基于3DVent通风软件的矿井通风网络解算研究

冉光建 陈绍清

(重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331)

矿井通风方法根据风流获得的动力来源不同，可分为机械通风和自然通风2种。矿井机械通风利用扇风机运转产生的通风动力，致使空气在井下巷道流动的通风方法称为机械通风。矿井机械通风系统由通风机和通风网络2部分组成。新鲜风流通过通风机由入风井口进入矿井后，经过井下各用风场所，然后进入回风井，由回风井将污风排出矿井。风流所经过的整个路线称为矿井通风网络，它由一系列纵横交错的井巷构成［1］。用相对直观的几何图形来表示通风网络从而得到通风网络图。

矿井通风网络解算是一个非常复杂的计算过程，而传统的通风网络解算软件需要对矿井通风网络图中的节点和分支编号的原始数据进行手工分析和输入，在通风网络解算中是一项费时费力的工作。随着科技的发展和时代的进步，计算机技术将会越来越广泛地应用到矿井通风网络解算领域。

1 3DVent软件的解算原理

矿井通风的关键在于要解决好风流流量在各用风场所的合理分配。到目前为止，矿山的通风网络都较复杂，由众多包含串、并、角联在内结构复杂的网络组成，而其各分支风量的分配难以直接求解。通过运用风量分配的基本定律建立数学方程式，然后用不同的数学手段，可求解出网路内各分支自然分配的风量。它是以网路结构和分支风阻为条件，求解网路内风量自然分配的过程。

传统的矿井通风设计方法是将矿井中各用风场所的风量统计出来成为全矿的总需求风量，并对矿井各用风地点要求强制分配风量，这种分配风量的方式没有根据矿井在不同生产时期最困难的风路需要再次分配风量以及进行相应的负压计算和选择合适的风机。该方法没有能够充分地考虑到在复杂的矿井通风网络中各分支的串、并和角联等实际情况，从而在井下各用风地点难以合理地分配风量，并不能精确在不同生产时期最困难风路的各用风场所的风阻和风量，而使矿井通风设计产生较大的偏差，故是不合理的。

风流在通风网路中流动时，都遵守风量平衡定律、风压平衡定律和阻力定律，反映了通风网路中3个最主要的通风参数——风量、风压和风阻间的相互关系，是复杂通风网路解算的理论基础。目前，解算通风网路使用较广泛的是回路法，即首先根据风量平衡定律假定初始风量，由回路风压平衡定律推导出风量修正计算式，逐步对风量进行校正，直至风压逐渐平衡，风量接近真实值。3DVent通风软件解算和模拟的核心原理是Hardy－Cross算法，通过搜索矿井通风网络中的最小连通图，并将其作为独立的闭合回路成为计算单元，然后通过解算使网孔的环路压降为0。其主要的工作原理就是通过运用风量分配的基本定律建立数学方程组，首先拟定一组风量初值，然后对原方程组逐次线性化进行求解，求出对各风量值的一组风量修正值，分别对各回路风量进行修正;然后再进行下一次迭代，计算出新的风量修正值，再对各回路风量进行修正。经过反复多次的迭代计算、修正，使修正后的风压逐渐趋于平衡，而修正后的风量逐步逼近于真实值，直到小于预先给定的某个精度为止，这样得出的风量即为要求的风量。矿井通风网络解算的数学原理是图论原理［2］。设矿井通风网络的分支数为N，节点数为J，按图论有关树的理论，该通风网络的独立回路数为M=N －J+1。其数学模型如下［3］:

当回路中无风机的时候，则:

式中:△Qi—矿井中各个独立回路的风量校正值;aij—风道风向系数;Rj—第j号风道的风阻;Qj—第j号风道的风量;Hnj—在第i号独立回路内第j号风道上的自然风压;Hfj—第i号独立回路内第j号风道上风机的风压;dHfjdQj—安装在该独立回路第j号风道上的风机特性曲线在风量Qj点的斜率。

2 应用实例进行模拟

2.1 实例简介

某矿设计开采能力为200 kta，采用平硐开拓方式，房柱采矿法开采，井下采用翻斗汽车运输，装载机装车，顶板管理方式为自然跨落法;矿井使用机械排水，采用分列式通风方式，机械抽出式通风方法，由主平硐、回风平硐及采区巷道等组成的简单串、并联通风网络。新鲜风流由主平硐进入+722 m运输大巷，经过+715 m运输平巷，到达各用风工作面和硐室，污风由回风平巷，最后到达回风平硐排出地面。

2.2 模拟矿井通风巷道

利用3DVent通风软件所提供的三维可视化平台，对矿山的巷道结构进行三维模拟，能够让人更加直观地了解矿山通风井巷的位置、长度和连接关系。模拟出的矿山巷道结构三维模型既有助于矿山企业人员对井下通风巷道情况的了解和认识，也可以结合监测监控系统加强对井下作业场所和人员的管理。

在矿山通风巷道模拟完成后，就获得了传统意义上的矿井通风系统图。并在此基础上利用3DVent通风软件提供的功能编辑各用风巷道的断面面积和周长，并依据其巷道的支护方式和形状来确定各巷道的风阻值。

3 矿井通风网络解算

矿井通风系统图能够直观地反映通风井巷的风流方向、风量和通风设施等，对矿山井巷的空间布置要与实际相同，这是正确生成通风网络图并进行解算的基础。利用3DVent通风软件对某矿山首采区的风量进行解算，流程如下:

(1)建立巷道三维通风网络系统图

巷道结构三维通风系统图的建立，可以应用单段单线及三维方法表示出通风系统的各相关巷道，从而形成矿井通风系统图。

(2)输入初始数据

在输入原始参数的同时，还需要根据矿井实际的情况对相应的巷道长度、风阻、断面面积及周长等参数进行适当的调整。输入主要原始参数见图1。

图1 参数的初始化

(3)编辑巷道相关参数

对矿山首采区的主要巷道进行编辑，将主需风量输入进风巷道后，软件会自动根据通风网络引导进行风量分配。各巷道类型及参数见表1。

表1 各巷道类型及参数

(4)检查通风网络情况

通过检查通风网络及其参数，确定其是否已形成正常回路，否则不能进行正常解算。通风检查报告如图2所示。

图2 通风检查报告

(5)局扇风机选型

在风机应用中，除了满足对其流量、风压的要求之外，还应考虑对风机高效运行的要求，这是合理选择风机的一个重要因素。风机性能是风机合理选型的依据，风机性能的表示方法不同，风机选型的方法也不同。主要方法如下:

①利用风机性能表选择风机;

②利用风机性能曲线选择风机;

③利用风机无量纲性能曲线选择风机;

④利用风机的性能选择曲线选择风机。

3DVent通风软件的方法是利用风机性能曲线选择风机，这是一种最基本且较简单的方法之一。此方法便于工况调节的分析和调节参数的确定，利用性能曲线的比选性较差。风机选型报告见图3。

图3 风机选型报告

(6)矿井网络解算

在通风检查无误并且风机选型合理后可对通风网络进行解算，即迭代计算。迭代计算后的结果会显示在巷道左右侧，主要是风量、巷道编号和风机参数等。通风网络解算见图4。

图4 矿井首采区的通风网络解算图

由矿井首采区的通风网络解算图可以直观地得出矿井的通风系统报告，报告中涉及巷道系数等共8个参数，矿井通风系统报告如图5所示。

图5 矿井通风系统报告

4 结语

3DVent通风软件采用三维可视化操作，画面清晰，简单易学。通过对该软件的利用，可以对矿井通风网络进行解算，从而有效地模拟矿山风量的分配。随着政府对矿山的重视，数字化矿山越来越普及，3DVent通风软件将在矿山设计和生产中得到更为广泛的应用，但是在通风系统网络解算中对网络解算结果的可靠性分析不足，应加强软件的后期完善。

［1］蔡序淦，王世勤.3DMINE软件在通风网络解算中的应用［J］. 有色冶金设计与研究，2010，31(5):10-11.

［2］季现伟，戴晓江，王孝东.3DMine支持下的风网解算基础数据处理方法及应用［J］.矿冶，2011，20(1):16-19.

［3］华宁，陈喜山，曹娥，等.矿井通风网络解算软件研究综述［J］. 青岛理工大学学报，2011，32(1):63-68.

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