jié)變化對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響，并以此規(guī)律指導(dǎo)基站風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)，得出主要結(jié)論如下所述。

1）自然風(fēng)壓有利有弊，在眼前山礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要通風(fēng)機(jī)選型過程中，應(yīng)關(guān)注自然風(fēng)壓的影響，盡可能選擇效率高及高效區(qū)寬的變頻通風(fēng)機(jī)，為后期運(yùn)行調(diào)節(jié)預(yù)留空間。

2）眼前山地區(qū)夏季日間的自然風(fēng)壓會(huì)阻礙礦井通風(fēng)機(jī)通風(fēng)工作，不利于礦井通風(fēng)。夏季日間地表氣溫增加時(shí)，需要加強(qiáng)通風(fēng)管理，防止自然風(fēng)壓的阻礙使礦井通風(fēng)風(fēng)壓、風(fēng)量降低。

3）冬季全天的自然風(fēng)壓與礦井通風(fēng)機(jī)通風(fēng)方向一致且自然風(fēng)壓較高，可利用價(jià)值大，礦井通風(fēng)風(fēng)壓會(huì)因自然風(fēng)壓而有所增加，通過對(duì)2-3 基站、2-4 基站、2-15 基站、2-16 基站處風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整，使風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)與冬季工況相匹配，降低了風(fēng)機(jī)輸入電功率，達(dá)到按需通風(fēng)，減少用電成本。