基于VENTSIM系统的煤矿三维通风仿真技术.pdf

基于 Ventsim 系统的煤矿三维通风仿真技术 毕文广1， 朱方平2， 柳明明3 1． 北京天地华泰采矿工程技术有限公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000; 2． 中国矿业大学 北京 ， 北京 100083; 3． 北京科技大学 土木配环境工程学院， 北京 100083 摘要 针对国内矿井三维通风仿真系统应用的需求， 引进开发了 Ventsim 三维通风仿真系统。 其具有三维立体显示矿井通风系统， 结合风流模拟、 热模拟、 污染物模拟以及经济性模拟等功能， 可以及时发现矿井运行中存在的各种问题并提出建议措施。实践应用表明 Ventsim 三维通风仿 真系统可以很好地实现矿井可视化模拟， 提高矿井管理水平， 使矿井安全、 高效、 经济的运行。 关键词 三维通风仿真; 风流模拟; 热模拟; 污染物模拟; 经济性模拟 中图分类号 TD724文献标志码 B 文章编号 1003 －496X 2011 02 －0030 －04 井下通风系统的合理性和可靠性、 井下工作环 境优劣性对矿山安全生产至关重要。因此， 迫切需 要能够对井下通风系统以及环境进行仿真模拟分析 的技术， 以满足日益复杂的矿山管理。 目前， 国内外研究人员已经开发了一些矿井通 风模拟及可视化管理的系统。国外如英国的 VUMA 软件 〔1〕， 还有 Ventilation Design、 VENTGRAPH、 VEN- DIS 等一批已经商业化的软件 〔2〕; 国内主要是北京 四维远见信息技术有限公司开发的煤矿井下通风可 视化管理系统 3D － CMVRS 〔3〕; 辽宁工程技术大学 研究的矿井仿真系统软件 MVSS 〔4〕; 大连理工大 学开发的矿井通风网络多功能模拟可视化系统 〔5〕。 这些仿真模拟系统已经在国内外矿山中进行应用并 取得一定的效果， 但是还存在不足。比如， 数据显示 功能不足， 只有简单的平面图形系统或者没有相应 的图形系统， 无法满足大型复杂矿井要求; 不能将风 流模拟与风机选型结合在一个模型中; 缺乏对井下 空气可压缩性、 高温矿井热环境和空气污染物浓度 的定量分析; 不能实现风流动态模拟等。 为了弥补上述功能缺陷， 从而引进开发出了 Ventsim 三维通风仿真系统。Ventsim 系统集通风系 统三维仿真、 井下环境模拟分析于一体， 可以同时对 通风系统进行三维显示、 风网解算、 风机选型、 热模 拟、 污染物模拟及经济性分析的综合模拟软件， 实现 真正的矿井信息化管理。 1程序设计理念与主要功能 1． 1程序设计理念 系统主要功能实现依靠于计算机可视化手段， 将模拟计算中所涉及的和所产生的数据信息转变为 直观的、 以图像或图形信息表现的、 随时间和空间变 化的三维立体通风网络图， 使得模拟和计算过程可 见。从而使系统简单易学， 操作方便。通过该系统 既可服务于矿井通风系统优化、 网络解算、 矿井制冷 降温、 经济性评价， 又可用于日常通风安全管理、 风 量调配、 井下工作环境改进等。 1． 2系统主要功能 1 通过整个矿井通风系统真三维建模， 实现 三维通风仿真， 并可进行巷道漫游。 2 新建矿井通风网络系统设计、 网络解算和 风流动态模拟; 大型生产矿井中、 后期通风网络系统 的变化模拟， 优化通风设计;在优化设计的基础上 进行风机性能分析， 提高效率， 节约电力成本。 3 矿井自然风压影响分析; 支持对深井 超过 500 m 井深 进行空气可压缩性分析。 4 可直接导入 AutoCAD DXF 文件生成通风 网络图， 也可将建好的三维模型直接导出到 Auto- CAD 中形成通风立体图。 5 模拟井下柴油机颗粒物、 烟雾、 粉尘、 有害 气体扩散路径和浓度， 辅助进行灾害预案制定和紧 急情况处理。 6 对井下热源、 冷源和湿源进行动态模拟， 在 三维可视化环境中实现对矿井降温效果进行定量分 析。 7 矿井整个服务周期经济性模拟分析， 巷道 经济性断面选型， 通风系统经济性评价。 1． 3系统运行界面 Ventsim 系统运行主窗口包括所有通风网络创 03 第 42 卷第 2 期技术创新 建、 编辑、 浏览和模拟的功能。主要分为 4 部分 菜 单栏、 工具栏、 三维视图窗口、 状态栏。系统运行界 面如图 1。 图 1 Ventsim 系统运行主界面 2关键技术应用 2． 1矿井通风系统建模与风流模拟 矿井通风是矿井各生产环节中最基本的一环， 它供给矿井新鲜风量， 以冲淡并排出井下的有毒有 害气体和粉尘， 保证井下风流的质量， 提供良好的工 作环境， 防止各种伤害和爆炸事故发生， 在矿井建设 和生产期间始终占有非常重要的地位 〔6〕。 Ventsim 系统使用计算机图形系统建立矿井三 维通风网络模型。根据矿井设计绘制立体通风网 络， 并对巷道的断面、 风阻等参数进行赋值， 通过风 流模拟进行风网解算、 风量分配， 同时可以使风流与 风机动态运转， 并从风机数据库中选取合适的备选 风机， 然后进行风机选型。通过多次风流模拟对网 络进行调整， 达到最终满意效果。而且可以考虑风 流压缩性与自然风压的影响， 以获取与现实更加接 近的模拟效果。 采用 Hardy － cross 法进行风网解算 回路法 。 系统根据模型数据、 风量平衡定律、 风压平衡定律、 风阻定律来建立数学模型， 经过多次反复拟合修正， 使各分支风量达到预定的精度时结束计算。此时所 得到的近似风量， 即可认为是要求的自然分配的风 量。 提供多种模型建立方式， 可手工绘制或直接导 入 Auto CAD DXF 文件生成通风网络图。Ventsim 三维图形显示默认采用三维透视图显示方式， 通过 三维建模和对三维模型的多视角旋转观察， 可以避 免二维视图下容易混淆和难以理解的问题。采用可 视化的数据显示方式， 并可以根据需要进行有选择 的显示数据。 2． 2矿井环境热模拟 随着采矿技术的发展， 世界各国相继进入深部 开采， 随之而来的是地温升高 〔7〕， 同时由于设备放 热与地面气候的影响， 促使井下工作环境更加恶化。 因此必须采取合适的制冷降温措施， 改善井下工作 环境。 Ventsim 系统通过风流模拟、 热模拟， 可以快速 查找出热源， 并给出制冷降温建议措施。热模拟是 通过两个离散模拟来实现的。首先是风流平衡模 拟， 接着是热平衡模拟。在热模拟过程中， 风流模拟 得到的质流平衡保持不变， 热模拟计算得到的新温 度和空气密度， 理论上将导致质流的不平衡。这种 不平衡能够通过随后的风流模拟得到纠正， 但随后 的热模拟将再次影响平衡。因此必须经过多次模拟 进行修正以达到温度和风流基本平衡。设置迭代次 数将使 Ventsim 系统自动地对网络进行多次模拟以 达到平衡。模拟成功后， 可以通过数据显示或颜色 管理器查看模拟结果。通过颜色区分温度高低， 从 而制定有效的制冷降温措施。 2． 3井下柴油机颗粒物及污染物模拟 1 污染物扩散模拟。柴油机颗粒物 DPM 排 放对于矿井来说是一个相对比较新的问题。工人长 时间在高浓度柴油机颗粒物的环境中工作， 会引起 潜在的健康问题。目前很多国家矿业管理部门开始 对地下开采执行严格的空气质量限制标准。Ven- tsim 系统提供污染物模拟工具来预测矿井中柴油机 颗粒物的扩散， 主要可以实现稳态与动态模拟， 基于 网络中污染源的位置模拟演示污染物扩散路径， 并 根据污染物浓度变化对风路着色， 从而制定合理的 排污措施。 2 污染源模拟。反过来可以根据污染状况对 污染源定位， 找出井下存在的污染源， 采取措施消除 或减少污染物排放。污染源模拟类似于一个颠倒的 污染物模拟， 它能从一个定位的污染风路追溯风流 找到污染源。 2． 4经济性模拟分析 矿井生产成本中， 通风成本占据很大的部分， 而 且往往由于矿井设计问题造成通风成本增加， 影响 矿井生产效率。矿井通风成本不仅要考虑电力消 耗、 风机购买等直接通风成本， 还应将矿井通风相关 的其他成本包括进来整体考虑， 如巷道掘进和通风 设施架设、 通风系统维护、 通风系统状态变化所导致 的生产效率提升或者损失等。 Ventsim 系统提供了许多实用工具用来分析节 13 技术创新 2011 －02 省成本的策略。系统可以对所选风路或整个风网服 务周期内的通风成本和采矿成本进行分析计算， 给 出建议巷道经济断面尺寸与成本节约数量。通过颜 色图例管理器， 为巷道的年度通风成本设置颜色图 例， 使风路成本高低一目了然。同时可在经济性模 拟报告中查看更多信息。 对所选风路进行经济性模拟， 是对所选巷道在 不同断面尺寸下的通风状况进行模拟， 通过考虑掘 进成本、 年通风成本、 服务周期总成本， 得出最佳巷 道断面尺寸， 并提出合理的风路优化建议。整个风 网服务周期内的经济性模拟， 则是对所有巷道进行 经济性模拟分析， 从整体通风效率与成本考虑， 给出 风路优化建议。 在 Ventsim 系统中， 能够快速对通风调整方案 进行模拟和检验， 如风机减速或关闭、 巷道密闭等各 种调节效果， 可以通过模拟快速展现出来， 从而及时 调整， 避免实施后出现问题而增加费用。 3应用实例 基于上述， 以某矿为实例对其通风系统进行建 模与分析， 该矿有 3 条进风斜井， 1 条中央进风竖 井， 1 条中央回风竖井， 1 条采区回风竖井。导入 DXF 格式通风系统图生成模型， 进行风流模拟、 风 机选型。并对采区回风竖井与整个矿井的通风成本 进行模拟分析， 给出了优化建议。经过现场验证， 模 拟结果满足矿井通风系统优化要求。图 2、 图 3 为 部分模拟结果。 4结论 Ventsim 三维通风仿真系统以其良好的可视化 效果和简单易学的特点逐渐成为矿井通风设计和通 风管理最强有力的工具， 而且其应用不仅适用于煤 矿生产， 而且对于金属矿山同样具有非常好的使用 效果。 1 系统采用真三维图形技术， 通过建模， 将复 杂的矿井通风系统以三维图形的方式简单、 直观的 展现出来。通过对不同区间数据进行着色， 使通风 过程的关键数据和薄弱环节一目了然， 进而采取适 当的改进措施。 2 针对深部开采矿井出现的高温、 污染问题， 通过热模拟与污染物模拟查找热源与污染源， 从而 根本改善井下工作环境， 保护工人身体健康， 提高工 作效率。 3 系统提供的多种模拟分析工具， 在三维可 图 2矿井采区回风竖井风机选型结果 图 3整个风网服务周期经济性模拟结果 视化的环境中对通风方法的安全性、 合理性和经济 性进行分析， 在保证通风系统安全的前提下合理节 约通风成本， 从而有效提高矿井通风效率和安全管 理水平。 参考文献 〔1〕Marx WM， von Glehn FH， Bluhm SJ， et al． VUMA － a mine ventilation and cooling net work simulation tool 23 第 42 卷第 2 期技术创新 大雁二矿综放工作面自然发火防治技术 刘荫和， 张继伟 大雁矿业集团公司 通救中心， 内蒙古 大雁 021122 摘要 大雁矿业集团公司第二煤矿所有煤层都具有自燃倾向性， 自然发火期 1 ～3 个月， 实际生 产过程中最短只有 17 d， 属容易自燃煤层。在总结经验、 教训的基础上， 总结出一套行之有效的 综放工作面安装、 回采、 回撤期间的安全技术措施， 为确保矿井安全生产创造了条件。 关键词 放顶煤开采; 自然发火; 防治措施 中图分类号 TD75 2． 2 文献标志码 B文章编号 1003 －496X 2011 02 －0033 －02 1矿井概况 大雁矿业公司第二煤矿始建于 1970 年， 设计生 产能力为 90 万 t/a， 经 3 次改扩建， 2007 年核定生 产能力达到 235 万 t/a。该矿分 3 个水平开采。现 开采水平为三水平， 水平标高为 50 m， 地表标高为 684． 29 m。现采煤层为 30煤层， 煤层最大厚度 14． 94 m， 最小厚度 13． 30 m， 平均厚度为 13． 68 m; 煤层倾角最大 21， 最小 15， 平均 17。煤种为褐 煤， 属于中灰、 低硫、 低磷， 无胶质层， 煤层具有自燃 倾向性， 自然发火期 1 ～ 3 个月， 实际生产过程中最 短只有 17 d， 属容易自燃煤层。 矿井自然发火非常严重， 自建矿以来已有几十 次自然发火， 损失较严重的有 3 次。回采工艺改为 综采以后， 特别是综放以后， 由于巷道布置简单、 回 采速度快、 自然发火现象有所减少， 但是没有杜绝。 在工作面安装、 回采、 回撤期间仍有自燃现象发生。 自然发火始终困扰着第二煤矿的安全生产。 2回采工作面自然发火综合防治措施 30煤层属特厚煤层， 节理发育、 破碎， 采用综采 放顶煤工艺， 1 次采全高， 由于煤层地板是软岩， 巷 道压力大， 所以回采时要留 0． 5 m 左右的底煤。回 采巷道在掘进过程中， 由于破碎， 经常有高冒存在， 高冒区最高的可达煤层顶板， 高冒区的发生给自然 发火的防治留下隐患。 综放工作面上下顺槽支护形式是锚网支护， 由 于巷道压力大、 顶板破碎， 隔一排采用锚索支护， 回 采时两巷很难及时冒落， 形成漏风通道。回采工作 面上下顺槽端头支架处顶煤放出率较低， 采空区存 有大量浮煤， 这样在漏风通道附近， 留有破碎的煤， 对该处自然发火防治是日常管理的关键。 随着开采水平延伸， 实行综采放顶煤工艺后， 工 作面走向长度可达 2 000 m 左右， 运输距离增大， 有 时在安装、 回撤时需要 30 部绞车 ， 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 这样有时安装或 〔C〕 / /Proceedings of the 7th International Mine Ventila- tion Congress， 2001， 56 2001 317 －323． 〔2〕 李春民． OpenGL 在矿山井巷工程三维可视化仿真系 统中的应用 〔J〕 ． 北京科技大学学报， 2004 5 457 － 458． 〔3〕 熊伟． 煤矿虚拟环境系统三维数据模型与 VR 技术 研究 〔D〕 ． 北京 北京大学， 2002． 〔4〕 魏连江， 王德明， 王琪， 等． 构建矿井通风可视化仿 真系统的关键问题研究 〔J〕 ． 煤矿安全， 2007， 6 4 6 －9． 〔5〕 田洪建， 王树刚． 矿井通风网络多功能模拟可视化的 实现 〔J〕 ． 煤矿安全， 2008 4 42 －44． 〔6〕 贾澎涛， 常心坦． 基于 MapObjects 的矿井通风可视化 系统 〔J〕 ． 煤炭科学技术， 2002， 12 12 50 －52． 〔7〕 黄颖华， 沈斐敏． 高温矿井降温技术研究动态 〔J〕 ． 安 全与健康， 2006 11 30 －31． 作者简介 毕文广 1979 － ， 湖南常德人， 毕业于太原 理工大学， 现任北京天地华泰采矿工程技术有限公司副总工 程师， 研究方向为采矿工程。 收稿日期 2010 －06 －28; 责任编辑 王福厚 33 技术创新 2011 －02