基于計(jì)算機(jī)仿真的井下通風(fēng)方案優(yōu)化

【摘 要】為了保障礦井下工作人員的安全，針對(duì)礦井下通風(fēng)能力不足、通風(fēng)阻力大、風(fēng)速超標(biāo)等一系列問(wèn)題，結(jié)合礦井通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)定參數(shù)和礦山后期的生產(chǎn)部署，在數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)界定的基礎(chǔ)上研究了礦井通風(fēng)原理，提出3個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造方案。并利用 Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)建立了通風(fēng)網(wǎng)路、通風(fēng)動(dòng)力和通風(fēng)控制設(shè)施等通風(fēng)系統(tǒng)模型并進(jìn)行了仿真和動(dòng)態(tài)模擬。同時(shí)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)投入與通風(fēng)運(yùn)行效益分析，確定了最優(yōu)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案。

【關(guān)鍵詞】礦井 通風(fēng)系統(tǒng) 仿真模型 優(yōu)化

近些年來(lái)，隨著采礦工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的需求量的不斷增長(zhǎng)，礦石的地表及其淺部開(kāi)采已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)的需求。隨著礦石挖掘深度的不斷增加，一系列新的問(wèn)題出現(xiàn)了，其中最突出的也是至關(guān)重要的就是礦井通風(fēng)問(wèn)題，這也加大了礦石開(kāi)發(fā)的難度。本文主要針對(duì)提出的礦井通風(fēng)方案進(jìn)行分析，并利用Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)建立立體模型，針對(duì)已經(jīng)提出的通風(fēng)系統(tǒng)方案進(jìn)行，并將優(yōu)化改造的風(fēng)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算、風(fēng)流按需分配進(jìn)行仿真和風(fēng)流動(dòng)態(tài)模擬，最后進(jìn)行了進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析，確定了最優(yōu)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案。

1 礦井通風(fēng)概況介紹

礦山采用綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)，完全垮落法控制頂板。中央分列式的礦井通風(fēng)方式，并且采用抽出式的通風(fēng)方法。主要包含主斜井，副斜井，行人斜井，四層防傾斜井四個(gè)進(jìn)風(fēng)井及其九層回風(fēng)斜井、十二層回風(fēng)斜井兩個(gè)回風(fēng)井。現(xiàn)有的礦山進(jìn)風(fēng)總量為12691m3/min，總排風(fēng)量為13359m3/min。其中，九層回風(fēng)井通風(fēng)率為7207m3/min，負(fù)壓力值為2460Pa，十二層回風(fēng)井通風(fēng)率為6152m3/min，負(fù)壓力值為為2240 m3/min[1]。

2 礦井通風(fēng)存在的問(wèn)題

雖然礦井通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)、調(diào)整，取得了一定的進(jìn)展，但由于不正規(guī)的采礦作業(yè)，不完善的通風(fēng)設(shè)計(jì)和較低的技術(shù)管理等原因，仍有不少的問(wèn)題。根據(jù)每年生產(chǎn)要求，在已有的通風(fēng)系統(tǒng)布置了兩個(gè)綜采工作面，三個(gè)備用開(kāi)采工作面，七個(gè)掘進(jìn)開(kāi)采工作面，等效的需求風(fēng)量為18000m3/min，通過(guò)求解可得到，已有的通風(fēng)系統(tǒng)存在幾個(gè)問(wèn)題如下：（1）同時(shí)多中段作業(yè)的礦井生產(chǎn)使得中段缺少巷道，各中段采場(chǎng)位置排列不規(guī)范，并且爆破后破碎作業(yè)較頻繁，因此，造成了采場(chǎng)風(fēng)流串聯(lián)，嚴(yán)重的煙塵污染。（2）十二層回風(fēng)井的通風(fēng)阻力為3804.4Pa，九層回風(fēng)井通風(fēng)阻力為4439.4Pa，均超出了通風(fēng)阻力應(yīng)不高于2940Pa的規(guī)定，同時(shí)也超出了現(xiàn)有通風(fēng)機(jī)的額定負(fù)壓，已有的通風(fēng)機(jī)不能滿足要求；（3）通風(fēng)阻力分布不合理，九層回風(fēng)段通風(fēng)阻力占回風(fēng)井總阻力的72.8%，十二層回風(fēng)段通風(fēng)阻力占回風(fēng)井總阻力的68.4%；（4）由于不健全的通風(fēng)網(wǎng)路及其不健全的風(fēng)量調(diào)節(jié)，對(duì)作業(yè)工作面不能實(shí)現(xiàn)按需分風(fēng)，影響作業(yè)面的通風(fēng)效果，并造成風(fēng)流浪費(fèi)。（5）漏風(fēng)嚴(yán)重，有效風(fēng)良率較低。抽出式通風(fēng)礦井，直接漏入短路風(fēng)流，可達(dá)主風(fēng)量的40%～50%。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案的改造優(yōu)化

3.1 提出礦井通風(fēng)方案

改造優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)需要充分利用現(xiàn)有的巷道，本著工程量少、投資少、周期短、見(jiàn)效快的原則，通風(fēng)系統(tǒng)不僅需要滿足現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)的要求，也要考慮到生產(chǎn)礦井在未來(lái)的部署和通風(fēng)量，因此，提出以下幾種解決方案：（1）在井田中部布置回風(fēng)立井，下部通過(guò)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷分別與九層、十二層回風(fēng)上山相連，并且將現(xiàn)有的九層十二層的回風(fēng)斜井改為進(jìn)風(fēng)井；（2）在現(xiàn)有回風(fēng)斜井的站點(diǎn)新建回風(fēng)立井，回風(fēng)井回風(fēng)井，立井落平后與布置在十三號(hào)礦井中的總回風(fēng)巷相連，總回風(fēng)巷的布局是采用雙巷平行排列布置的，通過(guò)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷分別與九層、十二層回風(fēng)上山連接，并且將現(xiàn)有九層、十二層回風(fēng)斜井改造為與空氣連接的進(jìn)風(fēng)井；（3）在現(xiàn)有的工業(yè)用地主要是在西南方的廢棄的家屬住宅區(qū)新建兩條回風(fēng)斜井，回風(fēng)斜井分別通過(guò)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷與九層、十二層的回風(fēng)上山相連，并且將現(xiàn)有九層、十二層回風(fēng)斜井改造為進(jìn)風(fēng)井。

3.2 系統(tǒng)界定

在礦山實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于任何一個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)是受很多因素影響的、而且是與多個(gè)變量相關(guān)的、多層面的復(fù)雜系統(tǒng)，所以建立仿真模型時(shí)需要適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和規(guī)范實(shí)際的通風(fēng)系統(tǒng)。下面將結(jié)合礦山通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際的特點(diǎn)，基于4點(diǎn)假設(shè)界定通風(fēng)系統(tǒng)模型的邊界：（1）每條直巷道中的風(fēng)勻速、均質(zhì)且流向惟一，而弧形巷道則等效為多條直巷道；（2）巷道連接處無(wú)能量、物質(zhì)損失，流入的各巷道風(fēng)流按風(fēng)量比混合均勻后，完全無(wú)變化的流出，且風(fēng)流中各物質(zhì)組分相同；（3）在通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)能量無(wú)損失、風(fēng)流無(wú)泄露、風(fēng)量平衡、風(fēng)壓平衡，且沒(méi)有獨(dú)頭巷道的存在；（4）控制設(shè)備僅有開(kāi)啟、閉合狀態(tài)。

3.3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)的建模及其模型的計(jì)算

利用上面提到的幾種改造優(yōu)化方案，并結(jié)合礦山提供了基本的技術(shù)數(shù)據(jù)資料，使用Ventsim軟件來(lái)建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的三維模型[2]，并將通風(fēng)技術(shù)參數(shù)輸入模型進(jìn)行求解。根據(jù)模型的計(jì)算步驟，進(jìn)行計(jì)算，其過(guò)程為：（1）輸入?yún)?shù)，將巷道通風(fēng)參數(shù)、風(fēng)機(jī)參數(shù)、風(fēng)門(mén)參數(shù)等各個(gè)參數(shù)輸入通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型、風(fēng)機(jī)模型、風(fēng)門(mén)模型。（2）預(yù)處理，按風(fēng)阻從大到小排列通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各分支，標(biāo)注固定風(fēng)量分支，扇風(fēng)機(jī)分支；建立最小生成樹(shù)，確定組成回路的基本分支并構(gòu)造獨(dú)立回路。（3）迭代解算，直到在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)全部獨(dú)立回路達(dá)到預(yù)定精度。

4 結(jié)語(yǔ)

在本文提出的礦井條件下，進(jìn)行了前期礦井通風(fēng)阻力測(cè)定，并在主要通風(fēng)機(jī)性能鑒定的基礎(chǔ)上，認(rèn)真分析了礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題；根據(jù)礦井未來(lái)風(fēng)量需求及生產(chǎn)部署情況，提出3個(gè)礦井通風(fēng)改造方案，綜合考慮礦井長(zhǎng)期安全生產(chǎn)管理及經(jīng)濟(jì)投入等方面，根據(jù)工程最小、建設(shè)工期最短、通風(fēng)線路最短、礦井通風(fēng)阻力最小、投資最省、能夠有效地滿足礦井增大供風(fēng)量、降低通風(fēng)阻力的原則，確定最優(yōu)方案；通過(guò)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化、三維建模、界定邊界條件、仿真等操作，確定通風(fēng)系統(tǒng)改造最優(yōu)方案。增強(qiáng)了人們對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)三維空間狀態(tài)的認(rèn)知能力，對(duì)礦山管理人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)路均具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李良松，田浩.礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].中小企業(yè)管理與科技，2011（08）：177-178.

[2] 龐大芳，高東旭，李緒萍.礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造研究[J].礦石技術(shù)，2008（10）：73-75.

作者簡(jiǎn)介：張金龍（1987—），男，河北遵化人，本科，中級(jí)工程師，研究方向：采礦技術(shù)。