基于Ventsim 的復雜通風系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)預警技術

譚星宇 ,趙剛 ,史鍵波,劉強,朱必勇,許大鵬,徐博,張曉隆,段瓊

(1.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012;2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室,湖南 長沙 410012;3.金屬非金屬礦山重大災害事故分析鑒定實驗室,湖南 長沙 410012;4.湖南省礦山地質(zhì)災害防治與環(huán)境再造工程技術研究中心,湖南 長沙 410012;5.中國有色集團撫順紅透山礦業(yè)有限公司,遼寧 撫順市 113321;6.新疆大明礦業(yè)集團股份有限公司,新疆 哈密市 839100)

0 引言

我國是一個資源消耗大國,隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展,對礦產(chǎn)資源的需求與日俱增,很多具備條件的礦山擴產(chǎn)擴能進入深部開采,受開采條件、采礦技術和管理等因素的制約,形成了復雜的礦井通風網(wǎng)絡,給礦山帶來了很多通風難題[1]。目前主要通過兩種技術手段獲取通風系統(tǒng)存在的系統(tǒng)性問題,一種是進行全面的通風系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)查和測定,分析總結通風系統(tǒng)存在的主要問題[1-4];另一種是通過通風監(jiān)測報警和數(shù)據(jù)分析確定通風系統(tǒng)存在的主要問題[5-8]。以上兩種方法都存在一定的局限性,第一種方法現(xiàn)場調(diào)查和測定的工作量大,花費時間長,特別是復雜的通風系統(tǒng);第二種方法通風監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性較差,導致不能及時、準確地發(fā)現(xiàn)通風系統(tǒng)存在的問題。

針對復雜通風系統(tǒng),本文提出一種基于Ventsim 的復雜通風系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)預警技術,該技術以紅透山銅鋅礦為工程背景,運用Ventsim 軟件對礦山通風系統(tǒng)現(xiàn)狀進行三維建模,實現(xiàn)通風系統(tǒng)三維可視化展現(xiàn),并運用Ventsim 對通風系統(tǒng)進行仿真模擬,分析預警通風系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié),為通風系統(tǒng)的優(yōu)化和管理提供參考和依據(jù)。

1 Ventsim 解算原理

Ventsim 三維通風仿真軟件是一種集礦井通風系統(tǒng)三維仿真、井下環(huán)境模擬分析于一體的綜合模擬軟件。可以實現(xiàn)風網(wǎng)解算、風流模擬、熱模擬、污染物模擬和經(jīng)濟性模擬等功能[9]。通過建立礦山井下通風系統(tǒng)三維模型及進行仿真模擬,可直觀準確地得到通風系統(tǒng)中風路的風流方向、風流溫度、風量和風速、空氣中有毒有害物質(zhì)濃度、全礦風壓分布、主輔扇運行情況等,在此基礎上深入系統(tǒng)分析通風系統(tǒng)存在的主要問題,可實現(xiàn)通風系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)預警。

Ventsim 進行通風網(wǎng)絡解算的基本依據(jù)是Hardy-Cross算法[10]。在一個特定的通風網(wǎng)絡中,分支數(shù)為m,節(jié)點數(shù)為n,可選定N=n－m＋1余樹枝和獨立回路。根據(jù)風壓平衡定律,余樹枝風量設為變量,樹枝風量用余樹枝風量來表示,建立起一個方程組,方程組包含N個方程和N個變量;在Hardy—Cross算法中,擬定各分支初始風量,將方程組按泰勒級數(shù)展開,舍去二階以上的高階量,簡化后得出如下數(shù)學表達式:

式中,ΔQi為回路風量修正值;為獨立回路中各分支風壓的代數(shù)和;為獨立回路中各分支風量與風阻乘積的絕對值之和;Ht為獨立回路中的通風機風壓;Hz為獨立回路中的自然風壓。

對各回路中的分支風量進行修正,得出風量近似真實值,如式(2):

式中,Qij為修正前分支風量;為修正后分支風量。

按式(1)和式(2)進行迭代計算,直到誤差達到設置的可以接受誤差范圍內(nèi),所求的近似風量值即可認為是該網(wǎng)絡的真實風量值。并且Ventsim 系統(tǒng)高級版采用的是改進過的算法,將空氣密度的變化和質(zhì)流平衡等也考慮了進來。

2 開拓通風系統(tǒng)

2.1 開拓系統(tǒng)

紅透山銅鋅礦生產(chǎn)能力為55.0萬t/a,采用平硐＋豎井聯(lián)合開拓,東側開拓形成了一段大豎井、一段小豎井、二段大豎井、二段小豎井、東風井和西風井等。由于深部礦體嚴重向東側伏,在東部開拓形成了2#盲罐籠井、盲箕斗井和新風井,礦山開采逐步向深部、東部轉(zhuǎn)移。礦山開拓及通風系統(tǒng)如圖1所示。礦山現(xiàn)已形成＋253 m、＋193 m、…、－827 m 共19個中段,淺部中段已回采結束,主要生產(chǎn)中段為－467 m、－527 m、…、－827 m 共7個中段,主要生產(chǎn)中段均基本形成了平行雙巷(下盤運輸巷和上盤回風巷);深部有－877 m、－927 m、…、－1177 m 共7個中段處于開拓階段。礦山開采深度達到1080 m(＋253 m～－827 m),開拓深度達到1460 m(＋450 m～－1207 m),為典型深井開采礦山,主要生產(chǎn)中段走向長度達2600 m。

圖1 礦山開拓通風系統(tǒng)

2.2 通風系統(tǒng)

經(jīng)過近60年開采,井下形成了龐大而復雜的通風系統(tǒng)。目前,新鮮風由一段大豎井＋一段小豎井、二段大豎井＋二段小豎井進入井下各生產(chǎn)中段。新鮮風到達生產(chǎn)中段后,經(jīng)中段石門、(下盤)運輸巷和穿脈等進入采掘作業(yè)面;新鮮風清洗工作面后,污風進入(上盤)回風巷,經(jīng)東回風井、西回風井和新風井排出地表。礦山共安裝主扇3臺,預熱風機3臺,輔扇1臺,風機參數(shù)見表1。

表1 風機參數(shù)

3 三維建模及薄弱環(huán)節(jié)預警

3.1 三維建模及仿真模擬

3.1.1 Ventsim 軟件建模及仿真模擬步驟

圖2 所示為Ventsim 軟件建模及仿真模擬主要步驟。

圖2 Ventsim 軟件建模及仿真模擬步驟

各步驟的主要工作內(nèi)容如下。

(1)CAD 井巷信息:為包含全部井巷信息的中段實測平面圖。

(2)CAD 三維井巷模型:在各中段實測平面圖中描繪出井巷的中心線,中線賦高程后導入同一個CAD 文檔中,形成CAD 三維單線模型。

(3)Ventsim 井巷三維模型:CAD 三維單線模型導入到Ventsim 軟件中,將單線轉(zhuǎn)換為實體井巷;設置井巷斷面、摩擦系數(shù)、局部阻力等參數(shù),簡化三維模型。

(4)安裝風機:將風機尺寸參數(shù)和特性曲線參數(shù)輸入Ventsim 風機數(shù)據(jù)庫中,在風機數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建風機,編輯井巷模型,將風機安裝至對應的位置。

(5)設置風流控制設施:通過編輯井巷,設置密閉、風門、調(diào)節(jié)風門和調(diào)節(jié)風窗等風流控制設施。

(6)設置工程環(huán)境參數(shù):設置工程環(huán)境相關參數(shù),包括地表大氣壓、地表干球溫度、地表濕球溫度等參數(shù);根據(jù)模擬要求,選取“考慮自然風壓”“考慮風流可壓縮”。

(7)動態(tài)仿真模擬:設置模擬時風量可接受的誤差,通過迭代解算,完成通風系統(tǒng)動態(tài)仿真模擬。

3.1.2 三維仿真模型

按照Ventsim 軟件建模步驟建立紅透山銅鋅礦通風系統(tǒng)三維模型,模型井巷數(shù)量為10 217條,井巷總長度15.67萬m,共安裝主、輔扇7臺。圖3為紅透山銅鋅礦通風系統(tǒng)三維仿真模型。

圖3 紅透山銅鋅礦通風系統(tǒng)三維仿真模型

3.1.3 仿真模擬及與實測對比

選取礦山冬季通風系統(tǒng)工況進行模擬,開啟的風機包括:西風井主扇(開啟一級電機)、東風井主扇、－587 m 主扇(開啟一級電機)、＋253 m 預熱風機、＋193 m 預熱風機、＋133 m 預熱風機、－1177 m 輔扇;設置風量可接受的誤差為0.001 m3/s;通過迭代解算,完成通風系統(tǒng)現(xiàn)狀模擬。

實測礦山主要生產(chǎn)中段和運行主扇的風量,與模擬風量進行對比,結果見表2,其相對誤差為0.73%～6.66%,平均相對誤差為3.51%。考慮通風系統(tǒng)的復雜程度和人工測量時不可避免的誤差,認為模擬與實測的相對誤差在合理范圍內(nèi),仿真模擬結果是科學可靠的。

表2 模擬與實測結果對比

3.2 通風系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)預警

根據(jù)三維仿真模擬結果,深層次分析總結紅透山通風系統(tǒng)存在的主要問題,預警通風系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

(1)西風井主扇運行效率低,西風井的系統(tǒng)回風功能嚴重弱化。西風井主扇出現(xiàn)了“風機失速”的警告,風機運行在過高風壓(1345 Pa)和過低風量(25.58 m3/s)狀態(tài),靜壓效率低(50.0%)。全礦總回風量為207.86 m3/s,西風井回風量僅為25.58 m3/s,僅占全礦總回風量的12.3%;其中－407 m 以下主要生產(chǎn)中段的有效回風量僅為3.84 m3/s,占西風井回風量的15%。西風井位于礦區(qū)西側,－467 m 中段以下礦體嚴重向東側伏,隨著生產(chǎn)的進行,主要生產(chǎn)中段的開采區(qū)域逐步東移,礦山絕大部分回采采場位于31#勘探線以東,與西回風井的水平直線距離達到1200 m;隨著開采的進一步進行,主要生產(chǎn)中段的開采區(qū)域?qū)⑦M一步東移;西風井已遠離主要開采區(qū)域,隨著西風井回風功能嚴重弱化,很快將不再擔負回風功能。

(2)東風井主扇運行效率低,東風井通風阻力大。東風井主扇靜壓效率低(53.7%),風壓高(4032 Pa),回風量為55.07 m3/s。選取經(jīng)過東風井主扇的主要風流路線(即:一段大豎井→二段大豎井→－707 m 中段運輸巷→采場→－647 m 中段回風巷→東風井)進行分析。圖4為主要風流路線沿程阻力,圖5為進、用、回風段阻力損失柱狀圖。由圖4可知,主要風流路線總長為4840 m,回風段長為2170 m,占總長度的44.8%;主要風流路線總阻力損失為4004 Pa,其中回風段阻力損失為3028 Pa,占總阻力損失的75.6%。回風段主要為東風井,東風井為倒段風井,路線長,通風阻力大。

圖4 主要風流路線沿程阻力

圖5 進風段、用風段、回風段阻力損失

(3)部分井巷未及時設置通風構筑物或設置不合理。經(jīng)統(tǒng)計,共有17 處巷道因未設置密閉或風門,使新鮮風在未送至井下作業(yè)場所的情況下直接進入回風井巷,造成漏風,導致全礦的有效風量率降低。表3統(tǒng)計了8處漏風量大于8.0 m3/s的漏風井巷,共計漏風量為146.0 m3/s,加上這一部分漏風量,全礦有效風量率僅為29.6%。經(jīng)統(tǒng)計共有11處巷道因未設置密閉或風門,使中段回風巷內(nèi)的污風重新進入主要進風井巷內(nèi),造成污風串聯(lián)。表3統(tǒng)計了4處污風(風量大于2.0 m3/s)重新進入主要進風井巷,共計有19 m3/s污風重新進入主要進風井巷。

表3 漏風及污風串聯(lián)統(tǒng)計

－527 m、－647 m、－707 m、－767 m 中段回風巷內(nèi)(39～45線)內(nèi)設置了風門,風門以東中段回風巷內(nèi)的污風需通過東風井排出地表,風流路線折返嚴重(1100 m),不能充分利用新風井回風。

(4)主要生產(chǎn)中段東側倒段回風天井不完善,回風量小。主要生產(chǎn)中段東側37#至39#勘探線附近形成了一條倒段回風井,由－587 m 至－827 m,天井斷面為2.0 m×2.0 m,回風天井位于上盤脈外,部分中段僅有1 條回風天井,回風量為7.96 m3/s,該區(qū)域目前分布了大量回采作業(yè)面,回風量不足。－467 m 至－587 m 未形成回風天井,不便于－527 m、－587 m 中段利用新風井回風。圖6為主要生產(chǎn)中段東側倒段回風井布置。

圖6 主要生產(chǎn)中段東側倒段回風井布置

(5)－827 m 以下進風不足,－1177m 輔扇“風機低壓”。礦山－827 m 以下處于基建階段,由2#盲罐籠井進風,盲箕斗井回風,－827 m 以下進風量為16.55 m3/s,進風量不足。

－1177 m 輔扇出現(xiàn)了“風機低壓”警告,風機運行在過底風壓(211 Pa)和過高風量(41.94 m3/s)狀態(tài)。該輔扇安裝位置為2#盲罐籠井和盲箕斗井在－1177 m 中段的聯(lián)絡巷內(nèi),除此之外2#盲罐籠井和盲箕斗井在－1177 m 還有一條聯(lián)絡巷,在－1154 m 也形成了一條聯(lián)絡巷,這兩條聯(lián)絡巷內(nèi)未安裝風門,造成風流短路循環(huán)。

4 通風系統(tǒng)改造

4.1 通風系統(tǒng)改造方案

針對本文所預警的通風系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié),在現(xiàn)有通風系統(tǒng)基礎上,提出如下改造方案。

4.1.1 西風井改為進風井

將西風井改為進風井,負擔一部分進風,以降低全礦進風網(wǎng)絡的風阻。具體如下:將－467 m、－527 m 和－587 m 中段運輸巷與西進風井之間的密閉打開,從西進風井進入的新鮮風由－467 m、－527 m 和－587 m 中段進入現(xiàn)有的進風井網(wǎng)絡,再進入各生產(chǎn)中段;不再利用西風井主扇回風,如此可降低全礦通風能耗。

4.1.2 東風井降阻改造

－467 m 中段以上已回采結束,應盡可能梳理利用－467 m 以上的廢棄井巷,并與現(xiàn)有東風井并聯(lián)回風,以降低東風井風阻,增加東風井的總回風量,提高東風井主扇效率。－167 m 至－467 m 中段(17#至19#堪探線附近)有一條原用于可控循環(huán)風的風路,新風井形成后,由于已經(jīng)解決了礦山總風量不足的問題,可控循環(huán)風不再使用,故將循環(huán)風路改為回風風路,在－167 m 至－467 m 段與東回風井并聯(lián)。循環(huán)風路改為回風風路如圖7所示。

圖7 循環(huán)風路改為回風風路

4.1.3 完善通風構筑物設置

為防止漏風和污風串聯(lián)設置風門或密閉(共27座),2#盲罐籠井與盲箕斗井在－1177 m 和－1154 m 的聯(lián)絡巷內(nèi)設置風門,以防止－1177 m 輔扇風流短路循環(huán);拆除－527 m、－647 m、－707 m、－767 m 中段回風巷內(nèi)(39～45勘探線)的風門,使主要生產(chǎn)中段能充分利用新風井回風。

4.1.4 完善主要生產(chǎn)中段東側倒段回風天井

－587 m 至－647 m 新掘進一條回風天井(2.0 m×2.0 m),與現(xiàn)有回風天井并行。在39～41勘探線之間掘進兩條－527 m 至－587 m 的回風井,與已有的－467 m 至－527 m 的回風井形成－467 m至－587 m 的回風天井,－467 m 和－527 m 中段區(qū)域回風。設計回風天井位置如圖6所示。

4.2 通風系統(tǒng)改造后仿真模擬

在已建立的三維仿真模型基礎上,依據(jù)通風系統(tǒng)改造方案內(nèi)容進行二次建模和仿真模擬。表4為改造前后通風系統(tǒng)三維仿真模擬主要指標對比。

表4 改造前后通風系統(tǒng)三維仿真模擬指標對比

(1)通風網(wǎng)絡指標。改造后總進風量和總回風量略小于改造前,礦井風阻明顯小于改造前,這是由于對大量漏風巷道進行了密閉,雖然風量略有減少,但大大提高了全礦的有效風量;全礦通風阻力降低了439 Pa。

(2)風機指標。改造后不再有風機運行報警,累計總風壓減少了15.5%,平均效率提高了8.5%。改造后西風井主扇不再使用,由于減少了一臺風機,累計總風壓減小;東風井進行了降阻改造,東風井主扇需提供的風壓減少了430 Pa,運行效率由53.7%提高至73.2%。

(3)經(jīng)濟指標。改造后降低了輸入功率和年通風費用,年通風費用降低了5.6%。

綜上所述,經(jīng)改造后,紅透山銅鋅礦通風系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)將得到有效改善。

5 結論

提出了一種基于Ventsim 的復雜通風系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)預警技術,運用Ventsim 軟件建立礦山通風系統(tǒng)三維仿真模型,進行仿真模擬,通過深層次的分析模擬,可系統(tǒng)地預警復雜通風系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),為管理和完善礦山通風系統(tǒng)提供了技術依據(jù)。

以紅透山銅鋅礦為工程背景,建立了通風系統(tǒng)仿真模型,對比仿真模擬結果與實測結果,驗證了仿真模擬結果的可靠性。預警了以下通風系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié):

(1)西風井主扇運行效率低,西風井的系統(tǒng)回風功能嚴重弱化;

(2)東風井主扇運行效率低,東風井通風阻力大;

(3)部分井巷未及時設置通風構筑物或設置不合理;

(4)主要生產(chǎn)中段東側倒段回風天井不完善,回風量小;

(5)－827 m 以下進風不足,－1177 m 輔扇“風機低壓”。

針對通風系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié),提出了改造方案,可有效地改善通風系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。