基于3DVent通風軟件的礦井通風網(wǎng)絡解算研究

冉光建 陳紹清

(重慶科技學院安全工程學院，重慶 401331)

礦井通風方法根據(jù)風流獲得的動力來源不同，可分為機械通風和自然通風2種。礦井機械通風利用扇風機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的通風動力，致使空氣在井下巷道流動的通風方法稱為機械通風。礦井機械通風系統(tǒng)由通風機和通風網(wǎng)絡2部分組成。新鮮風流通過通風機由入風井口進入礦井后，經(jīng)過井下各用風場所，然后進入回風井，由回風井將污風排出礦井。風流所經(jīng)過的整個路線稱為礦井通風網(wǎng)絡，它由一系列縱橫交錯的井巷構(gòu)成［1］。用相對直觀的幾何圖形來表示通風網(wǎng)絡從而得到通風網(wǎng)絡圖。

礦井通風網(wǎng)絡解算是一個非常復雜的計算過程，而傳統(tǒng)的通風網(wǎng)絡解算軟件需要對礦井通風網(wǎng)絡圖中的節(jié)點和分支編號的原始數(shù)據(jù)進行手工分析和輸入，在通風網(wǎng)絡解算中是一項費時費力的工作。隨著科技的發(fā)展和時代的進步，計算機技術(shù)將會越來越廣泛地應用到礦井通風網(wǎng)絡解算領(lǐng)域。

1 3DVent軟件的解算原理

礦井通風的關(guān)鍵在于要解決好風流流量在各用風場所的合理分配。到目前為止，礦山的通風網(wǎng)絡都較復雜，由眾多包含串、并、角聯(lián)在內(nèi)結(jié)構(gòu)復雜的網(wǎng)絡組成，而其各分支風量的分配難以直接求解。通過運用風量分配的基本定律建立數(shù)學方程式，然后用不同的數(shù)學手段，可求解出網(wǎng)路內(nèi)各分支自然分配的風量。它是以網(wǎng)路結(jié)構(gòu)和分支風阻為條件，求解網(wǎng)路內(nèi)風量自然分配的過程。

傳統(tǒng)的礦井通風設(shè)計方法是將礦井中各用風場所的風量統(tǒng)計出來成為全礦的總需求風量，并對礦井各用風地點要求強制分配風量，這種分配風量的方式?jīng)]有根據(jù)礦井在不同生產(chǎn)時期最困難的風路需要再次分配風量以及進行相應的負壓計算和選擇合適的風機。該方法沒有能夠充分地考慮到在復雜的礦井通風網(wǎng)絡中各分支的串、并和角聯(lián)等實際情況，從而在井下各用風地點難以合理地分配風量，并不能精確在不同生產(chǎn)時期最困難風路的各用風場所的風阻和風量，而使礦井通風設(shè)計產(chǎn)生較大的偏差，故是不合理的。

風流在通風網(wǎng)路中流動時，都遵守風量平衡定律、風壓平衡定律和阻力定律，反映了通風網(wǎng)路中3個最主要的通風參數(shù)——風量、風壓和風阻間的相互關(guān)系，是復雜通風網(wǎng)路解算的理論基礎(chǔ)。目前，解算通風網(wǎng)路使用較廣泛的是回路法，即首先根據(jù)風量平衡定律假定初始風量，由回路風壓平衡定律推導出風量修正計算式，逐步對風量進行校正，直至風壓逐漸平衡，風量接近真實值。3DVent通風軟件解算和模擬的核心原理是Hardy－Cross算法，通過搜索礦井通風網(wǎng)絡中的最小連通圖，并將其作為獨立的閉合回路成為計算單元，然后通過解算使網(wǎng)孔的環(huán)路壓降為0。其主要的工作原理就是通過運用風量分配的基本定律建立數(shù)學方程組，首先擬定一組風量初值，然后對原方程組逐次線性化進行求解，求出對各風量值的一組風量修正值，分別對各回路風量進行修正;然后再進行下一次迭代，計算出新的風量修正值，再對各回路風量進行修正。經(jīng)過反復多次的迭代計算、修正，使修正后的風壓逐漸趨于平衡，而修正后的風量逐步逼近于真實值，直到小于預先給定的某個精度為止，這樣得出的風量即為要求的風量。礦井通風網(wǎng)絡解算的數(shù)學原理是圖論原理［2］。設(shè)礦井通風網(wǎng)絡的分支數(shù)為N，節(jié)點數(shù)為J，按圖論有關(guān)樹的理論，該通風網(wǎng)絡的獨立回路數(shù)為M=N －J+1。其數(shù)學模型如下［3］:

當回路中無風機的時候，則:

式中:△Qi—礦井中各個獨立回路的風量校正值;aij—風道風向系數(shù);Rj—第j號風道的風阻;Qj—第j號風道的風量;Hnj—在第i號獨立回路內(nèi)第j號風道上的自然風壓;Hfj—第i號獨立回路內(nèi)第j號風道上風機的風壓;dHfjdQj—安裝在該獨立回路第j號風道上的風機特性曲線在風量Qj點的斜率。

2 應用實例進行模擬

2.1 實例簡介

某礦設(shè)計開采能力為200 kta，采用平硐開拓方式，房柱采礦法開采，井下采用翻斗汽車運輸，裝載機裝車，頂板管理方式為自然跨落法;礦井使用機械排水，采用分列式通風方式，機械抽出式通風方法，由主平硐、回風平硐及采區(qū)巷道等組成的簡單串、并聯(lián)通風網(wǎng)絡。新鮮風流由主平硐進入+722 m運輸大巷，經(jīng)過+715 m運輸平巷，到達各用風工作面和硐室，污風由回風平巷，最后到達回風平硐排出地面。

2.2 模擬礦井通風巷道

利用3DVent通風軟件所提供的三維可視化平臺，對礦山的巷道結(jié)構(gòu)進行三維模擬，能夠讓人更加直觀地了解礦山通風井巷的位置、長度和連接關(guān)系。模擬出的礦山巷道結(jié)構(gòu)三維模型既有助于礦山企業(yè)人員對井下通風巷道情況的了解和認識，也可以結(jié)合監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)加強對井下作業(yè)場所和人員的管理。

在礦山通風巷道模擬完成后，就獲得了傳統(tǒng)意義上的礦井通風系統(tǒng)圖。并在此基礎(chǔ)上利用3DVent通風軟件提供的功能編輯各用風巷道的斷面面積和周長，并依據(jù)其巷道的支護方式和形狀來確定各巷道的風阻值。

3 礦井通風網(wǎng)絡解算

礦井通風系統(tǒng)圖能夠直觀地反映通風井巷的風流方向、風量和通風設(shè)施等，對礦山井巷的空間布置要與實際相同，這是正確生成通風網(wǎng)絡圖并進行解算的基礎(chǔ)。利用3DVent通風軟件對某礦山首采區(qū)的風量進行解算，流程如下:

(1)建立巷道三維通風網(wǎng)絡系統(tǒng)圖

巷道結(jié)構(gòu)三維通風系統(tǒng)圖的建立，可以應用單段單線及三維方法表示出通風系統(tǒng)的各相關(guān)巷道，從而形成礦井通風系統(tǒng)圖。

(2)輸入初始數(shù)據(jù)

在輸入原始參數(shù)的同時，還需要根據(jù)礦井實際的情況對相應的巷道長度、風阻、斷面面積及周長等參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整。輸入主要原始參數(shù)見圖1。

圖1 參數(shù)的初始化

(3)編輯巷道相關(guān)參數(shù)

對礦山首采區(qū)的主要巷道進行編輯，將主需風量輸入進風巷道后，軟件會自動根據(jù)通風網(wǎng)絡引導進行風量分配。各巷道類型及參數(shù)見表1。

表1 各巷道類型及參數(shù)

(4)檢查通風網(wǎng)絡情況

通過檢查通風網(wǎng)絡及其參數(shù)，確定其是否已形成正常回路，否則不能進行正常解算。通風檢查報告如圖2所示。

圖2 通風檢查報告

(5)局扇風機選型

在風機應用中，除了滿足對其流量、風壓的要求之外，還應考慮對風機高效運行的要求，這是合理選擇風機的一個重要因素。風機性能是風機合理選型的依據(jù)，風機性能的表示方法不同，風機選型的方法也不同。主要方法如下:

①利用風機性能表選擇風機;

②利用風機性能曲線選擇風機;

③利用風機無量綱性能曲線選擇風機;

④利用風機的性能選擇曲線選擇風機。

3DVent通風軟件的方法是利用風機性能曲線選擇風機，這是一種最基本且較簡單的方法之一。此方法便于工況調(diào)節(jié)的分析和調(diào)節(jié)參數(shù)的確定，利用性能曲線的比選性較差。風機選型報告見圖3。

圖3 風機選型報告

(6)礦井網(wǎng)絡解算

在通風檢查無誤并且風機選型合理后可對通風網(wǎng)絡進行解算，即迭代計算。迭代計算后的結(jié)果會顯示在巷道左右側(cè)，主要是風量、巷道編號和風機參數(shù)等。通風網(wǎng)絡解算見圖4。

圖4 礦井首采區(qū)的通風網(wǎng)絡解算圖

由礦井首采區(qū)的通風網(wǎng)絡解算圖可以直觀地得出礦井的通風系統(tǒng)報告，報告中涉及巷道系數(shù)等共8個參數(shù)，礦井通風系統(tǒng)報告如圖5所示。

圖5 礦井通風系統(tǒng)報告

4 結(jié)語

3DVent通風軟件采用三維可視化操作，畫面清晰，簡單易學。通過對該軟件的利用，可以對礦井通風網(wǎng)絡進行解算，從而有效地模擬礦山風量的分配。隨著政府對礦山的重視，數(shù)字化礦山越來越普及，3DVent通風軟件將在礦山設(shè)計和生產(chǎn)中得到更為廣泛的應用，但是在通風系統(tǒng)網(wǎng)絡解算中對網(wǎng)絡解算結(jié)果的可靠性分析不足，應加強軟件的后期完善。

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