基于Ventsim的礦井通風風阻參數(shù)優(yōu)化

李孜軍 陳艷麗

(中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

·安全與環(huán)保·

基于Ventsim的礦井通風風阻參數(shù)優(yōu)化

李孜軍 陳艷麗

(中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

研究礦井通風風阻變化規(guī)律對通風系統(tǒng)網(wǎng)絡解算及優(yōu)化調節(jié)的影響有著重要的意義。根據(jù)礦井通風系統(tǒng)中風量、風壓和風阻之間的平衡關系，運用單因素分析法，實現(xiàn)快捷高效優(yōu)化通風系統(tǒng)穩(wěn)定性。該方法是通過改變某一分支巷道的風阻值，分析其他特征分支風量和風壓對此變化做出的反應狀況規(guī)律。以某金屬礦山為例，將通風系統(tǒng)模型導入Ventsim三維仿真系統(tǒng)，選擇一個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阻值，通過仿真模擬解算出需要的數(shù)據(jù)。最后對解算結果進行分析比較，確定該分支巷道和相關分支風量及風機工況點之間的相互關系，來判斷其對通風穩(wěn)定性影響的大小。這不僅為礦井前期通風系統(tǒng)設計提供了理論依據(jù)，也為后期礦井通風系統(tǒng)運行及改造提供了數(shù)據(jù)支持，最終為實現(xiàn)礦井安全生產打下堅實基礎。

三維通風仿真 Ventsim系統(tǒng) 風流模擬 風網(wǎng)解算

隨著人類對礦產資源需求的增加和淺表層礦產資源的不斷消耗，人們不得不對深部礦產資源進行大規(guī)模開采[1-2]。礦山深部開采將會面臨諸多問題：井下有毒有害氣體、粉塵、惡劣的高溫等因素會直接損害工人的身心健康，影響工作效率；礦山現(xiàn)代機械化程度低，礦井通風系統(tǒng)網(wǎng)絡復雜，人工管理相對困難，甚至罕有礦山企業(yè)保有一套完備的礦井通風網(wǎng)絡資料。數(shù)字化礦井通風管理作為現(xiàn)代計算機虛擬現(xiàn)實技術成為解決這個問題的有效方法之一[3-4]。

目前國內外已經開發(fā)出大量的礦井通風系統(tǒng)仿真與可視化軟件，例如遼寧工程技術大學開發(fā)的礦井仿真系統(tǒng)軟件MVSS[5]；由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾提出的虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality，簡稱VR)可用于仿真、人機交互式、三維動態(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系統(tǒng)穩(wěn)定性，很難發(fā)現(xiàn)單個因素對礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[9]，并且傳統(tǒng)的二維技術由于數(shù)據(jù)顯示不全面、不能實現(xiàn)動態(tài)模擬等原因，不能滿足大型復雜礦井的要求。而金碼軟件(北京)有限公司開發(fā)的Ventsim三維仿真軟件是綜合性軟件，不但可以進行風網(wǎng)解算，也可以進行狀態(tài)模擬和經濟分析。比如風流模擬、污染度模擬、熱模擬、通風經濟性分析等[10]。

1 Ventsim仿真軟件[11-12]

1.1 主要功能

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

(2)可以瀏覽三維礦井圖中巷道內通風設施布置情況，進行整體系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實瀏覽。

(3)對新建或正在生產中的礦井進行通風網(wǎng)絡系統(tǒng)設計、網(wǎng)絡解算和動態(tài)風流模擬；模擬風門、風窗、密閉等通風構筑物的設置和風量調節(jié)結果；進行風機選型，風機運行工況點分析等。

(4)模擬井下柴油機、爆破、火災等的有害氣體、粉塵擴散路徑和濃度，并輔助進行災害處理和預案制定工作。

(5)對井巷中的冷源、熱源等進行三維建模，實現(xiàn)定量分析礦井的加熱或降溫效果。

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

(7)主要巷道經濟斷面的選型、通風系統(tǒng)的通風經濟性和通風能力分析，進行通風系統(tǒng)全局性優(yōu)化處理。

1.2 系統(tǒng)理論

礦井通風系統(tǒng)在Ventsim三維通風仿真情況下，可以實現(xiàn)參數(shù)的實時模擬。由于礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定性受多種參數(shù)變化的影響，系統(tǒng)網(wǎng)絡更趨于復雜化，人工很難計算出來。因此，要在礦井通風系統(tǒng)時刻變動的狀態(tài)下進行控制，要必須快速地實現(xiàn)風網(wǎng)解算，才能得出準確的結果。軟件采用Hardy-Cross迭代法求解通風網(wǎng)絡，在本質上是依據(jù)風量平衡定律、風壓平衡定律、風阻定律和通風系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)的基礎上建立的系統(tǒng)模型。根據(jù)通風網(wǎng)絡中各個分支巷道的初始風量，近似求出各個風路的風量增值ΔQk(修正值)，對風路中各分支巷道的風量分別進行修正，再迭代計算，直到修正值ΔQk滿足給定精度[13-14]。如圖1所示，通過迭代次數(shù)的網(wǎng)絡調整，尋找可接受的解決方法。

對有風機和自然風壓作用的網(wǎng)孔，其風量修正值可以用下式表示：

圖1 Hardy-cross方法中的風量壓降關系Fig.1 The diagram of ventilation pressure drop in Hardy-cross methodh—通風阻力；R—井巷風阻；Q—真實風量；Qa—近似風量；ΔQ—初擬風量與真實值的誤差； Δh—初擬通風阻力與真實值的誤差。

(1)

式中，ΔQk為回路風量增量值；k=1,2,…,M(M為獨立網(wǎng)孔數(shù))；Ri為井巷風阻真實值；i=1,…,b(b為分支巷道數(shù))；Hfk為風機風壓；Nvpk為自然風壓；ak為風機特征曲線斜率，dHf/dQ;Hf為風機壓降；Qai為近似風量。

2 礦井概況

根據(jù)礦山設計，某金屬礦礦井整體標高-300～347 m，全礦共設置風機13臺，其中采場排風扇3臺，地表風扇7臺，局部風扇3臺，風機風壓類型采用全壓法。該礦采用主副井集中開拓，共有3個采礦工作面，其中P400采礦場為正在籌建中的礦場，P415采礦場為正在開采的礦井，P430采礦場是已經采礦完畢封閉廢棄的礦井。正在開采的礦場劃分為4個開采中段，各個中段開采高度為20 m。

本研究以該金屬礦通風系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析特征分支風阻變化對整個通風系統(tǒng)的影響。根據(jù)該金屬礦礦井通風系統(tǒng)設計狀況，進回風井筒位置分布及工作面分布情況等因素，通風方法采用抽出式，即在主井設置主通風機并進行進風，T48RAR和U43回風井回風。在礦井通風系統(tǒng)中，風流通路為新風從主井進入，經M41FAR主通風井和M40斜坡道進入工作面，采場排出的污風進入上中段回風平巷后通過采場排風扇抽出進入回風井T48RAR系統(tǒng)排出地表；溜礦系統(tǒng)、采場開拓系統(tǒng)和車間區(qū)域排出的污風經回風井U43豎井排出地表。礦井通風三維仿真視圖如圖2所示。

3 風阻變化對通風系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

首先改變通風系統(tǒng)某一參數(shù)的值，使其按照一定的規(guī)律進行改變，并保證通風系統(tǒng)其他參數(shù)不變。借助Ventsim三維礦井通風系統(tǒng)軟件，得出特定系統(tǒng)狀態(tài)下的解算結果，對結果進行圖表分析。由于需要分析的通風系統(tǒng)比較復雜，因此需要選定特定分支(見表1)進行分析，如：進風井、回風井、中段運輸大巷和工作面。其他文中未涉及的分支可采用類似的方法進行分析。

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

3.1 單分支風阻變化對通風系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

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

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

表2 主進風井分支風阻變化數(shù)值模擬結果Table 2 The numerical simulation results of wind resistance changes of the main ventilation well branches

3.2 多分支風阻變化對風機等效風壓的影響

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，包括有主進風井、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回風井。第1、2組分支風阻變化對礦井通風系統(tǒng)中風機1、2和3的風機風壓效率影響結果如圖3所示。

3.3 模擬結果分析

(1)主進風井風阻變化對各個特征分支風量的影響各不相同。分支1、12和398的風量是隨主進風井風阻增大而變大的；分支14、134、133、399和400的風量是隨主進風井風阻增大而變小的；而分支319是隨主進風井風阻增大基本保持不變的。其中，進、回風口的風量變化最大，對礦井整體通風效果有明顯的影響。因主要通風機設置在進、回風井中，所以礦井通風系統(tǒng)中各個風機之間并不是獨立工作的。風機之間相互聯(lián)系形成復雜的非線性系統(tǒng)對礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定性產生重大的影響。

圖3 分支風阻變化對風機風壓效率的影響Fig.3 The changing of branch wind resistance impact on the efficiency of the fan air pressure◆—一組風機1；■—一組風機2；▲—一組風機3； ×—二組風機4；△—二組風機5；●—二組風機6

(2)當主進風井風阻增大時，2個回風井中的風機風壓減小，主進風井中的風機風壓增大，深部通風機的風壓不變。而在風阻極致狀態(tài)“1 000”時，風機出現(xiàn)失速的情況。說明，隨著礦井通風系統(tǒng)的阻力增大，需要提高風機的動力來彌補這部分增加的阻力，促使風機工況點向左偏離進入不穩(wěn)定區(qū)域。使得整個礦井的通風效率降低，各用風地點的風量值未達到正常運行標準。礦井通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性對這類分支風阻變化的敏感度很大，可以用來預防礦井通風系統(tǒng)不穩(wěn)定性的發(fā)生。通過分析發(fā)現(xiàn)，所有進風分支風阻發(fā)生變化都會對風機風壓的效率產生不同程度的影響。而在礦井深處用來補給風量的風機只影響與它有關聯(lián)的分支，因而影響區(qū)域是局部性的。

(3)當?shù)V井通風系統(tǒng)所有進風或回風分支風阻增大時，風機風壓效率在進風井中上升，而在回風井中下降。但對于風機在不同風井中，風機效率的變化率和風壓的變化量卻有較大區(qū)別。利用礦井通風系統(tǒng)的這一特點，可以優(yōu)化礦井通風系統(tǒng)，通過調節(jié)各個分支的參數(shù)，幫助穩(wěn)定礦井通風系統(tǒng)。

4 結 論

(1)特征分支的風量和風壓在某一分支風阻變化下的影響。為了保證礦井整體通風量的穩(wěn)定，如果主進風井分支風阻的值變大了，那么其他進風分支1、12和398的風量也是變大的；而回風分支14、399、中段分支134、通向工作面分支133和主進風井400本身的風量是變小的；分支319處于局部通風區(qū)域不受主通風機的影響，因而風量基本保持不變。當主進風井風阻增大時，2個回風井中的風機風壓減小，主進風井中的風機風壓增大，而深部通風機的風壓不變，在風阻達到極致“1 000”時，風機會處于失速狀態(tài)，對礦井通風安全影響極大。

(2)多分支風阻變化對主要風機風壓效率的影響。當?shù)?組進風井分支風阻變化為原來的2倍時，礦井通風系統(tǒng)中風機風壓的平均效率達到70.6%；第2組回風井分支風阻變化為原來的一半時，礦井通風系統(tǒng)中風機風壓的平均效率達到72.8%。因此，適當增大進風井分支風阻或減小回風井分支風阻可以提高風機風壓總體效率，但是回風井分支風阻為零時反而不利率風機風壓效率的提高。

(3)采用Ventsim三維仿真通風軟件對礦井通風系統(tǒng)參數(shù)進行網(wǎng)絡解算和風流動態(tài)模擬。通過參數(shù)調節(jié)實現(xiàn)通風網(wǎng)絡的優(yōu)化處理，為通風管理人員和技術人員提供了一套科學管理的工具和必要的數(shù)據(jù)依據(jù)。與其他方法相比，具有獲取的結果更具有科學性、準確性和可靠性，從而使該軟件具有了較高的實用價值。

[1] 胡漢華.深熱礦井環(huán)境控制[M].長沙：中南大學出版社，2008. Hu Hanhua.Hot Deep Mine Environment Control[M].Changsha:Central South University Press,2008.

[2] 黃 磊，刁 勇，李明建,等.煤礦防突信息管理系統(tǒng)設[J].西南大學學報:自然科學版，2013,35(2):148-154. Huang Lei，Diao Yong，Li Mingjian.Design of an information management system for coal outburst prevention[J].Journal of Southwest University:Natural Science Edition，2013,35(2):148-154.

[3] 王英敏.礦井通風與防塵[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1993. Wang Yingmin.Mine Ventilation and Dust Control[M].Beijing:Metallurgical Industry Press，1993.

[4] Wu Chao.Mine Ventilation Network and Pollution Simulation[M].Lulea University of Technology，1987.

[5] 趙千里，劉 劍.用礦井通風仿真系統(tǒng)(MVSS)確定通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案[J].中國安全科學學報,2002,12(2):14-18. Zhao Qianli，Liu Jian.Optimizing the reform protocol for ventilation system by mine ventilation simulation system[J].China Safety Science Journal，2002,12(2):14-18.

[6] 張瑞新，任廷祥，Schofield D，et al.虛擬現(xiàn)實技術在礦山安全工程中的研究進展[J].煤炭學報，1999，24(1):70-73. Zhang Ruixin，Ren Tingxiang，Schofield D，et al.The development of virtual reality in mine safety[J].Journal of China Coal Society，1999，24(1):70-73.

[7] 劉曉明，羅周全，孫麗娟,等.三維GIS空間數(shù)據(jù)集成和可視化技術研究[J].科技導報，2008,26(10):65-68. Liu Xiaoming，Luo Zhouquan，Sun Lijuan，et al.Integration of 3D GIS spatial data and its visualization[J].Science & Technology Review，2008，26(10):65-68.

[8] 劉 杰，楊 鵬，謝賢平.基于Visual Stusio的礦井通風井巷斷面優(yōu)化研究[J].安全與環(huán)境學報，2012,12(6):208-212. Liu Jie，Yang Peng，Xie Xianping.On the cross-section optimization of the mine ventilation roadway network based on Visual Studio[J].Journal of Safety and Environment，2012,12(6):208-212.

[9] 汪崇鮮，李緒國，譚 波.礦井通風系統(tǒng)風量穩(wěn)定性的影響因素[J].煤炭學報，2008,33(8):931-935. Wang Chongxian，Li Xuguo，Tan bo.Influencing factors of air quantity stability of ventilation system in coal mine[J].Journal of China Coal Society，2008，33(8):931-935.

[10] 陸 旋.應用統(tǒng)計[M].北京：清華大學出版社，1999：234-247. Lu Xuan.Applied Statistics[M].Beijing：Tsinghua University Press，1999：234-247.

[11] 馮 偉，朱方平，劉全義.三維仿真軟件Ventsim在礦井熱害控制中的應用[J].西安科技大學學報,2011,31(6):776-779. Feng Wei，Zhu Fangping，Liu Quanyi.Application of 3D simulation software in mine thermal damage control[J].Journal of Xi'an University of Science and Technology，2011,31(6):776-779.

[12] 柳明明.Ventsim三維通風仿真系統(tǒng)在金屬礦山的應用[J].金屬礦山，2010(10):120-122. Liu Mingming.Application of 3D simulation software in metal mine[J].Metal Mine,2010(10):120-122.

[13] 吳 超.礦井通風與空氣調節(jié)[M].長沙：中南大學出版社，2008. Wu Chao.Mine Ventilation and Air Conditioning[M].Changsha：Central South University Press，2008.

[14] 王從陸，吳 超.礦井通風及其系統(tǒng)可靠性[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007. Wang Conglu，Wu Chao.The Reliability of Mine Ventilation System[M].Beingjing：Chemical Industry Press，2007.

(責任編輯 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，博士研究生導師。

X936

A

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