鄧紅衛(wèi),張 瑞,雷 濤,易東福

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410083)

基于VENTSIM的云錫新山礦段通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究＊

鄧紅衛(wèi),張 瑞,雷 濤,易東福

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410083)

根據(jù)云錫卡房新山礦段礦井回風(fēng)困難的實(shí)際情況,利用SurpacVision、3DMine和Ventsim軟件建立了1800～1900m中段三維通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算模型,確定“1900m～地表”斜井新增工程,提出新增工程后的3種通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案,并進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算。結(jié)果表明:新建工程選址合理,和原有工程形成了完整合理的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過(guò)分析比較各通風(fēng)方案的風(fēng)速、通風(fēng)阻力、風(fēng)機(jī)數(shù)量及采場(chǎng)風(fēng)量要求,確定了最優(yōu)通風(fēng)方案。

Ventsim;三維通風(fēng)系統(tǒng)模型;風(fēng)網(wǎng)解算;方案優(yōu)化

本文在前人的研究基礎(chǔ)上,結(jié)合CAD、Surpac Vision、3D Mine礦業(yè)工程軟件及Ventsim通風(fēng)模擬軟件,建立云錫新山礦段通風(fēng)系統(tǒng)三維數(shù)字模型和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖,并提出3種通風(fēng)系統(tǒng)方案分別進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算,確定滿(mǎn)足礦山風(fēng)量要求的最優(yōu)通風(fēng)系統(tǒng)方案和相關(guān)風(fēng)機(jī)選型。

1 工程概況及Ventsim簡(jiǎn)介

1.1 工程背景

云錫集團(tuán)卡房新山礦段開(kāi)發(fā)生產(chǎn)區(qū)是一個(gè)集鎢、鉬、鉍等多金屬于一體的緩傾斜礦床,目前通過(guò)1800、1870、1900、1925、1946、1960和2000中段等工程及3個(gè)進(jìn)風(fēng)口和1處回風(fēng)工程形成兩翼進(jìn)風(fēng)、中部回風(fēng)的獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)。但由于生產(chǎn)重心不斷下移到1870～1800m中段,通風(fēng)方式的不合理性和通風(fēng)系統(tǒng)的不完善性逐漸凸顯,礦井內(nèi)氡濃度較高、氡子體放射性危害和含砷粉塵化學(xué)危害較嚴(yán)重。目前1900中段以下工程的風(fēng)路較混亂,且經(jīng)過(guò)采場(chǎng)工作面的風(fēng)量不足,不能很好地滿(mǎn)足1900中段以下的生產(chǎn)通風(fēng)需要。為解決上述問(wèn)題,需增加新的工程,并對(duì)已經(jīng)形成的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

新增工程為1900m通地表斜井工程。通過(guò)3D Mine和Surpac軟件模擬,綜合考慮設(shè)備、物質(zhì)的運(yùn)輸,擬將斜井地面位置選在坐標(biāo)約為(X:119531,Y:572306)處,標(biāo)高1960m,斜井工程從該點(diǎn)垂直連至1900中段,保證工程量最短。新增工程與各中段位置及連接情況如圖1所示。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及新增工程

1.2 Ventsim軟件簡(jiǎn)介

Ventsim軟件是一款實(shí)用性較強(qiáng)的礦井通風(fēng)仿真模擬軟件。該軟件可建立直觀的礦井三維通風(fēng)系統(tǒng)模型,通過(guò)路徑模擬、風(fēng)網(wǎng)解算和風(fēng)機(jī)設(shè)置,對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的效果進(jìn)行模擬檢測(cè)、控制與優(yōu)化設(shè)計(jì)。具有系統(tǒng)可視化、現(xiàn)狀模擬、未來(lái)規(guī)劃編制與模擬、協(xié)助選擇風(fēng)機(jī)和通風(fēng)構(gòu)筑物類(lèi)型及數(shù)量、模擬規(guī)劃或緊急情況下煙霧或氣體的運(yùn)動(dòng)路徑、模擬礦井最優(yōu)配風(fēng)方案和協(xié)助通風(fēng)方案進(jìn)行財(cái)務(wù)分析等主要功能。

軟件采用Hardy-Cross迭代法求解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),通過(guò)迭代次數(shù)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整,尋找可接受的解決方法。其算法如下:式中:△Qk為回路風(fēng)量增量值;k=1,2,…,M,M為獨(dú)立網(wǎng)孔數(shù);ak為風(fēng)機(jī)特征曲線斜率dHf/dQ。

該式適用于網(wǎng)孔中有風(fēng)機(jī)和自然風(fēng)壓作用的情況。當(dāng)流經(jīng)的真實(shí)風(fēng)量為Q時(shí),其阻力消耗可由阻力定律h=RQ2計(jì)算,如圖2所示。

圖2 Hardy-Cross方法中的風(fēng)量降壓關(guān)系

2 模型的構(gòu)建

2.1 模型的建立

根據(jù)新山礦段井巷工程的實(shí)際布局及數(shù)據(jù),借助SurpacVision和3D Mine礦業(yè)工程軟件,清除對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化沒(méi)有影響或影響極小的工程,建立礦段通風(fēng)系統(tǒng)工程的三維數(shù)字模型,如圖1所示。

將模型導(dǎo)入Ventsim軟件,進(jìn)行包括風(fēng)路斷面尺寸、風(fēng)阻、巷道支護(hù)形式、壓降差等的風(fēng)路屬性的賦值,完成通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算框架圖的繪制與初步優(yōu)化。其計(jì)算過(guò)程如圖3所示。

圖3 通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)網(wǎng)解算及優(yōu)化流程

2.2 風(fēng)路描述

整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)分為兩條風(fēng)路。

第1條風(fēng)路主要服務(wù)于1870中段和部分1800中段區(qū)域。通風(fēng)方式為兩翼進(jìn)風(fēng)、中央回風(fēng),風(fēng)流方向如圖4所示。

第2條風(fēng)路主要服務(wù)于部分1800中段,風(fēng)流方向如圖5所示。

圖4 第1條風(fēng)路網(wǎng)絡(luò)示意

圖5 第2條風(fēng)路網(wǎng)絡(luò)示意

2.3 通風(fēng)方案介紹

本次優(yōu)化建立了3種通風(fēng)方案,3種優(yōu)化方案的基本情況如表1所示。

表1 方案描述

3 風(fēng)網(wǎng)解算及方案優(yōu)化

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)阻力與功率消耗的風(fēng)網(wǎng)解算

各方案進(jìn)、回風(fēng)處風(fēng)路長(zhǎng)度、通風(fēng)阻力、功率消耗分布及占系統(tǒng)比值的情況如表2所示。

表2 進(jìn)、回風(fēng)處風(fēng)路阻力與功率消耗分布

3.2 方案風(fēng)網(wǎng)解算與優(yōu)化

3種方案主扇優(yōu)化選擇時(shí)相關(guān)參數(shù)風(fēng)網(wǎng)解算的結(jié)果如表3所示。各方案最終解算結(jié)果及新增工程處的通風(fēng)效果如表4所示。

表3 主扇風(fēng)網(wǎng)解算優(yōu)化選擇結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

(1)上述風(fēng)網(wǎng)解算表明,新增1900m至地表斜井使新山礦區(qū)1800、1870、1900中段和地表及其間相應(yīng)采場(chǎng)中形成了完整的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),保證了新鮮風(fēng)流充分洗刷工作面,污風(fēng)及時(shí)排出。

(2)由表2可知,1800、1870中段坑口進(jìn)風(fēng)段通風(fēng)阻力較小,分別為0.06643Ns2/m8和0.01625 Ns2/m8,占系統(tǒng)總阻力的23.1%和5.6%,而1900 m至地表斜井回風(fēng)段的阻力(0.16588Ns2/m8)較大,占系統(tǒng)總阻力的57.6%,表明通風(fēng)系統(tǒng)的阻力主要集中在1900m至地表的斜井回風(fēng)段,自然風(fēng)壓作用下,通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)壓和功率將主要消耗于斜井回風(fēng)段,進(jìn)一步說(shuō)明了1900m至地表斜井工程的必要性;通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化后,3種方案的功率消耗均較小,以方案一為例,3處進(jìn)、回風(fēng)段功率消耗分別為3.1,1.3,82.0kW,占總功率消耗的1.3%,0.5%和34.6%,而優(yōu)化前各段通風(fēng)阻力分別為系統(tǒng)總阻力的23.1%、5.6%和57.6%。綜合分析表明,該新增工程選址合理,改善了系統(tǒng)當(dāng)前通風(fēng)狀況。

表4 各方案通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

(3)對(duì)比3種方案的通風(fēng)效果,壓入式方案最合理。首先考慮各中段的風(fēng)量和風(fēng)速:3種方案1900m至地表斜井的風(fēng)速分別為13.2,10.8,13.4 m/s,均小于《地下礦通風(fēng)規(guī)定》中通風(fēng)系統(tǒng)專(zhuān)用總回風(fēng)道風(fēng)速≤15m/s的指標(biāo)規(guī)定;方案一和方案三的總回風(fēng)量大體相同,分別為79,80m3/s,滿(mǎn)足78 m3/s的采場(chǎng)總需風(fēng)量要求,而方案二總風(fēng)量?jī)H64 m3/s,無(wú)法滿(mǎn)足該要求。其次考慮整個(gè)系統(tǒng)所需的通風(fēng)設(shè)備數(shù)量、電力消耗等因素,方案一的通風(fēng)阻力0.28789Ns2/m8略大于方案三(0.28452Ns2/m8),但前者使用的通風(fēng)機(jī)(7個(gè))較少,總功率和電費(fèi)均小于方案三,表明該方案通風(fēng)動(dòng)力消耗較少,通風(fēng)費(fèi)用較低。綜合考慮通風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)合理性及技術(shù)可行性,對(duì)比得出方案一要優(yōu)于其他方案。這與云錫公司礦井為含氡危害礦井,采用壓入式供風(fēng),可使進(jìn)風(fēng)部分和用風(fēng)部分處于正壓狀態(tài),防止氡和氡子體向礦內(nèi)滲流而污染風(fēng)源的要求相符。

(4)3種方案選擇的主機(jī)性能與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)匹配較好。以方案一為例,參考《地下礦通風(fēng)規(guī)定》中相關(guān)規(guī)定,2臺(tái)主扇效率都為73%,大于60%,1800,1870中段進(jìn)風(fēng)道風(fēng)速分別為6.0m/s和7.1m/s,滿(mǎn)足通風(fēng)系統(tǒng)主要進(jìn)風(fēng)道風(fēng)速≤8m/s的指標(biāo)規(guī)定,而1900m至地表斜井作為該通風(fēng)系統(tǒng)專(zhuān)用總回風(fēng)道,風(fēng)速為13.2m/s,小于15m/s的指標(biāo)規(guī)定,模擬解算風(fēng)壓也滿(mǎn)足不超過(guò)風(fēng)機(jī)性能曲線上最大風(fēng)壓的90%～95%的要求。

4 結(jié) 論

(1)利用Surpac Vision、3D Mine和Ventsim軟件建立了新山礦區(qū)三維立體通風(fēng)系統(tǒng)仿真模型。

(2)采用Ventsim軟件,對(duì)三維通風(fēng)系統(tǒng)模型進(jìn)行現(xiàn)狀模擬,并根據(jù)實(shí)際要求增設(shè)1900m至地表的斜井工程,以解決實(shí)際回風(fēng)困難的問(wèn)題。

(3)提出設(shè)立新增斜井工程后的3種通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案,分別基于Ventsim軟件進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算,形成了通順、完整的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。確定了主扇和輔扇選型及位置,通過(guò)比較相應(yīng)參數(shù),提出壓入式的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案,及時(shí)解決了礦井回風(fēng)困難的問(wèn)題,為礦山實(shí)際生產(chǎn)和管理提供指導(dǎo)和依據(jù)。

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“強(qiáng)省計(jì)劃”云南省省院省校合作項(xiàng)目(2008023B005).

2010-03-18)

鄧紅衛(wèi)(1969-),男,湖南岳陽(yáng)人,副教授,主要從事地質(zhì)勘察與礦山安全方面的研究與教學(xué)工作,Email:denghw208@126.com。