基于Ventsim的矿井通风风阻参数优化(1).pdf

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S e rie s No . 4 5 3 Ma r c h 201 4 金 飘 砖 METAL MI NE 总 第4 5 3期 2 0 1 4 年第 3期 安全 与环保 基于 V e n t s i m的矿井通风风阻参数优化 李孜军 陈艳丽 中南大学资源与安全工程学院, 湖南 长沙4 1 0 0 8 3 摘要研究矿井通风风阻变化规律对通风系统网络解算及优化调节的影响有着重要的意义。根据矿井通风 系统中风量、 风压和风阻之间的平衡关系, 运用单因素分析法, 实现快捷高效优化通风系统稳定性。该方法是通过改 变某一分支巷道的风阻值, 分析其他特征分支风量和风压对此变化做出的反应状况规律。以某金属矿山为例, 将通 风系统模型导人 V e n t s i m三维仿真系统, 选择一个具有代表性的特定分支, 在其他参数保持不变的情况下, 改变这一 分支巷道的风阻值, 通过仿真模拟解算出需要的数据。最后对解算结果进行分析比较, 确定该分支巷道和相关分支 风量及风机工况点之间的相互关系, 来判断其对通风稳定性影响的大小。这不仅为矿井前期通风系统设计提供了理 论依据, 也为后期矿井通风系统运行及改造提供了数据支持 , 最终为实现矿井安全生产打下坚实基础。 关键词三维通风仿真V e n t s i m 系统风流模拟风网解算 中图分类号X 9 3 6 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 - 1 2 5 0 2 0 1 4 - 3 1 3 6 - 0 5 0p t i mi z a t i o n o f M i ne Ve n t i l at i o n Re s i s t a nc e Pa r a me t e r Ba s e d o n Ve n t s i m S o f t war e L i Z i j u n C h e n Y a n l i S c h o o l o fR e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g , C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 , C h i n a Ab s t r a c t I t v e r y i mp o r t a n t t o r e s e a r c h t h e i mp a c t o f t h e w i n d r e s i s t a n c e c h an g i n g r e g u l a r o f mi n e v e n t i l a t i o n o n mi n e v e n t i l a t i o n n e t w o r k s o l u t i o n a n d o p t i ma l r e gu l a t i o n .T h e s i n g l e f a c t o r an aly s i s me t h o d i s p r o p o s e d t o r e a l i z e a f a s t a n d h i g h e f fi c i e n t o p t i ma l v e n t i l a t i o n s y s t e m b y u s i n g t h e e q u i l i b riu m r u l e o f a i r v o l u me , wi n d p r e s s u r e a n d w i n d r e s i s t a n c e o f t h e v e n t i l a t i o n s y s t e m.I n t h i s me t h o d, t h e r e a c t i n g rul e f o r the o t h e r b r an c h ,s a i r v o l u me a n d a i r p r e s s u r e wi t h t h e v a r i a t i o n i s c o n c l u d e d t h r o u g h c h a n g i n g t h e wi n d r e s i s t a n c e o f o n e r o a d wa y b r a n c h .T a k i n g a me t al mi n e f o r e x a mp l e , t h e v e n t i l a t i o n s y s t e m mo d e l wa s i n t r o d u c e d i n t o Ve n t s i m t h r e e d i me n s i o n a l s i mu l a t i o n s y s t e m.S e l e c t i n g a s p e c i al b r a n c h a s a r e p r e s e n t a t i v e , wi t h a n y o t h e r p a r a me t e r s u n c h a n g e d, a n d v a r y i n g i t s w i n d r e s i s t a n c e , t h e d a t a n e e d e d we r e c a l c u l a t e d o u t b y s i mu l a t i o n .F i n all y , t h e r e s o l v i n g r e s u l t s w e r e a n aly z e d a n d c o mp a r e d t o d e t e r mi n e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e b r a n c h a n d t h e a s s o c i a t e d b r a n c h a i r v o l u me a n d f a n o p e r a t i n g t o j u d g e i t s i m p a c t i n g l e v e l o n t h e s t a b i l i t y o f t h e v e n t i l a t i o n . T h e r e s e a r c h n o t o n l y p r o v i d e s t h e t h e o r e t i c a l b a s i s for t h e d e s i g n o f t h e mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e m a t e arl y s t a g e , b u t als o t h e d a t a s u p p o r t for p o s t mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e m o p e r a t i o n a n d r e c o n s t ruc t i o n, a n d e v e n t u a l l y l a y s a s o l i d f o u n d a t i o n f o r r e a l i z i n g t h e mi n e s a f e t y p r o d u c t i o n . Ke y wo r d s 3 D v e n t i l a t i o n s i mu l a t i o n, Ve n t s i m s y s t e m, V e n t i l a t i o n s i mula t i o n , Ve n t i l a t i o n n e t wo r k r e s o l v i n g 随着人类对矿产资源需求的增加 和浅表层矿产 资源的不断消耗 , 人们不得不对深部矿产资源进行大 规模开采 。矿山深部开采将会 面临诸多问题 井 下有毒有害气体 、 粉尘 、 恶劣 的高温等因素会直接损 害工人的身心健康 , 影响工作效率 ; 矿山现代机械化 程度低, 矿井通风系统网络复杂, 人工管理相对困难, 甚至罕有矿山企业保有一套完备的矿井通风网络资 料。数字化矿井通风管理作为现代计算机虚拟现实 技术成为解决这个问题的有效方法之一 3 。 收稿 日期2 0 1 3 . 1 1 _ 2 4 作者简介李孜军 1 9 6 7 一 , 男 , 副教授 , 博 士, 博士研究生导师 。 1 3 6 目前 国内外已经开发出大量 的矿井 通风系统仿 真与可视化软件 , 例如辽宁工程技术大学开发的矿井 仿真系统软件 MV S S ; 由美国 V P L公司创建人拉尼 尔提出的虚拟现实技术 V i r t u a l R e a l i t y , 简称 V R 可 用于仿真、 人机交互式、 三维动态模拟_6 ; 还有三维 G I S 、 V i s u a l S t u d i o 、 D a t a Mi n e等 。 由于各 因素之 间相互叠加影响矿井通风系统稳定性, 很难发现单个 因素对矿井通风系统稳定性的影响 J , 并且传统的 二维技术由于数据显示不全面 、 不能实现动态模拟等 李孜军等 基于V e n t s im的矿井通风风阻参数优化 2 0 1 4年第3 期 原因, 不能满足大型 复杂 矿井 的要 求。而金码 软件 北京 有限公司开发的 V e n t s i m三维仿真软件是综 合性软件, 不但可以进行风网解算 , 也可以进行状态 模拟和经济分析 。比如风流模拟 、 污染度模拟、 热模 拟、 通风经济性分析等 。 1 V e n t s i m仿真软件 ] 1 . 1 主要功能 1 可直接导入 画好 的矿井通风 系统 A u t o C A D 图, 也可以根据矿井测得 的数据在 系统 界面上直接 画 。 2 可以浏 览三维矿井 图 中巷道 内通风设施 布 置情况 , 进行整体系统的虚拟现实浏览 。 3 对新 建或正在生产中 的矿井进行通 风网络 系统设计、 网络解算和动态风流模拟; 模拟风门、 风 窗 、 密闭等通风构筑 物的设置和风量调节结果 ; 进行 风机选型 , 风机运行工况点分析等。 4 模拟井下柴油机、 爆破、 火灾等的有害气体 、 粉尘扩散路径和浓度 , 并辅助进行灾害处理和预案制 定工作。 5 对井巷 中的冷源、 热 源等进行三维建模 , 实 现定量分析矿井的加热或降温效果。 6 具有矿井通风系统 自然风压分析和深井 超 过 5 0 0 m 空气压缩分析的功能 。 7 主要巷道经济断面的选型、 通风系统 的通风 经济性和通风能力分析 , 进行通风系统全局性优化处 理 。 1 . 2系统理论 矿井通风系统在 V e n t s i m三维通风仿真情况下 , 可以实现参数 的实时模拟。由于矿井通风系统稳定 性受多种参数变化的影响 , 系统网络更趋 于复杂化 , 人工很难计算出来。因此 , 要在矿井通风系统时刻变 动的状态下进行控制 , 要必须快速地实现风网解算 , 才能得 出准确的结果 。软件采用 Ha r d yC r o s s迭代 法求解通风 网络 , 在本质上是依据风量平衡定律 、 风 压平衡定律 、 风阻定律和通风系统属性数据 的基础上 建立的系统模型。根据通风网络 中各个分支巷道的 初始风量 , 近似求出各个风路的风量增值 a Q 修正 值 , 对风路 中各分支巷道 的风 量分别进行修正 , 再 迭代计算, 直到修正值 △ 满足给定精度 H 。如 图 1 所示 , 通过迭代次数 的网络调整 , 寻找可接受的 解决方法。 对有风机和自然风压作用的网孔, 其风量修正值 可 以用下式表示 避 出 a Q 风量Q 图 1 H a r d y - c r o s s 方法中的风量压降关 系 F i g . 1 Th e d i a g r a m o f v e n t i l a t i o n p r e s s u r e dr o p i n Ha r dy - c r o s s me t hod 一 通风阻力 ; 一 井巷风阻 ; Q 一 真实风量 ; Q a 一 近似风量 ; △Q 一 初拟风量与真实值 的误差 ; △ 一初拟通风阻力与真实值 的误差 。 h , 、 ∑ R Q l Q I 一 J7、 rvp k △ 下一, 1 ∑ 2 R i l Q l 一 0 式中, A Q 为回路风量增量值; 1 , 2 , ⋯, 为 独立网孔数 ; 为井巷风阻真实值 ; 1 , ⋯, b b 为 分支巷道数 ; 为风机风压 ; Ⅳ 为 自然风压 ; 0 为 风机特征曲线斜率 , d H f / d Q; H f 为风机压降 ; Q 为近 似风量 。 2 矿井概况 根据矿山设计 , 某金属矿矿井整体标高 一3 0 0~ 3 4 7 m, 全矿共设置风机 1 3台, 其 中采场排风扇 3台, 地表风扇 7台, 局部风扇 3台, 风机风压类 型采用全 压法。该矿采用主副井集 中开拓 , 共有 3个采矿工作 面 , 其 中 P 4 0 0采矿场为正在筹建 中的矿场 , P 4 1 5采 矿场为正在开采的矿井 , P 4 3 0采矿场是 已经采矿完 毕封闭废弃的矿井 。正在开采 的矿场划分为 4个 开 采中段 , 各个中段开采高度为 2 0 m。 本研究以该金属矿通风系统的原始数据为依据 , 分析特征分支风阻变化对整个通风系统的影 响。根 据该金属矿矿井通风系统设计状况 , 进回风井筒位置 分布及工作 面分布情况等 因素 , 通风方法采用 抽出 式 , 即在主井设置 主通 风机并进行进风 , T 4 8 R A R和 U 4 3回风井 回风。在矿井通风系统中, 风流通路为新 风从主井进入 , 经 M 4 1 F A R主通风井和 M4 0斜坡道 进入工作面 , 采场排出的污风进入上中段回风平巷后 通过采场排风扇抽 出进入 回风井 T 4 8 R A R系统排 出 地表 ; 溜矿系统、 采场 开拓 系统和车间区域排 出的污 风经回风井 U 4 3竖井排出地表 。矿井通风三维仿真 视 图如图2所示 。 3 风阻变化对通风系统稳定性的影响 首先改变通风系统某一参数的值, 使其按照一定 .1 3 7 总第 4 5 3期 金 鬣 砖 2 0 1 4年第 3期 ~ j 跑 表 风 扇 1 8 0 k w \ 一 l / / 二 L J 粟 场 排 采 场 排 并 警 F T 4 8 A R . - ; ; 一 一 ; , U4 2 0 、 丽 雨 始谜 ≤ 。 邀 J p d 1 n 粟静 j 囊 三‘ 。 ‘ E /一 3 局扇 k J 。 井 图 2三维通风 系统模型 F i g . 2 3 D v e n til a ti o n s y s t e m mo d e l 的规律进行改变, 并保证通风系统其他参数不变。借 助V e n t s im三维矿井通风系统软件, 得出特定系统状 态下的解算结果 , 对结果进行图表分析。由于需要分 析的通风系统 比较复杂 , 因此需要选定特定分支 见 表 1 进行分析 , 如 进风井、 回风井 、 中段运输大巷和 工作面。其他文 中未涉及 的分支可采用类似的方法 进行分析。 3 . 1 单分支风阻变化对通风系统稳定性的影响 在该金属矿矿井通风系统中, 与地表相连的进风 井筒和斜坡道包括斜坡道 8 7 . 9~ 2 2 6 m, U 3 7竖井 表 1 用于风阻可调节性研究的特征分支 Ta b l e 1 Th e r e s i s t a n c e o f t h e c h a r a c t e r i s ti c b r a n c h e s c a n b e r e g u l a t o r y r e s e a r c he d 通风井筒 8 7 . 9一 2 4 1 . 7 m, M 4 0水平入 口 1 4 8~ 1 4 8 . 7 m, 主进风井 1 3 2 . 9~1 4 7 . 9 m。根据现 场采集 的矿井通风系统数据结果可知 , 主进风井相对 于其他进风分支对通风系统稳定性的影响最大, 对其 进行研究具有代表性 的意义。该分支风阻 的变化对 矿井通风系统的影响是全局性 的。当该分支的风 阻 变化时 , 用 V e n t s i m三维矿井通风系统软件对其进行 网络解算 , 解算结果见表 2所示 。表 2中分支风阻变 化率中的“ 1 0 0 0 ” 是非常规值 , 表示将该分支风阻增 大到正常分支风阻的 1 0 0 0倍 , 用来分析在非正常状 态下通风系统 中风量和风压的变化情况 。 表2 主进风井分支风阻变化数值模拟结果 Ta bl e 2 Th e n u me ric a l s i mu l a t i o n r e s u l t s o f wi n d r e s i s t a n c e c h a n g e s o f t h e ma i n v e n til a tio n we ll b r a n c h e s 3 . 2 多分支风阻变化对风机等效风压的影响 由于该金属矿出人 口分支不是很多, 将出人 口分 支分为 2组即可 第 1组为人 口分支 , 包括有 主进风 井、 M 4 0水平人 口、 斜坡道 、 U 3 7井筒 ; 第 2组为 出 口 分支, 包括有 U 4 3竖井和T 4 8 R A R回风井。第 1 、 2 组 分支风阻变化对矿井通风系统 中风机 1 、 2和 3的风 机风压效率影响结果如图 3所示 。 3 . 3 模拟结果分析 1 主进风井风阻变化对各个特征分支风量的 影响各不相 同。分支 1 、 1 2和 3 9 8的风量是随主进风 井风阻增大而变大的; 分支 1 4 、 1 3 4 、 1 3 3 、 3 9 9和 4 0 0 的风量是随主进风井风阻增大而变小的; 而分支 3 1 9 是随主进风井风阻增大基本保持 不变 的。其 中, 进 、 回风 口的风量变化最大 , 对矿井整体通风效果有明显 的影 响。 因主要通风机设置在进 、 回风井 中, 所 以矿 李孜军等 基于 V e n t s i m的矿 井通风风 阻参数优化 2 0 1 4年第 3期 辜 崖 风 阻 燹 化 率 / % 图 3 分支风 阻变化对风机 风压 效率的影响 F 3 Th e c h a n g i n g 0 f b r a n c h wi n d r e s i s t a n c e i mp a c t o n t h e e ffi c i e n c y o ft h e f a n a i r p r e s s u r e ◆ 一一 组风机 1 ; 一 一组风机 2 ; ▲ 一 一组 风机 3 一 二组风机 4; △ 一二组风机 5; ~二组风机 6 井通风系统中各个风机之间并不是独立工作 的 。风 机之间相互联系形成复杂 的非线性系统对矿井通风 系统稳定性产生重大的影响。 2 当主进风井风 阻增大时 , 2个 回风井 中的风 机风压减小 , 主进风井中的风机风压增大 ,深部通风 机 的风压不变 。而在 风阻极致状态 “ 1 0 0 0 , , 时 ,风机 出现失速 的情况。说明 , 随着矿井通风系统的阻力增 大 , 需要提高风机的动力来 弥补这部分增加的阻力 . 促使风机工况点向左偏离进入不稳定区域 。使得整 个矿井的通风效率降低 , 各用风地点 的风量值未达到 正常运行标准。矿井通风系统的稳定性对这类分支 风阻变化的敏感度很大 , 可以用来预防矿井通风系统 不稳定性的发生。通过分析发现 ,所有进风分支风阻 发生变化都会对风机风压的效率产生不 同程度的影 响。而在矿井 深处用来补 给风量 的风机只影 响与它 有关联的分支 , 因而影响区域是局部性的 。 3 当矿井通风系统所有进风或 回风分支 风阻 增大时, 风机风压效率在进风井中上升 ,而在回风井 中下降。但对于风机在不同风井 中 ,风机效率的变化 率和风压的变化量却有较大 区别 。利用矿井通风系 统的这一特点 , 可以优化矿井通风系统 ,通过调 节各 个分支的参数 , 帮助稳定矿井通风系统 。 4结论 i 特征分支 的风量 和风压在某一分支风阻变 化下的影响。为了保证矿井整体通风量的稳定 ,如果 主进风井分支风 阻的值 变大 了 ,那么其他进风分支 1 、 1 2和 3 9 8的风量也是变大的; 而 回风分支 1 4 、3 99、 中段分支 1 3 4 、 通 向工作面分支 1 3 3和主进风井 4 0 0 本身 的风量是变小的; 分支 3 1 9处于局部通风区域不 受主通风机的影响, 因而风量基本保持不变 。当主进 风井 风阻增大时 , 2个 回风井 中的风机风压减小 。主 进风井 中的风机风压增大 , 而深部通 风机的风压不 变 , 在风阻达到极致 “ 1 0 0 0 ” 时 ,风机会处 于失 速状 态 , 对矿井通风安全影响极大 。 2 多分支风阻变化对主要风机风压效率 的影 响。当第 1 组进风井分支风阻变化为原来的2 倍时 , 矿井通风系统 中风机风压 的平均效 率达到 7 0 .6% 第 2组 回风井分支风阻变化为原来的一半时 ,矿井通 风系统 中风机风压 的平 均效率达到 7 2 . 8 % 。 因此 , 适当增大进风井分支风阻或减小 回风井分支风阻可 以提高风机风压总体效率, 但是回风井分支风阻为零 时反而不利率风机风压效率的提高。 3 采用 V e n t s i m三维仿真通风软件对矿井通风 系统参数进行网络解算和风流动态模拟 。通过参数 调节实现通风网络的优化处理 , 为通风管理人员和技 术人员提供了一套科学管理 的工具和必要的数据依 据。与其他方法相 比, 具有获取的结果更具有科学 性、 准确性 和可靠性 , 从而使该软件具有 了较 高的实 用价值 。 参考文献 [ 1 ] 胡汉华 深热矿井环境控制[ M] . 长沙 中南大学出版社 .2 0 0 8 . 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