邓红卫,张 瑞,雷 涛,易东福

(中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

基于VENTSIM的云锡新山矿段通风系统优化研究＊

邓红卫,张 瑞,雷 涛,易东福

(中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

根据云锡卡房新山矿段矿井回风困难的实际情况,利用SurpacVision、3DMine和Ventsim软件建立了1800～1900m中段三维通风系统网络解算模型,确定“1900m～地表”斜井新增工程,提出新增工程后的3种通风系统优化方案,并进行风网解算。结果表明:新建工程选址合理,和原有工程形成了完整合理的通风网络系统。通过分析比较各通风方案的风速、通风阻力、风机数量及采场风量要求,确定了最优通风方案。

Ventsim;三维通风系统模型;风网解算;方案优化

本文在前人的研究基础上,结合CAD、Surpac Vision、3D Mine矿业工程软件及Ventsim通风模拟软件,建立云锡新山矿段通风系统三维数字模型和系统网络图,并提出3种通风系统方案分别进行风网解算,确定满足矿山风量要求的最优通风系统方案和相关风机选型。

1 工程概况及Ventsim简介

1.1 工程背景

云锡集团卡房新山矿段开发生产区是一个集钨、钼、铋等多金属于一体的缓倾斜矿床,目前通过1800、1870、1900、1925、1946、1960和2000中段等工程及3个进风口和1处回风工程形成两翼进风、中部回风的独立通风系统。但由于生产重心不断下移到1870～1800m中段,通风方式的不合理性和通风系统的不完善性逐渐凸显,矿井内氡浓度较高、氡子体放射性危害和含砷粉尘化学危害较严重。目前1900中段以下工程的风路较混乱,且经过采场工作面的风量不足,不能很好地满足1900中段以下的生产通风需要。为解决上述问题,需增加新的工程,并对已经形成的通风系统进行优化。

新增工程为1900m通地表斜井工程。通过3D Mine和Surpac软件模拟,综合考虑设备、物质的运输,拟将斜井地面位置选在坐标约为(X:119531,Y:572306)处,标高1960m,斜井工程从该点垂直连至1900中段,保证工程量最短。新增工程与各中段位置及连接情况如图1所示。

图1 通风系统网络及新增工程

1.2 Ventsim软件简介

Ventsim软件是一款实用性较强的矿井通风仿真模拟软件。该软件可建立直观的矿井三维通风系统模型,通过路径模拟、风网解算和风机设置,对通风系统的效果进行模拟检测、控制与优化设计。具有系统可视化、现状模拟、未来规划编制与模拟、协助选择风机和通风构筑物类型及数量、模拟规划或紧急情况下烟雾或气体的运动路径、模拟矿井最优配风方案和协助通风方案进行财务分析等主要功能。

软件采用Hardy-Cross迭代法求解通风网络,通过迭代次数的网络调整,寻找可接受的解决方法。其算法如下:式中:△Qk为回路风量增量值;k=1,2,…,M,M为独立网孔数;ak为风机特征曲线斜率dHf/dQ。

该式适用于网孔中有风机和自然风压作用的情况。当流经的真实风量为Q时,其阻力消耗可由阻力定律h=RQ2计算,如图2所示。

图2 Hardy-Cross方法中的风量降压关系

2 模型的构建

2.1 模型的建立

根据新山矿段井巷工程的实际布局及数据,借助SurpacVision和3D Mine矿业工程软件,清除对网络优化没有影响或影响极小的工程,建立矿段通风系统工程的三维数字模型,如图1所示。

将模型导入Ventsim软件,进行包括风路断面尺寸、风阻、巷道支护形式、压降差等的风路属性的赋值,完成通风系统网络解算框架图的绘制与初步优化。其计算过程如图3所示。

图3 通风系统风网解算及优化流程

2.2 风路描述

整个通风系统分为两条风路。

第1条风路主要服务于1870中段和部分1800中段区域。通风方式为两翼进风、中央回风,风流方向如图4所示。

第2条风路主要服务于部分1800中段,风流方向如图5所示。

图4 第1条风路网络示意

图5 第2条风路网络示意

2.3 通风方案介绍

本次优化建立了3种通风方案,3种优化方案的基本情况如表1所示。

表1 方案描述

3 风网解算及方案优化

3.1 通风系统阻力与功率消耗的风网解算

各方案进、回风处风路长度、通风阻力、功率消耗分布及占系统比值的情况如表2所示。

表2 进、回风处风路阻力与功率消耗分布

3.2 方案风网解算与优化

3种方案主扇优化选择时相关参数风网解算的结果如表3所示。各方案最终解算结果及新增工程处的通风效果如表4所示。

表3 主扇风网解算优化选择结果

3.3 结果分析

(1)上述风网解算表明,新增1900m至地表斜井使新山矿区1800、1870、1900中段和地表及其间相应采场中形成了完整的通风网络系统,保证了新鲜风流充分洗刷工作面,污风及时排出。

(2)由表2可知,1800、1870中段坑口进风段通风阻力较小,分别为0.06643Ns2/m8和0.01625 Ns2/m8,占系统总阻力的23.1%和5.6%,而1900 m至地表斜井回风段的阻力(0.16588Ns2/m8)较大,占系统总阻力的57.6%,表明通风系统的阻力主要集中在1900m至地表的斜井回风段,自然风压作用下,通风系统的负压和功率将主要消耗于斜井回风段,进一步说明了1900m至地表斜井工程的必要性;通风系统优化后,3种方案的功率消耗均较小,以方案一为例,3处进、回风段功率消耗分别为3.1,1.3,82.0kW,占总功率消耗的1.3%,0.5%和34.6%,而优化前各段通风阻力分别为系统总阻力的23.1%、5.6%和57.6%。综合分析表明,该新增工程选址合理,改善了系统当前通风状况。

表4 各方案通风网络解算结果

(3)对比3种方案的通风效果,压入式方案最合理。首先考虑各中段的风量和风速:3种方案1900m至地表斜井的风速分别为13.2,10.8,13.4 m/s,均小于《地下矿通风规定》中通风系统专用总回风道风速≤15m/s的指标规定;方案一和方案三的总回风量大体相同,分别为79,80m3/s,满足78 m3/s的采场总需风量要求,而方案二总风量仅64 m3/s,无法满足该要求。其次考虑整个系统所需的通风设备数量、电力消耗等因素,方案一的通风阻力0.28789Ns2/m8略大于方案三(0.28452Ns2/m8),但前者使用的通风机(7个)较少,总功率和电费均小于方案三,表明该方案通风动力消耗较少,通风费用较低。综合考虑通风系统的经济合理性及技术可行性,对比得出方案一要优于其他方案。这与云锡公司矿井为含氡危害矿井,采用压入式供风,可使进风部分和用风部分处于正压状态,防止氡和氡子体向矿内渗流而污染风源的要求相符。

(4)3种方案选择的主机性能与通风网络匹配较好。以方案一为例,参考《地下矿通风规定》中相关规定,2台主扇效率都为73%,大于60%,1800,1870中段进风道风速分别为6.0m/s和7.1m/s,满足通风系统主要进风道风速≤8m/s的指标规定,而1900m至地表斜井作为该通风系统专用总回风道,风速为13.2m/s,小于15m/s的指标规定,模拟解算风压也满足不超过风机性能曲线上最大风压的90%～95%的要求。

4 结 论

(1)利用Surpac Vision、3D Mine和Ventsim软件建立了新山矿区三维立体通风系统仿真模型。

(2)采用Ventsim软件,对三维通风系统模型进行现状模拟,并根据实际要求增设1900m至地表的斜井工程,以解决实际回风困难的问题。

(3)提出设立新增斜井工程后的3种通风系统优化方案,分别基于Ventsim软件进行风网解算,形成了通顺、完整的通风系统网络图。确定了主扇和辅扇选型及位置,通过比较相应参数,提出压入式的通风系统优化方案,及时解决了矿井回风困难的问题,为矿山实际生产和管理提供指导和依据。

[1]陈开岩.矿井通风系统优化理论及应用[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[2]谢贤平,赵梓成.矿井通风系统优化设计的研究现状与发展方向[J].新疆有色金属,1995,(4):14～19.

[3]高 玮.蚁群算法在矿井通风系统优化设计中的应用[J].矿业研究与开发,2004,24(6):91～94.

[4]董宪伟,蔡嗣经,杨 鹏,等.矿井通风系统优化方案评价的逼近理想解方法[J].煤炭科学技术,2008,36(8):58～61.

[5]谢贤平,冯长根,赵梓成.矿井通风系统模糊优化研究[J].煤炭学报,1996,24(4):379～382.

[6]王洪德,马云东.采用模糊综合评价法判定矿井通风系统的可靠性[J].煤矿开采,2002,7(2):55～57.

[7]林晓飞,曹庆贵,刘业娇.矿井通风系统优化调节研究[J].安全与环境学报,2006,6(S):79～80.

[8]谢贤平,赵梓成.灰色聚类法在矿井通风系统评价中的应用[J].工业安全与防尘,1991,(1):1～5.

[9]武卫东,景国勋,魏建平.灰色关联分析法在平六矿通风系统方案(近期)优化中的应用[J].煤炭学报,2001,26(3):290～293.

[10]郁钟铭,伍宇光.层次分析法(AHP)在矿井通风系统方案优化中的应用[J].贵州工业大学学报,1997,26(5):62～69.

[11]罗云庆,杨 迎,马 超.矿井通风系统未确知测度安全评价方法研究及应用[J].矿业安全与环保,2006,33(1):81～85.

[12]陈 君.基于人工神经网络的矿井通风系统安全可靠性评价[J].矿业安全与环保,2007,34(3):60～61.

[13]杨应迪,张国枢,秦汝祥,等.基于矿井通风系统图的网络信息交互式采集技术[J].煤炭科学技术,2008,36(6):79～82.

[14]吴 超.矿井通风与空气调节[M].长沙:中南大学出版社,2008.

“强省计划”云南省省院省校合作项目(2008023B005).

2010-03-18)

邓红卫(1969-),男,湖南岳阳人,副教授,主要从事地质勘察与矿山安全方面的研究与教学工作,Email:denghw208@126.com。