地下非煤礦山提升系統(tǒng)物理仿真平臺構(gòu)建及應(yīng)用

莫東旭 侯朋遠 張偉峰 徐 帥

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819;2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽110819)

提升系統(tǒng)是礦山井生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，是聯(lián)系地表和井下的咽喉要道，因而從整體上把握系統(tǒng)的構(gòu)成及運行方式顯得尤為重要［1］。近年來隨著3Dmine、Ventsim 等虛擬仿真軟件的應(yīng)用，降低了對提升系統(tǒng)理解的難度，同時也簡化了提升系統(tǒng)中確定性問題的求解過程，但對提升系統(tǒng)的不確定性問題(比如提升能力、摩擦風阻等)仍未解決［2］。物理模型試驗(即按照不同比例建立與原型相似的裝置)可以幫助試驗者分析現(xiàn)象的本質(zhì)和機理，進而解決工程實際問題，同時也可檢驗?zāi)承┕こ碳僭O(shè)的正確性。

現(xiàn)階段針對提升能力、摩擦風阻校核的研究較多。郭金龍［3］分析了制約煤礦主井提升機提升能力的主要因素，提出了提高主井提升機提升能力的有效技術(shù)途徑;路培超［4］提出采用由里向外核算法確定礦井通風能力，提出了一套新的煤礦通風能力核定方法，核定的方法和內(nèi)容更符合煤礦安全生產(chǎn)實際;柳明明提出的Ventsim 三維通風仿真系統(tǒng)在金屬礦山的應(yīng)用可以實現(xiàn)風網(wǎng)解算、風流模擬、熱模擬、經(jīng)濟性模擬的功能，能夠滿足金屬礦山三維通風系統(tǒng)管理的要求等［5-8］。這些研究成果雖然為提升系統(tǒng)的設(shè)計提供了部分有力依據(jù)，但沒能完全解決設(shè)計階段參數(shù)選擇不合理等問題。為解決這些難題，本研究構(gòu)建一種提升系統(tǒng)物理仿真平臺，通過改變井筒直徑、罐籠尺寸和罐籠提升速度，進行提升能力和摩擦風阻的校核試驗，為礦山提升系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)和支撐。

1 平臺構(gòu)建

物理仿真也稱實體仿真，一般仿真的過程是以物理性質(zhì)和幾何形狀相似為基礎(chǔ)，而其他性質(zhì)不變的仿真。它是在系統(tǒng)的物理模型上進行試驗的技術(shù)，具有實時性。

仿真系統(tǒng)在礦井安全生產(chǎn)中運用廣泛，比如模擬礦井開采、安全培訓、設(shè)備虛擬制造等。通過利用仿真虛擬技術(shù)，可以實現(xiàn)在現(xiàn)實礦井中生產(chǎn)的各種場景，逼真地描繪出井下的生產(chǎn)過程以及運作的手段，對于礦山的安全生產(chǎn)有著重要的作用［9］。本物理仿真平臺按照1 ∶100 比例制作，分別由可替換井筒、井筒內(nèi)通用裝配組件(梯子、電纜、罐道梁、罐道、風水管路等)、可調(diào)容積的罐籠、固定裝置、提升裝置等構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 固定裝置和提升裝置實物Fig.1 Pictures of fixed set and hoisting devices

(1)可替換井筒。平臺配備4 種直徑分別為65、70、80、90 mm，長度均為1 m 的圓形井筒。在每種井筒豎直方向上每隔20 cm 鉆4 個兩兩平行的孔，孔徑均為3 mm，用以安裝罐道梁，同一水平上罐道梁之間的距離由罐籠寬度決定，如圖2 所示。通過可更替的井筒并配合相應(yīng)尺寸的罐籠，完成通風性能和提升能力核算。

圖2 井筒模型Fig.2 Shaft model

(2)可調(diào)容積的罐籠。平臺通過改變主體罐籠隼接式連接件中間卡隼的橫向長度來調(diào)整罐籠的寬和高，改變縱向長度來調(diào)整罐籠的長，進而改變罐籠的體積。罐籠體積從67.1 cm3至164.8 cm3共40 種調(diào)整方案，一方面能夠通過改變井筒直徑并配合相應(yīng)尺寸的罐籠，進行提升能力的核算，另一方面通過測試3 種情況下(靜止狀態(tài)、罐籠運動狀態(tài)、不同直徑的井筒)的風壓和通過的風量，核算相應(yīng)情況下的風阻和井筒的摩擦風阻，如圖2 所示。

(3)井筒內(nèi)通用裝配組件。井筒內(nèi)通用裝配組件包括:①梯子間。由梯子、梯子間隔板和梯子間平臺構(gòu)成，用作安全出口和井筒內(nèi)各種設(shè)備檢修。②管纜間。由風水管路、電纜和隔板構(gòu)成，用作布置排水管、壓風管、供水管、下料管等各種管路和動力、通訊、信號等各種電纜。③提升間。由罐道、罐道梁構(gòu)成，用作布置提升容器，減少提升容器運行時的橫向擺動。

(4)固定裝置。固定裝置由底座、豎直桿、喉箍桿、喉箍、平臺桿、提升平臺構(gòu)成。其中底座用于支撐整個固定裝置，連接底座的豎直桿用于固定喉箍桿和平臺桿;使用喉箍桿和平臺桿將喉箍和提升平臺固定在相應(yīng)高度。通過固定裝置將井筒、卷揚機固定，為后續(xù)仿真平臺搭建提供支撐，如圖3 所示。

圖3 固定裝置和提升裝置示意Fig.3 Schematic diagram of fixed sets and hoisting devices

(5)提升裝置。提升裝置包括:①微型卷揚機。將微型卷揚機與PLC 控制系統(tǒng)連接，通過PLC 編程語言實現(xiàn)微型卷揚機轉(zhuǎn)速的控制，使得罐籠在井筒中平穩(wěn)地運行。②天輪模型。天輪被安置在井筒正上方，撐起連接微型卷揚機和罐籠的鋼絲繩，并引導(dǎo)鋼絲繩轉(zhuǎn)向。如圖3 所示。

2 教學演示

(1)井筒裝配演示。將井筒用亞克力板隔成提升間、管纜間和梯子間。在提升間的上下兩端采用黏接方法固定安裝由鋁合金制作的罐道梁，在上下罐道梁上安裝鋁合金制作的罐道。采用4 個罐籠“L”形轉(zhuǎn)角、配合4 個罐籠隼接式連接件構(gòu)成罐籠。在罐籠的兩側(cè)面分別安裝由鋁合金制作并與罐道相對應(yīng)的罐耳。提升鋼絲繩的下端固定在罐籠的頂部，如圖2所示。在井筒的一側(cè)自上而下距井筒頂部30、60、90 cm 處順著罐籠開口方向分別開設(shè)與折返式井底車場、盡頭式井底車場和環(huán)形井底車場相對應(yīng)的馬頭門，圖4 所示。

圖4 井筒與井底車場連接示意Fig.4 Connection of shaft and shaft bottom

(2)提升控制演示。將裝配好的井筒通過喉箍固定在固定裝置上，在提升裝置的提升平臺上安裝1個微型卷揚機，如圖3 所示。將微型卷揚機與PLC控制系統(tǒng)相連。在馬頭門兩側(cè)布置紅外傳感器，當車廂被推入或拉出罐籠時，紅外傳感器接收到信號，將信號傳至PLC 控制系統(tǒng)。在井筒靠近馬頭門的位置布置紅外傳感器，當罐籠運行紅外傳感器位置時，紅外傳感器接收到信號，將信號傳至PLC 控制系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)將上述2 種信號綜合處理，將處理信號傳給微型卷揚機，實現(xiàn)控制罐籠向下或向上運動。

(3)提升過程演示。裝載空車廂的罐籠沿著罐道在提升鋼絲繩的牽引下向下平穩(wěn)運行，在微型卷揚機的控制下，使罐籠保持78 mm/s 的速度，由地表水平勻速運行分別至環(huán)形、盡頭式和折返式井底車場處停住，使用電動機車將空車廂從罐籠中拉到環(huán)形井底車場裝礦處，進行手動裝礦，再把重車廂推入罐籠中，將載有重車廂的罐籠拉至地表水平手動卸礦，再將空車廂推送至罐籠，完成1 次循環(huán)。

3 提升系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 提升系統(tǒng)的方案初選

對于已經(jīng)投產(chǎn)的礦山，現(xiàn)有系統(tǒng)是否有提升改進的空間、是否最優(yōu)的問題涉及到礦山的安全生產(chǎn)以及生產(chǎn)成本，是十分重要的。然而借助常規(guī)的方法進行理論計算，準確性差;借助工業(yè)試驗，需要礦山停產(chǎn)進行系統(tǒng)變更，而變更設(shè)備需要大量的人力、物力與財力的投入。以上問題可以借助物理仿真平臺妥善解決。提升系統(tǒng)的主要組成部分是井筒和罐籠，不同提升方案也是通過改變井筒的直徑和罐籠的體積來實現(xiàn)的。本仿真平臺配備65、70、80、90 mm 共4 種不同直徑的井筒，罐籠體積從67.1 cm3至164.8 cm3共40 種調(diào)整方案。通過不同直徑的井筒與不同體積的罐籠搭配出160 種提升系統(tǒng)。針對不同生產(chǎn)能力的礦山，進行提升系統(tǒng)方案選擇比較時，對初選方案進行仿真模擬。

3.2 生產(chǎn)能力的核算

對新建礦山或新設(shè)計的系統(tǒng)，預(yù)設(shè)礦山生產(chǎn)能力，按照經(jīng)驗法或類比法獲得礦山數(shù)個可行的方案，進行比較與優(yōu)選，除了進行理論分析之外，還可利用仿真平臺進行方案的驗證。

保持恒定的提升速度，改變井筒直徑Dj，配套選用合適的中間卡隼，改變罐籠的體積以配合井筒。進行n 次提升循環(huán)，計算模型提升量

式中，AS為模型單位時間提升量，g/h;Qn為n 次提升量，g;T 為n 次提升時間，h。

將計算得到的模型單位時間提升量按模擬礦石、礦石密度和縮放比例核算成真實礦山的單位時間提升量

式中，AZ為真實礦山單位時間提升量，t/h;q 為礦石密度，g/cm3;qm為模擬礦石密度，g/cm3;m 為縮放比例(通常為1 ∶100)。

保持井筒直徑不變，選用相適合的罐籠，調(diào)節(jié)罐籠的提升速度Vi，重復(fù)上述步驟，即可得到在相同直徑井筒、不同提升速度Vi情況下的單位時間提升量。通過得到的單位時間提升量再核算出礦山的生產(chǎn)能力，與原設(shè)計的礦山生產(chǎn)能力作比較，進而調(diào)整礦山的提升方案，實現(xiàn)提升系統(tǒng)的優(yōu)化。

3.3 提升實例分析

利用仿真平臺對某礦山的生產(chǎn)能力進行核算，某礦山設(shè)計生產(chǎn)能力6 Mt/a，設(shè)計井筒直徑6.5 m，某礦山與模型參數(shù)對比如表1 所示。將計算得到的有效單位時間提升量換算成真實礦山的有效單位時間提升量，得出核算的生產(chǎn)能力為5.87 Mt/a。5.87 Mt/a 和6 Mt/a 相差得不多(約2%)，說明該礦山的提升能力基本上可以滿足提升需求，并且不會造成太多的浪費。如果核算數(shù)據(jù)與礦山設(shè)計出入較大，則需對設(shè)計進行修改。如果提升能力核算結(jié)果大于設(shè)計生產(chǎn)能力，需要更換小尺寸罐籠和小直徑的井筒;反之更換大尺寸罐籠和大直徑的井筒。然后重新挑選提升系統(tǒng)模型進行核算，直到設(shè)計提升能力和核算結(jié)果相接近為止。也可對提升速度進行調(diào)節(jié)，但減慢罐籠速度會造成能量的浪費，加速罐籠速度會造成礦山安全隱患，故一般不采用改變罐籠提升速度的方法。

表1 某礦山與提升模型參數(shù)對比Table 1 Parameters comparison of hoisting model with a mine

4 通風性能的優(yōu)化

現(xiàn)階段礦井通風性能的確定方法主要是通過解算通風網(wǎng)絡(luò)的方法進行粗略計算，計算過程中涉及到各種系數(shù)的確定，造成摩擦風阻計算不準確。然而借助仿真平臺，通過測試手段對井筒的摩擦風阻進行確定，可以減少誤差，更合理地選擇通風設(shè)備，進而在保證安全生產(chǎn)的條件下優(yōu)化通風性能。

如圖5 所示，沿著井筒方向由上至下3 個測點對應(yīng)3 條運輸巷道，其所需風量分別計為Q1、Q2、Q3，則由風量平衡定律［10］得出鼓風機鼓風量Q0=Q1+Q2+Q3，據(jù)此初選合適的風機。

圖5 摩擦風阻核算Fig.5 Accounting of wind friction resistance

使用皮托管測量井筒上下的風壓差H，通過式(3)計算可得總摩擦風阻R0:

式中，R 為風阻，N·s2/m8;H 為通風阻力(風壓差)，Pa;Q 為風量，m2/s。

4.1 罐籠不同運動狀態(tài)下摩擦風阻核算

調(diào)整卷揚機的轉(zhuǎn)速改變罐籠的提升速度vi，使用鼓風機從井筒上端向井筒內(nèi)鼓風，并用風量測量計測量鼓入風量的大小Qi1，使用皮托管測量井筒上下的風壓差Hi1，通過式(3)計算可得摩擦風阻Ri1，改變風機鼓入風量，重復(fù)上述步驟計算得到摩擦風阻Ri2、Ri3，計算其平均值即為井筒在提升速度Vi下的風阻Ri。取Ri與Ri0中較大值參照式(4)計算得到的模型摩擦風阻按縮放比例核算成真實礦井的摩擦風阻，這樣既能滿足礦井風量的要求又能克服礦井的摩擦阻力:

式中，RZ為真實礦井的摩擦風阻，g/h;m 為縮放比例(通常為1 ∶100)。

4.2 不同直徑井筒摩擦風阻核算

在井筒直徑為Dj情況下，調(diào)整卷揚機的轉(zhuǎn)速使罐籠的提升速度保持恒定，使用鼓風機從井筒上端向井筒內(nèi)鼓風，并用風量測量計測量鼓入風量的大小Qj1，使用皮托管測量井筒上下的風壓差Hj1，通過式(3)計算可得摩擦風阻Rj1，改變風機鼓入風量，重復(fù)上述步驟計算得到摩擦風阻Rj1、Rj2，計算其平均值即為井筒直徑為Dj下的摩擦風阻Rj。取Rj與R0中較大值參照式(4)計算得到的模型摩擦風阻按縮放比例核算成真實礦井的摩擦風阻。

4.3 罐籠靜止情況下摩擦風阻核算

模擬井筒壓入式通風的風阻。首先使罐籠在井筒中保持靜止，使用鼓風機從井筒上端向井筒內(nèi)鼓風，并使用風量測量計測量鼓入風量的大小Q1，使用皮托管測量井筒上下的風壓差H1，通過式(1)、式(2)計算可得摩擦風阻R1，改變風機鼓入風量，重復(fù)上述步驟計算得到摩擦風阻R2、R3，計算其平均值即為該井筒在罐籠靜止狀態(tài)的摩擦風阻RJ，如圖5 所示。利用RJ與滿足各個運輸巷道通風要求時的摩擦風阻Ri0，結(jié)合礦山井下摩擦風阻、自然風壓和所需風量核算當井筒或井筒內(nèi)設(shè)備維修時所需風壓，進而調(diào)整風機鼓入風量，或者更換風機，保證安全生產(chǎn)，減少資源浪費，降低經(jīng)濟損失。

4.4 通風實例分析

利用仿真平臺對礦山進行摩擦風阻核算。某礦山設(shè)計摩擦風阻為0.3 N·s2/m8，設(shè)計井筒直徑為6.5 m。該礦山與模型參數(shù)對比如表2 所示。通過計算得到模型的摩擦風阻為2 910 N·s2/m8，參照式(4)計算得到的摩擦風阻按縮放比例核算成真實礦井的摩擦風阻為0.291 N·s2/m8。0.291 N·s2/m8與0.3 N·s2/m8相差不多，說明可以將核算好的風阻應(yīng)用到礦山，再利用當?shù)刈匀伙L壓、礦井所需風量、礦山井下摩擦風阻，選擇合適的風機，減少通風所產(chǎn)生的費用。如果摩擦風阻核算結(jié)果大于礦井設(shè)計的摩擦風阻，說明井筒不能滿足通風要求，需要更換大尺寸罐籠和小直徑的井筒，然后重新挑選提升系統(tǒng)模型進行核算，直到摩擦風阻核算結(jié)果與礦井設(shè)計的摩擦風阻相接近為止。反之，由于井筒和罐籠尺寸是由提升能力確定的，則不需要調(diào)節(jié)井筒和罐籠的尺寸。

表2 某礦山與通風模型參數(shù)對比Table 2 Parameter comparison of ventilation model with a mine

5 結(jié) 論

(1)該仿真平臺的應(yīng)用使試驗者對提升系統(tǒng)的認識不再局限于平面圖紙、文字描述和主觀想象，而是可以直觀地、立體地、動態(tài)地了解礦山的提升系統(tǒng)。有利于高校的教學演示，有利于企業(yè)的教育培訓，有利于礦山提升技術(shù)的傳播和發(fā)展。

(2)在已投產(chǎn)礦山中，應(yīng)用該仿真平臺可以對提升能力和摩擦風阻進行校核，進而優(yōu)化礦山的提升系統(tǒng)和通風性能，降低經(jīng)濟損失，減少安全隱患。

(3)對于新建礦山，應(yīng)用該仿真平臺可以對生產(chǎn)能力進行核算，為礦山提升系統(tǒng)和通風系統(tǒng)的設(shè)計提供支撐。此外通過該仿真平臺的測試手段，可以避免理論計算時產(chǎn)生的誤差，幫助礦山選擇更合理的提升裝置和通風設(shè)備。

(4)對于提升能力和摩擦風阻核算，只能針對部分尺寸的單罐籠井筒，不能適用于所有井筒，具有一定的局限性。

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