基于Ventsim的高原礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化

張亞明，何水清，李國清，胡乃聯(lián)

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.中國黃金國際資源有限公司，北京 100011)

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基于Ventsim的高原礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化

張亞明1，何水清2，李國清1，胡乃聯(lián)1

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.中國黃金國際資源有限公司，北京 100011)

摘要：與平原礦山相比，高原礦井具有空氣稀薄、供氧不足、自然通風條件復雜多變等特點，直接導致了設備效率降低、巷道污染嚴重等現(xiàn)象，加大了通風網(wǎng)絡解算與通風系統(tǒng)優(yōu)化的復雜程度。為解決這一問題，以某高原礦山為案例背景，以高原適應性修正后的通風關鍵參數(shù)為基礎，基于Ventsim軟件搭建了通風系統(tǒng)的三維可視化模型和網(wǎng)絡實時解算平臺，設計了4種可行的通風方案并完成了各方案的通風效果解算與模擬。綜合考慮有效性、經(jīng)濟合理性、穩(wěn)定性、安全可靠性以及高原適用性等諸要素，利用層次分析法優(yōu)選得到了適合該礦山的最優(yōu)通風方案。優(yōu)化后的方案在滿足現(xiàn)場作業(yè)通風效果的同時，節(jié)約了通風成本，可以為該礦山通風系統(tǒng)的構建和管理提供支持。

關鍵詞：高原礦井；通風系統(tǒng)優(yōu)化；Ventsim；層次分析法

通風系統(tǒng)的主要作用是向井下輸送新鮮空氣，供井下作業(yè)人員呼吸，同時將井下作業(yè)產(chǎn)生的粉塵和有毒有害氣體等排出地表，以改善井下環(huán)境，同時保證井下作業(yè)人員安全。因此通風系統(tǒng)的科學構建和可靠運轉對礦山的安全生產(chǎn)具有重要的影響[1-2]。與平原通風技術相比，高原礦山井下通風具有大氣壓力低、氧氣稀薄、設備效率低、施工人員供氧不足、自然通風條件復雜多變、巷道污染嚴重等特點[3-4]，這大大增加了通風系統(tǒng)設計的復雜程度，依靠手工計算很難完成井下通風系統(tǒng)的建設和優(yōu)化。Ventsim軟件是目前應用比較廣泛的三維通風仿真系統(tǒng)，通過建立模型可以實現(xiàn)通風系統(tǒng)的三維仿真模擬，還可以對井下環(huán)境參數(shù)進行模擬分析[5]。Ventsim軟件提供了風流模擬、污染物和有害氣體的動態(tài)模擬、火災模擬以及通風系統(tǒng)經(jīng)濟分析等功能[6]，在保證安全的情況下，實現(xiàn)通風系統(tǒng)的最優(yōu)化，為礦山通風系統(tǒng)的管理提供支持。

目前國內外關于高原內容的研究主要集中在研究高原地質形成、高原醫(yī)療、高原隧道施工技術，而對于高原礦井的研究尚處于起步階段，高原礦山企業(yè)的通風管理尚在摸索階段，可供借鑒的經(jīng)驗很少，針對以上高原礦井通風的特點和難點，需要進行進一步研究。針對這一情況，根據(jù)高原礦井現(xiàn)有的資料，對某高原礦井通風系統(tǒng)進行分析，確定礦山采用的通風方式和通風現(xiàn)狀，利用Ventsim建立礦山通風系統(tǒng)三維可視化模型，對礦山現(xiàn)有通風系統(tǒng)進行解算，根據(jù)解算結果，分析礦山通風系統(tǒng)所面臨的問題，針對這些問題，提出合理的通風方案，解決井下的通風問題，利用層次分析法從這些合理的方案中選擇出一個最優(yōu)的通風方案，以改善井下作業(yè)環(huán)境，保證井下作業(yè)的安全。同時，此次研究對于今后高原礦井通風系統(tǒng)的研究具有一定的參考價值。

1礦山通風系統(tǒng)構建

1.1礦山概況

某金屬礦山礦區(qū)海拔高度在4400m以上，開采方式為露天-地下聯(lián)合開采，露天開采方式開采近地表礦石，地下開采采用空場嗣后充填法開采。其中地下開采主要采用豎井-斜坡道-平硐聯(lián)合開拓，開采中段主要包括4400m、4450m、4479m等。

該金屬礦山海拔較高，具有明顯的高原礦山通風系統(tǒng)的特點，同時通風系統(tǒng)受季節(jié)影響較為明顯。通風系統(tǒng)整體上采用中央對角式通風，系統(tǒng)中央布置一條主進風井，兩側各有一條回風井。另外，在4450m水平布置有南平硐和北平硐兼作通風巷道，在4532m水平設置一條斜井作為通風井。由于井下巷道復雜多變，風流流動混亂，設計將通風系統(tǒng)分為三部分，分別為兩步驟空場嗣后充填法采區(qū)通風系統(tǒng)(一標段、二標段、三標段和其他)、溜破通風系統(tǒng)和運礦通風系統(tǒng)，這三個通風單元之間既相對獨立，又相聯(lián)系。各單元的進風與出風部分是共同的，而用風部分之間是相互平行的，從結構上盡力避免用風部分風流之間出現(xiàn)相互影響。

1.2基于Ventsim的三維通風仿真模型構建

根據(jù)礦山收集的資料和數(shù)據(jù)，利用CAD、Surpac軟件對圖紙進行處理，清除多余的巷道和對通風系統(tǒng)影響很小的系統(tǒng)，建立起通風系統(tǒng)的單線模型，將單線模型導入到Ventsim軟件即可建立通風系統(tǒng)可視化模型，模型建立過程見圖1，通風系統(tǒng)可視化模型見圖2。

圖1　通風系統(tǒng)可視化模型構建流程

圖2　通風系統(tǒng)可視化模型

2高原礦井通風參數(shù)校核

礦山平均海拔高度為4470m，礦區(qū)平均大氣壓力為59.3kPa，僅為標準狀況下的58.5%，空氣密度為0.71kg/m3，與平原地區(qū)相比空氣密度明顯降低，大氣壓力和空氣密度的降低導致井下氧氣濃度嚴重下降，通風參數(shù)與平原地區(qū)也有所不同，因此在擬定通風方案前需要對通風參數(shù)進行校核。

2.1風機參數(shù)校核

對于高原礦井，因為空氣密度較小，在運送相同的風量時，高原礦井的主扇所需要的風壓和功率都較小，可以利用式(1)進行校核[7]。

(1)

2.2風機風流流量校核

根據(jù)風機的相似定律，若兩臺相似風機的風流流量關系可以通過式(2)得出[8]。

(2)

式中：Q1、Q2為相似風機的風量，m3/s；D1、D2為相似風機葉輪外緣直徑，m；n1、n2為相似風機的轉速，r/min。公式可知，海拔高度不影響風機風量的體積流量。但隨著海拔高度的增加，空氣的密度不斷的減小，因此空氣的質量流量也會隨著減小。

2.3摩擦阻力系數(shù)校核

通過實驗和實測可以得到在標準狀況下巷道的摩擦阻力系數(shù)，作為標準值，對于高原地區(qū)礦井的摩擦阻力系數(shù)可以通過式(3)進行計算[7]。

(3)

式中：α為巷道摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；α0為標準狀況下的摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；Ρ為巷道中氣體的密度，kg/m3；ρ0為標況下空氣密度，ρ0=1.29kg/m3。

3通風方案設計

高原地區(qū)獨特的環(huán)境特點和氣候特征決定了在高原礦井宜采用壓入式或以壓為主、壓抽結合的通風方式，以使井下處于微正壓狀態(tài)，盡可能改善高原礦井的通風問題，給井下作業(yè)人員和作業(yè)設備創(chuàng)造良好的工作環(huán)境[9]。經(jīng)過計算礦井總需風量為716m3/s，其中一標段需風量為90.49m3/s，二標段需風量為178.57m3/s，三標段需風量為178.57m3/s，一運礦系統(tǒng)需風量為50.88m3/s，溜破系統(tǒng)需風量為78.52m3/s，在方案擬定時，由于礦山已經(jīng)購買主進回風機，則方案擬定時主進回風機不變，主要針對井下各通風單元，以采礦、運礦和碎礦工作面為服務核心，充分利用各種有利條件，擬定了四種通風方案。

3.1方案一

在中央豎井并聯(lián)兩臺FKCDZ-10-No36/500kW進風主扇，斜坡道并聯(lián)安裝兩臺DK-12-No32/200kW進風輔扇，在南平硐也通過裝機巷道并聯(lián)安裝兩臺DK-10-No26/200kW進風輔扇，南回風井并聯(lián)兩臺FKCDZ-8-No29/400kW回風主扇，北回風井并聯(lián)兩臺FKCDZ-10-No30/250kW回風主扇。

為滿足各通風單元的需風量，需要在采場進回風巷道安裝輔扇。在一標段的進風巷道并聯(lián)安裝2臺DK-10-No26/200kW進風輔扇，在4500m水平三條回風巷道中一條巷道并聯(lián)安裝2臺DK-10-No26/200kW回風輔扇，另外兩條回風巷道各安裝1臺DK-10-No26/200kW回風輔扇；在二標段的進風巷道位置并聯(lián)安裝2臺DK-10-No26/200kW進風輔扇，在采場3條主要回風巷道各安裝1臺DK-10-No26/200kW回風輔扇；在三標段的采場進風巷道位置安裝1臺DK-10-No26/200kW進風輔扇，三標段與二標段共用3條回風巷道。在溜破系統(tǒng)的回風井安裝1臺DK-10-No26/200kW回風輔扇以調節(jié)溜破系統(tǒng)的風流，同時為保證溜破系統(tǒng)風流穩(wěn)定在連接巷道中安裝定流風機以固定其風量，其他通風單元靠自然分風來滿足通風要求，經(jīng)過Ventsim軟件解算各部分風量滿足要求，通風系統(tǒng)簡圖見圖3。

圖3　方案一通風系統(tǒng)模型

3.2方案二

該方案將中央進風主扇和南北回風主扇的頻率調低，選用相對低頻的風機，來研究低頻風機是否能滿足井下通風需求，其他與方案一基本相同。

3.3方案三

此方案是在方案一的基礎上提高中央進風主扇和南北回風主扇的安裝角，同時將二標段的一條回風巷道中的輔扇改為2臺DK-10-No26/200kW并聯(lián)，其他與方案一基本相同。

3.4方案四

前三個方案井下通風主要是從主進風井、斜坡道和南平硐進風，此方案設計了一條措施入風井來輔助入風，南平硐不安裝風機，采用新的進風方式對風網(wǎng)進行解算。此方案中央主進風井、南回風井和北回風井風機安裝與方案一相同，措施入風井安裝1臺FKCDZ-10-No29/250kW進風輔扇，北平硐并聯(lián)安裝2臺DK-12-No32/220kW回風輔扇。此外，與方案一不同的是二標段的三條回風巷道中一條并聯(lián)安裝2臺DK-10-No26/200kW回風輔扇，其他與方案一基本相同，通風系統(tǒng)簡圖見圖4。

4通風方案優(yōu)選

4.1層次分析模型的構建

此次設計利用層次分析法計算各方案的相對優(yōu)劣排序值，選出最優(yōu)方案。主要思想是把通風問題分解成若干因素，按照各主要影響因素之間的關系由高到低進行分層排列，建立一個完整的遞階層次結構模型，通過對各個影響因素的判斷，確定出各個層次以及各因素之間的相對重要程度，按照1～9標度法進行賦值(表1)，建立判斷矩陣，通過計算矩陣的最大特征值和相應的特征向量，得出不同方案的相對優(yōu)劣的排序值，通過比較不同方案的相對優(yōu)劣的排序值，得出最優(yōu)的通風方案[10-12]。

圖4　方案四通風系統(tǒng)簡圖

此次設計從有效性、合理性、穩(wěn)定性、安全可靠性和高原氣候特點五個方面選擇了十個評價指標：礦井風壓、礦井風量、等積孔、礦井風量供需比、扇風機功率、扇風機效率、噸礦耗電費用、風機運轉穩(wěn)定性、用風地點風流穩(wěn)定性、防災抗災能力、安全管理系數(shù)、4450m中段大氣壓和4400m中段大氣壓。根據(jù)以上十個指標之間的遞進關系，建立層次結構模型見圖5。

根據(jù)專家打分法對各指標進行打分，按照1～9標度法進行賦值，建立判斷矩陣，利用判斷矩陣即可求出各指標的權值。各指標權值見圖5。

表1　1～9標度法參數(shù)

圖5　層次結構模型

4.2基于Ventsim的通風參數(shù)計算

Ventsim軟件不僅可以建立通風系統(tǒng)三維可視化模型，實現(xiàn)通風系統(tǒng)的可視化管理，還提供了風流模擬、污染物和有害氣體的動態(tài)模擬、火災模擬以及通風系統(tǒng)經(jīng)濟分析等功能，通過對通風方案進行解算，可以得出各通風方案的通風參數(shù)，包括風壓、風量等，表2為四種方案十個指標的解算數(shù)值。

4.3通風方案優(yōu)選結果與分析

根據(jù)VentSim的解算結果，建立判斷矩陣，計算各方案的相對優(yōu)劣的排序值。結果見表3。

表2　通風方案指標參數(shù)

表3　排序值計算結果

經(jīng)過計算，方案四的相對優(yōu)劣的排序值最大，因此最優(yōu)的通風方案為方案四。方案四的總進風量為729.5m3/s，風機功率為7766.8 kW，噸礦耗電費用為7.42元，等積孔為10.2m2。方案四設置了一條措施入風井輔助進風，此井的設置可以大大緩解主進風井和斜坡道的進風壓力，在網(wǎng)絡解算時也更加容易，同時井下分風也更加合理，各通風單元風流更加穩(wěn)定，大大改善了井下的作業(yè)環(huán)境。

5結論

1)通過Ventsim軟件解算表明，高原礦山有其獨特的通風特點，與平原地區(qū)相比，通風系統(tǒng)更加復雜，通風更加困難，礦井總風量嚴重不足，井下風流混亂，大氣壓力嚴重降低，氧含量不足。因此，需要調整通風系統(tǒng)，加大風量，解決礦山通風問題。

2)Ventsim軟件是一個便捷的通風解算工具，可以快速準確地完成通風方案的解算，得出各方案的通風參數(shù)，為后期的優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)。此次研究的結果表明Ventsim軟件在高原礦山的模擬結果是有效的，符合礦山的實際情況，Ventsim軟件在高原礦山同樣適用。

3)針對高原礦井通風系統(tǒng)的特點，利用Ventsim軟件進行解算，充分考慮了高原礦山的環(huán)境因素、通風系統(tǒng)的特點等，得出了適合高原礦山的通風方案，總進風量為729.5m3/s，總風壓為7397.2Pa，噸礦耗電費用為7.42元/t，井下風流穩(wěn)定合理，可以有效解決礦山的通風問題。

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收稿日期：2015-08-16

基金項目：國家科技支撐計劃項目資助(編號：2012BABO1B04)

作者簡介：張亞明(1991-)，男，河北河間人，碩士生，攻讀北京科技大學采礦工程專業(yè)，主要從事礦山安全系統(tǒng)工程方向的研究工作。E-mail：237860363@qq.cm。 通訊作者：李國清(1973-)，女，博士，2004年畢業(yè)于北京科技大學采礦工程專業(yè)，副教授、碩士生導師，主要從事礦業(yè)系統(tǒng)工程、礦山安全管理方面的教學與科研工作。E-mail：qqlee@ustb.edu.cn。

中圖分類號：TD725

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)07-0082-05

Optimization of plateau mine ventilation system based on Ventsim

ZHANG Ya-ming1，LI Guo-qing2，HU Nai-lian1，HE Shui-qing1

(1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.China Gold International Resouces Corp.Ltd.，Beijing 100011，China)

Abstract:Different from in plain area, plateau mines are mainly characterized by rarefied air, insufficient oxygen and changing natural ventilation which directly lead to low working efficiency of equipment and serious pollution of tunnels. Consequently, it is quite difficult to carry out the network calculation and optimization of mine ventilation system. To solve this problem, we made an optimum ventilation design by taking advantage of analytic hierarchy process model and Ventsim, a 3D ventilation simulation software. At first, based on key ventilation parameters which are modified judging by plateau adaptability, a 3D visual model of ventilating system and a network platform of real-time solution are built up. Next, four feasible ventilation schemes are proposed according to the requirements of the mine's ventilation system. Furthermore, we get not only the ventilating performances but also the 3D simulation interface for each scheme with the help of the Ventsim platform. Finally, taken availability, economic rationality, stability, safe reliability, plateau applicability and other factors all into consideration, an analytic hierarchy process is adopted to select the scheme which is most suitable for the case. The optimized ventilation system can not only guarantee a sound ventilation effect, but also achieve cost savings, so that it can provide reasonable support for ventilation construction and management of the mine.

Key words：plateau mine；optimization of ventilation system；Ventsim；analytic hierarchy process