矿井三维可视化通风仿真模拟技术的研究与应用.pdf

煤炭与化工 Co al an d Ch emic al In dust ry 第43卷第4期 2020年4月 Vo l.43 No .4 Ap r. 2020 机电与自动化 矿井三维可视化通风仿真模拟技术的研究与应用 郭伟强 （山西西山晋兴能源有限责任公司，山西吕梁033602） 摘要斜沟煤矿矿井生产能力大，采掘范围广、工作面布置集中，导致矿井风量紧张，回 风井主要通风机通风能力接近极限。通过利用Ven t sim三维通风仿真模拟，能够实现矿井通风 系统参数的实时模拟，利用Hardy - Cro ss迭代法解算通风网络，结合已建立三维模型对通风 系统存在的问题进行研究分析，优化斜沟煤矿矿井通风系统。 关键词Ven t sim三维通风仿真模拟；三维模型；矿井通风 中图分类号TD72 文献标识码B 文章编号2095-5979 （ 2020 ） 04-0078-03 Research and application of 3D visualization and ventilation simulation technology in mine Guo Weiqian g Shanxi Xishan Jinxing Energy Corporation Ltd., Lvliang 033602, China Abst rac t Xieg o u Min e wit h larg e p ro duc t io n c ap ac it y, wide ran g e o f min in g an d ih e c en t ralized arran g emen t o f t h e wo rk in g surfac e, led t o a t ig h t win d vo lume in t h e min e, an d t h e ven t ilat io n c ap ac it y o f t h e main ven t ilat o r in t h e ret urn sh aft was n ear t h e limit . Th ro ug h t h e use o f Ven t sim 3D ven t ilat io n simulat io n , t h e real-t ime simulat io n o f min e ven t ilat io n syst em p aramet ers c an be realized, Hardy-Cro ss it erat ive met h o d was ado p t ed t o c alc ulat e ven t ilat io n syst em, c o mbin ed wit h t h e est ablish ed 3D mo del, t h e ex ist ed p ro blems o f ven t ilat io n syst em were st udied t o o p t imize t h e min e ven t ilat io n syst em in Xieg o u Min e. Key Wo rds Ven t sim 3D ven t ilat io n simulat io n ; 3D mo del; min e ven t ilat io n 1概 况 矿井通风系统的安全稳定运行是保障矿井安全 生产、职工安全的重要环节，同时稳定安全的通风 系统也是解决粉尘、瓦斯和矿井火灾的有效途径。 斜沟矿生产能力大，采掘范围广，矿井风量紧张， 3个回风井主要通风机能力都已接近极限，最长通 风距离均已超过16 k m。根据矿井初步设计规划， 后期在矿井北翼、南翼分别建设二号、三号风井， 但风井建设是一项庞杂的工程，工程量大、环节 多、工期长，因此需要对现阶段的通风系统进行优 化、简化。矿井通风管理方面虽然在理论和实践上 较为成熟，但在通风系统调整、优化改造、反风模 拟等方面理论计算不够细致。矿井三维可视化通风 仿真模拟技术利用计算机运算，可高效解算通风 网络，能够科学、有效的提高矿井通风系统管理 水平。 2技术原理 矿井通风系统的稳定性受多种因素变化的影 响，属于动态变化，需要在短时间内完成解算，才 能得出较准确的结果，人工很难完成。利用 Ven t sim三维通风仿真模拟，能够实现通风系统参 数的实时模拟，利用Hardy - Cro ss迭代法解算通风 网络。依据通风系统的属性参数和风量、风压平衡 定律、风阻定律建立模型，根据系统网络中巷道支 路风流的风量，求出各个风路的风量增加值 （修正值），通过对各风路中分支风量修正再迭代计 责任编辑张彤 DOI 10.19286/j .c n k i.c c i.2020.04.024 作者简介郭伟强（1988-）,男，山西临县人，采煤工程师。 引用格式郭伟强.矿井三维可视化通风仿真模拟技术的研究与应用[ J].煤炭与化工，2020, 43（4） 78-80. 78 郭伟强矿井三维可视化通风仿鞍拟技术的研究与应用2020年第4期 算，最终取符合精度的修正值g。 斯考得亨斯雷算法是通风网络解算的通用算 法，经过大量实践验证，稳定高效，能够获得高精 度解。 （1） 质量守恒。通风网络中流入和流出节 点的质量守恒，网络中m个节点，可建立m-1 个方程。 m 2,6 5. 0, （i 1,2,3,，m-1） （ 1） i 1 式中心为基本关联矩阵的元素；0为第i条分支 的流量。 式（1）用矩阵表达为式（2） BQ 0 （2） 式中P为基本关联矩阵；Q为分支流量列矩阵。 （2） 能量守恒。对于一条巷道，根据伯努利 方程可得 P2-t P2g A2 （3） h; AP /D AW Rg2 （4） 对任一个稳态回路 - h* -片Q （5） 对所有的回路，表示成矩阵形式为 CH 0 （6） 式中C为基本回路矩阵；H为分支阻力列矩阵; 为巷道的风阻；屁、屁、禺为分支阻力、自然风 压和机械风压。 风网有“条分支，m个节点，这样又得到 n -m1个方程。根据质量和能量守恒，可以联立这 些方程求解，得到一组非线性方程组 F“ （a） 0 （7） 因为是非线性方程组，用迭代法求解 9 一 ” 一 1 /■- ・ 十, .-..-- -宀 _ ■. a 禺 1 - 10 需 ⑴） 这样便得到了一次迭代修正后的风量值，经过 反复迭代运算，小到满足人们的精度要求，便 可完成解算，此时的Q便是人们需要的解。 具体到通风网络解算中，斯考德亨斯雷解法是 将J矩阵简化为主对角矩阵见式（11）,以简化矩 阵求逆操作，减少计算量，但其收敛效果受到影 响，需要将解算的量进行适当排序，得到较好的收 敛效果。 3模型建立 （1） 收集整理斜沟煤矿通风系统最新的系统 图、矿井通风阻力测定报告、通风机性能测试报 告、风量报表等基础资料。 （2） 利用CAD软件构建巷道图层，导入数 据形成系统模型，根据图纸数据加入风量测点标 高，建立三维效果图，录入相关巷道阻力系统、 断面等技术参数，按照通风系统图给模型设置通 风设施，并根据风机性能测试报告导入风机性能 曲线。 （3） 对三维通风系统进行调试。 （4） 增加掘进工作面局部通风系统模型。 （5） 模型建立后与实际情况比照，计算各风 路中模拟风量与实际风量误差比例。以斜沟煤矿石 吉塔沟回风斜井通风系统为例，模型建立后进行模 拟，主要通风机工况点静压2 920 Pa,风量16 421 m7min ,功率445k W,模型误差为4.25,在误差 允许的范围之内，即模型建立合理。 4研究分析 4.1通风系统存在的问题 （1） 斜沟煤矿通风系统风路长、通风调节设 施多，导致系统通风阻力大，采区内角联巷道多, 通风系统稳定性差，采区内部通风阻力大，回风井 主扇在高负压状况下运行，如石吉塔沟回风斜井为 2 900 Pa 左右。 （2） 采掘工作面布置不合理，采掘工作面布 置集中，且工作面数量多，通风系统较复杂。 （3） 局部地点通风设施设置不合理，增设调 节窗增大了局部通风阻力。 79 2020年第4期 煤炭与化工 第43卷 4.2优化方案 根据斜沟矿矿井开拓、开采布置、生产衔接安 排，并结合现有通风系统情况，提出优化方案。 利用建立的矿井通风仿真模拟系统对斜沟矿石 吉塔沟回风斜井通风系统各用风地点调节窗口进行 调整，同步增大调节窗大小、减小调节闭阻力，达 到降低通风系统总阻力，增加系统总风量、各用风 地点风量的目的，即石吉塔沟回风斜井服务区域 （11采区、12采区）的主要用风地点的调节风窗扩 大、降低局部通风阻力。 优化前、优化后石吉塔沟回风斜井主要通风机工况 点如图1、图2所示。 图1优化前主要通风机工况点 Fig . 1 Op erat in g p o in t o f main ven t ilat o r befo re o p t imizat io n [Ke- si sit 郸I * 图2优化后主要通风机工况点 Fig . 2 Op erat in g p o in t o f main ven t ilat o r aft er o p t imizat io n 通过对比调整前后石吉塔沟回风斜井负压、 风量及功率的变化，发现各用风地点风量满足要 求，石吉塔沟回风斜井负压下降440 Pa,风量增加 1 160m7min ,功率降低49 k W,达到预期效果。 5结 语 建立矿井通风仿真模拟系统，系统中各风路中 风量与实际误差较小，模型误差4.25,在合理误 差范围，该模型可反映矿井风量实际运行情况。利 用模拟系统对斜沟煤矿通风系统进行优化，石吉塔 沟回风斜井负压下降440 Pa,风量增加1 160 m3/min ,功率降低49 k W,达到了预期效果，主要 通风机节省电费275万元/a。 参考文献 [ 1] 毕文广，朱方平，柳明明.基于Ven t sim系统的煤矿三维通 风仿真技术[ J]煤矿安全，2011 （2） 30-33. [ 2] 郑建国，张文宇，赵怀璞，等.基于Ven t sim的大型矿井复 杂通风系统优化[ J].煤炭技术，2016（7） 201-203. [3 ] 李孜军，陈艳丽.基于Ven t sim的矿井通风风阻参数优化[J ]. 金属矿山,2014（3） 136- 140. [ 4] 邓红卫，张瑞，雷涛，等.基于Ven t sim的云锡新山矿 段通风系统优化研究[ J].采矿技术，2010, 10（4） 74- 76, 90. （上接第77页） 电机车将料车牵引至端面货物初始位置，推车 机回退至该端面位置，电机车脱离，推车机与料车 连接，将推车机制动闸制动，合上离合器，将料车 推至另一端面货物送到位置，再由电机车将料车牵 引至其他使用地点。 该机车的使用解决了以往小绞车牵引时绷绳、 脱扣、断绳等安全隐患，也避免了绞车牵引时无法 转弯的问题，同时采用压风驱动，杜绝了失爆、漏 电等重大安全事故的发生，极大地降低了煤矿井下 事故率。 3结语 新型气动机车设计合理、机构紧凑小巧、性能 稳定、操作简单、可靠性强、具有一定的独创性。 该机型满足井下日常巷道运输短距离搬运需求，驱 动介质环保无污染，并且没有失爆隐患。在煤炭生 产形势日益严峻的情况下,通过先进的科学技术设 计出适应煤矿生产的移动设备来提高工作效率，保 障作业人员人身安全，以最小的投入获取最大的效 益，达到节支降耗的目的，具有很好的推广价值和 应用前景。 参考文献 [ 1] 薛增山.井下小绞车钢丝绳定向装置的研制及应用[j ].能源 2013, （3） 327. [ 2] 张群生.液压与气压传动[ M].机械工业出版社，2002. [3 ] 乔相周，田海新.基于煤矿电机车运输制动装置的研究[J]. 工程技术 仗摘版），2016 （5） 00318. 80