矿井多级机战通风系统优化设计方法的研究.pdf

SeriesNo. 379 January 2008 金 属 矿 山 METAL M I NE 总第379期 2008年第1期 陈宜华1963 , 男,东北大学资源与土木学院,教授级高级工程 师, 110004辽宁省沈阳市和平区东北大学265信箱。 矿井多级机站通风系统优化设计方法的研究 陈宜华 孙豁然 东北大学 摘 要 阐述了矿井多级机站通风系统优化设计常用的方法,以斯考德 亨斯雷法、 应用图论的点势分析 法2类方法对2座矿山通风系统进行优化设计,说明优化方法可行性及其各自的特点,认为斯考范-亨斯雷算法 简便易掌握。 关键词 多级机站通风系统 数学模型 优化设计 等式约束 Research on Opti m ization Design M ethod ineM ulti2Stage Fan Station Ventilation System Chen Yihua Sun Heran Northeastern University Abstract Commonly used s for opti mization design of mine multi2stage fan station ventilation system are de2 scribed.Scott2Hensley and point potential analysis of graph theory are used in the optimization design for ventilation systems of two mines .The feasibility and respective features of these optimization s are described and Scott2Hensley arithmetic is considered as simple and easy to control . Keywords Multi2stage fan station ventilation system 在多级机站通风系统设计中,经常使用优化数 学模型描述通风系统的结构和机制,尽可能使优化 数学模型反映实际,然后使用优化方法求解数学模 型,优选风机 [122 ]。但对大型矿山而言 ,由于机站数 量、 巷道数目较大,优化数学模型中的变量大大增 多,计算量加大,有必要对优化数学模型进行处理, 使其适用于大型矿井通风系统。包括① 在数学模 型中尽量不含或少含离散变量,因为优化方法最适 用于处理连续型问题,包含离散变量或离散变量较 多会妨碍一些有效的方法的使用;② 在计算方法上 尽量采用计算量少而收敛速度快的方法。 在多级机站通风系统设计中,对初选的风机的 几种方案进行通风网络解算,按自然分风的原则求 出各巷道的风量、 风压、 各项指标最优方案,而通风 网络解算方法主要有斯考德-亨斯雷法、 应用图论 的点势分析法、 牛顿法、 节点压力法等,本研究对常 用的前2种方法进行分析,并举例说明其优缺点,为 多级机站通风系统设计者提供参考。 1 通风系统优化的方法 1. 1 斯考德-亨斯雷法Scott - Hensley 这一方法是网络解算最常用的方法,以网络G 包含的b个基本回路的风量Qy Q1, Q2,⋯, Qb 为变元,依据风压平衡定律给出以下方程式 ∑ b i 1 j≠i Rij Q i - Qj 2 RiiQ 2 i Pi i 1,2,3,⋯⋯b,1 式中,Rij为第i回路与第j回路的公共边的风阻; Rii 为第i回路中非公共边的风阻和; Pi为第i回路中所 包含的风机工作压力、 自然风压的代数和。 因此,通风网络计算问题转化为求解方程式 1式数学解问题,记为 fi Q y ∑ b i 1 j≠i Rij Q i - Qj 2 RiiQ 2 i - Pi, i 1,2,3,⋯, b .2 由于非线形方程组2的求解涉及解大型非线 形方程组,因此,在计算中遇到困难,斯考德-亨斯 雷法对问题进行简化,设方程2的第k项近似解为 Q k y Q k 1, Q k 2,⋯Q k b按照台劳级数展开,并将二次 以上的高阶微分忽略不计,近似化简式,并考虑风量 方向的变化。 121 fi Q k1 y fi Q k y 9fi 9Q1QyQky ΔQ k 1 9fi 9Q2QyQky Δ Q k 2 ⋯⋯ 9fi 9Q k by QyQky Δ Q k b 01 i 1,2,⋯, b13 在给定以下限制后,即 9fi 9Qi Δ Q k i∑ b j1 j≠i 9fi 9Qi Δ Q k j, i 1,2,⋯, b4 将方程组4简化为 9fi 9Qi Δ Q k i - fi Q k y1 i 1,2,⋯, b5 将2式代入4式,并考虑到风流方向的变化,得 到 ΔQ k i ∑ b j1 j≠i Rij Q k i - Q k j Q k i - Q k j RijQ k i Q k i - Pi 2 ∑ b j1 j≠i RijQ k i - Q k j RijQ k i - dPi dQiQiQki 1 i 1,2,⋯, b6 由此得到第k1次的回路风量近似解 Q k i Q k i ΔQ k i1i 1,2,⋯, b 按6式反复计算风量校正量,直到达到数据 精度为止,然后再将回路风量按风量平衡定性计算 出所有巷边风量。 当以网络G中所有的分支风巷作为变量时,有 fi ∑ n j1 bijRjQj| Qj| - Pi0, i 1,2,⋯, b7 ΔQ1i ∑ n j1 bijRjQj| Qj| - Pi 2∑ n j1 | bijRjQj| - dPi dQiQiQki ,8 ΔQ k1 j ΔQ k j bijQ k i1 9 由8式反复计算风量修正量,由9式来修正 分支巷道的风量,直到达到收敛精度,所以各分支风 量的值即为最终解结果,达到了解算网络的目的。 1. 2 应用图论的点势分析法 这一分析法是由日本矶部俊郎等提出的,这一 方法中应用了图的理论,求解过程有其独特之处。 用图论表示通风网络理论如下 网络G中任意点V1与其关联弧ek的风阻为Rk, ek的另一端点为V2,设V1、V2的负压分别为Hv1、Hv2则 Hv1- Hv2 dv1v2Q 2 kRk, 10 这里,当Hv1 Hv2时, dv1v21,反之有dv1v2- 1。 通风中的风量平衡计算式表示成 ∑ d v1 i 1 dv1v2Qki0,11 式中, d v 1是节点v1的度。Ki是与点v1关联枝中第 i枝, v2i是弧ki的端点。 回路风压平衡定律在负压作 为未知数来求时自然满足。 该方法中,入风口及出风口的负压作为已知点 的负压,用作边界条件,由此确定图G中所有点的未 知负压。 首先,除入、 排风井口以外的点的负压全置 为零,入、 排风井口的负压作为已知值输入。 图G中 连接任意点V1的弧eki其另一端点为v2i, v2i负压中 取最大者值为v21,10式有 Hv1 Hv21 dv1v21Rv1v21Q 2 v1v21, 12A ⋯ Hv2 Hv2i dv1v21Rv1v21Q 2 v1v21, 12B Hv1 Hv2 dv1 dv1v2dv1Rv1v2Q 2 v1v2dv11 12C 使{ 11A - 11B }式, 2≤i≤d v1 , 则有 Hv21- Hv22 dv1v2Q 2 v1v21Rv1v21 - dv1v2iQ 2 v1v2i 0 ∴Qv1v2i [ Hv21- Hv2i dv1v2Rv1v2Q 2 v1v2 / dv1v2iRv1v2i ] 1/2 1 13 将11式代入13式中,得到 dv1v21Qv1v2i∑ d v1 l 2 dv1v2i Hv21- Hv2i dv1v21Rv1v2Q 2 v1v21 dv1v2iRv1v2i 0.14 由14式求出Qv1v21后代入12可求出压力 Hv1,所求出的负压Hvi与计算前的Hv1不同时,后面 的计算就采用新的Hv1值。 进行这一工作遍及所有 入、 排风井口以外的点后,再重复这一计算。 新求出 的Hv1值与计算前的Hv1差达到预期精度就停止计 算,否则反复进行选代。 将上面方法归纳起来,不外乎是解非线性方程 组的近似方法。斯考德-亨斯雷法是解独立回路的 风压平衡方程 BfH - Hf- Hn0,15 221 总第379期 金 属 矿 山 2008年第1期 而点势图论法是解非线性方程组 A T P H116 2 多级机站通风优化方法的应用 211 斯考范-亨斯雷法应用实例 2. 1. 1 矿山概况 冬瓜山铜矿床是我国有色金属矿山首例埋藏深 度超过千米且矿体均赋存于热害区的特大型高硫铜 矿床。矿区年平均气温16. 2℃,夏季年平均气温 27. 4℃,极端气温高达40. 2℃。冬瓜山铜矿特殊 的开采条件深井、 高温、 高硫矿床决定了设计的 井下通风系统除了要满足向井下供给足够的新鲜风 流、 有效地排出炮烟和粉尘外,还要排出井下各种热 源放出的热量,从而保证井下采矿生产达到安全规 程的要求,为此设计采用了侧翼对角式多级机站通 风系统,共三级机站,即进风段、 采区需风段和回 风段各设一级,均为有风墙机站。新鲜风流主要由 冬瓜山副井和进风井进入,回风井回风,同时冬瓜山 主井和辅助井也承担部分回风。矿井总风量为596 m 3 /s,其中进风为进风井464 m 3 /s,冬瓜山副井132 m 3 /s;出风为回风井528 m 3 /s,冬瓜山主井38 m 3 /s, 冬瓜山辅助井30 m 3 /s。由于夏季气温较高,考虑利 用上部的东、 西狮子山旧巷道对部分进风风流进行 预冷。通风系统采用斯考德-亨斯雷法进行网路优 化计算,优选风机和风量的合理分配。 2. 1. 2 优化方法 根据通风系统优化原则,对冬瓜山井下系统各 种类型井巷及作业中段布置、 作业点分布、 典型巷道 的通风阻力等进行了调查、 测试和数据处理,建立了 多级机站通风网络数据库,在给定初选风机、 巷道风 量、 确定基准巷等条件下,利用计算机编网解算圈定 网孔,优选风机。 通风解算网络包括95个节点、146条分支和11 个主要机站,对提出的通风系统方案,计算主扇工 况、 井巷通风阻力、 风量分配等。 对提出的通风系统方案,进行技术经济比较,重 点考虑多级机站风机对风流的控制能力、 对排除污 风和热量的调节措施,以及采用零压平衡技术控制 主要作业中段的风量分配、 减少内部漏风、 完善风量 与风压的合理匹配。研究了机站设置和风机选型问 题,以满足冬瓜山各作业中段的回采需要,并达到节 能目的。 冬瓜山多级机站通风系统优化方案网络解算结 果见表1。 表1 冬瓜山多级机站通风系统优化方案网络解算结果 名 称 机站 位置 /m 风机型号 并联 台数 额定功率 / kW /台 叶片 角度 / 风量 / m3 /s 风压 /Pa 实耗 功率 /kW 进 风 机 站 回 风 机 站 - 670K40 - 6№17275266733740 - 730K40 - 6№16245267046849 - 790K40 - 6№182752610756984 - 850K40 - 6№182752611343776 - 875K40 - 6№182752610456082 - 790K45 - 6№19220045221887338 K45 - 6№19220045221887338 - 850K45 - 6№192200451931375356 1巷K45 - 6№192200451931375356 - 850K45 - 6№192200451901307353 2巷K45 - 6№192200451901307353 各 井 筒 风 量 冬回风井出风604 冬进风井进风473 冬副井进风31 冬主井进风32 冬辅助井进风47 大团山副井进风21 系统装机容量/kW3 110 系统有效风量率/82 风机平均效率/91 注各井筒风量单位为m3/s。 2. 1. 3 应用效果 在复杂难采千米深井高温大型开采规模300 万 t/a 铜矿床通过加大系统通风量600 m 3 /s ,采 用多级机站通风优化技术并对其进行合理改进,即 系统 Ⅰ 级机站控制系统进风量并克服进风段通风阻 力,Ⅱ、 Ⅲ 级机站采用风机两两串并联形式控制系统 总风量并克服采区及回风段通风阻力,主要巷道的 风量基本达到设计要求,主要作业采区温度降低5 ～8℃,解决了深井高温矿床通风降温与节能、 多级 机站通风技术推广应用中存在各级机站风机压力的 不合理分配以及进风段和需风段存在大量漏风和污 风循环的问题。实践证明该方法使用于大型矿山的 通风系统优化方法。 2. 2 应用图论的点势分析法应用实例 2. 2. 1 矿山概况 某矿在- 200 m水平以上为独立的盲矿体,在 - 140 m以上有3个回采分层 - 100 m、- 112 m、 - 125 m,在分层联络巷两端掘入、 回风天井。在东 南风井- 200 m井底车场内设密闭,进风天井- 200 m入口西和- 140 m南口设密闭,并在- 140 m回风 天井水平通南部矿体石门设密闭,形成由副井进风、 东南井回风的独立两级压、 两级抽出的四级机站通 风系统。 321 陈宜华等矿井多级机站通风系统优化设计方法的研究 2008年第1期 I级机站设置在入风天井下方联络巷内,新风 由副井进入到运输水平,由I级机站将风压送到入 风天井, II、III级机站设在上部回采分层联络巷入、 回风侧, II级机站送新风至各回采水平, III级机站 把各分层污风抽出至- 140 m回风水平,由安装在 东南井- 140 mⅣ 级机站回风风机排出。需风量以 分段巷道出矿、 凿岩、 采准风量最大值为分段巷道的 风量,其值为9. 5 m 3 /s,斜坡道风量以排尘风速 0. 15 m /s计算为1. 8 m3/s。 2. 2. 2 优化方法 对该矿区绘制网路图,编制巷道号和节点号,列 出基本回路矩阵Bf,矩阵Bf的列对应的巷道排列 顺序对应关联矩阵A的列的巷道顺序,风量矩阵Q 的排列顺序也是对应这一顺序的。变量初值包括基 准巷的初始风量,各机站风机直径、 转速以及并联风 机数,以及各机站叶片安装角的初始值。在采区共 8个机站, 16个基本回路,优化数学模型是一个具有 8个离散变量、40个连续变量的优化问题。 按照该 矿采区给定数学模型,初始罚因子为200个,初始等 式乘子均为5个,初始不等式乘子均为10个,计算 结果见表2。 2. 2. 3 应用效果 通过该矿局部盲矿体的设计安装运行,实际运 行系统有效风量率为72. 8 ,风机平均全压效率 75. 6 ,机站平均漏风率1. 125。说明该多级机站 通风系统优化设计方法与实践基本相符,同时还能 比较有效地控制各作业分层的风量。 3 结 论 多级机站通风系统优化设计方法有多种,目前 最常用有效的方法分2类,即斯考德-亨斯雷法与 表2 多级机站通风系统优化方案网络优化结果 名称 机站 位置 /m 风机型号 并联 台数 额定 功率 / k W/台 叶片 角度 / 风量 / m3 /s 风压 /Pa 实耗 功率 /kW 进风 机站 - 200 总进 K40 - 8№1713029402524 回风 机站 - 140 总回 K40 - 6№1615529445738 - 100进风机站K40 - 8№1215. 52611123 - 112进风机站K40 - 8№1215. 52611123 - 125进风机站K40 - 8№1215. 52611123 - 100回风机站K40 - 8№1317. 52615124 - 112回风机站K40 - 8№1215. 52611123 - 125回风机站K40 - 8№1215. 52611123 各井筒 风量 / m3 /s - 200总进风井38. 3 总回风井40. 1 - 100机站巷12. 3 - 112、- 125机站巷10. 5 - 100、- 112、- 125机站巷11. 5 系统装机容量/kW105 系统有效风量率/78. 8 风机平均效率/86. 7 图论点势法解非线性方程组。本研究分别列举两类 的优化方法的矿山设计与实践,表明优化方法可行 性。目前使用较多的是斯考德-亨斯雷法与牛顿法, 图论点势法掌握技术难度稍大些,但运算速度快,优 化系统各项技术指标优于前者。因此,根据所设计对 象可选用不同优化设计方法,但根据实际应用本研究 认为斯考德-亨斯雷法优化方法比较实用。 参 考 文 献 [1 ] 杨承祥,罗周全 1深井高温矿床多级机站通风系统优化[J ]1 金属矿山, 200611 792811 [2 ] 李晓璐,李培良,李春雷 1基于灰色关联的金属矿山通风与作 业环境分析[J ]1金属矿山,20072 662681 收稿日期 20072112 23 信息苑 紫金山金铜矿露天地下联合开采的相互关系影响研究项目通过专家鉴定 2007年12月22日,由中钢集团马鞍山矿山研 究院承担完成的“ 紫金山金铜矿露天地下联合开采 的相互关系影响研究 ” 项目专家鉴定会在北京举 行,会议由中国黄金协会组织,邀请了北京科技大学 蔡美峰等多名教授组成了项目鉴定专家组。 经与会专家和代表讨论审议,认为中钢集团马 鞍山矿山研究院在紫金矿业集团股份有限公司紫金 山金铜矿开展的该项研究具有如下特点 1本研究在工程地质调查分析、 地应力测试 分析、 岩石物理力学性质试验、 爆破震动测试等方 面,资料详细,数据准确。 2通过项目研究,为紫金山铜矿460中段开 采实施“ 采一留一 ” 方式进行回采提供了依据,新增 矿量272万t,新增利税为6 283万元,同时也为矿 柱稳定性监测方案设计提供了依据。 3项目的研究成果已用于生产,获得良好的 综合效益指标。其经济效益和社会效益显著。 鉴定会专家组一致认为,该项目成果实现了保 安全、 保规模、 保效益的三重目标,整体技术水平达 国际先进水平。 421 总第379期 金 属 矿 山 2008年第1期