基于Ventsim的矿井通风风阻参数优化

李孜军 陈艳丽

(中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

·安全与环保·

基于Ventsim的矿井通风风阻参数优化

李孜军 陈艳丽

(中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

研究矿井通风风阻变化规律对通风系统网络解算及优化调节的影响有着重要的意义。根据矿井通风系统中风量、风压和风阻之间的平衡关系，运用单因素分析法，实现快捷高效优化通风系统稳定性。该方法是通过改变某一分支巷道的风阻值，分析其他特征分支风量和风压对此变化做出的反应状况规律。以某金属矿山为例，将通风系统模型导入Ventsim三维仿真系统，选择一个具有代表性的特定分支，在其他参数保持不变的情况下，改变这一分支巷道的风阻值，通过仿真模拟解算出需要的数据。最后对解算结果进行分析比较，确定该分支巷道和相关分支风量及风机工况点之间的相互关系，来判断其对通风稳定性影响的大小。这不仅为矿井前期通风系统设计提供了理论依据，也为后期矿井通风系统运行及改造提供了数据支持，最终为实现矿井安全生产打下坚实基础。

三维通风仿真 Ventsim系统 风流模拟 风网解算

随着人类对矿产资源需求的增加和浅表层矿产资源的不断消耗，人们不得不对深部矿产资源进行大规模开采[1-2]。矿山深部开采将会面临诸多问题：井下有毒有害气体、粉尘、恶劣的高温等因素会直接损害工人的身心健康，影响工作效率；矿山现代机械化程度低，矿井通风系统网络复杂，人工管理相对困难，甚至罕有矿山企业保有一套完备的矿井通风网络资料。数字化矿井通风管理作为现代计算机虚拟现实技术成为解决这个问题的有效方法之一[3-4]。

目前国内外已经开发出大量的矿井通风系统仿真与可视化软件，例如辽宁工程技术大学开发的矿井仿真系统软件MVSS[5]；由美国VPL公司创建人拉尼尔提出的虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)可用于仿真、人机交互式、三维动态模拟[6]；还有三维GIS、Visual Studio、Data Mine等[7-8]。由于各因素之间相互叠加影响矿井通风系统稳定性，很难发现单个因素对矿井通风系统稳定性的影响[9]，并且传统的二维技术由于数据显示不全面、不能实现动态模拟等原因，不能满足大型复杂矿井的要求。而金码软件(北京)有限公司开发的Ventsim三维仿真软件是综合性软件，不但可以进行风网解算，也可以进行状态模拟和经济分析。比如风流模拟、污染度模拟、热模拟、通风经济性分析等[10]。

1 Ventsim仿真软件[11-12]

1.1 主要功能

(1)可直接导入画好的矿井通风系统AutoCAD图，也可以根据矿井测得的数据在系统界面上直接画。

(2)可以浏览三维矿井图中巷道内通风设施布置情况，进行整体系统的虚拟现实浏览。

(3)对新建或正在生产中的矿井进行通风网络系统设计、网络解算和动态风流模拟；模拟风门、风窗、密闭等通风构筑物的设置和风量调节结果；进行风机选型，风机运行工况点分析等。

(4)模拟井下柴油机、爆破、火灾等的有害气体、粉尘扩散路径和浓度，并辅助进行灾害处理和预案制定工作。

(5)对井巷中的冷源、热源等进行三维建模，实现定量分析矿井的加热或降温效果。

(6)具有矿井通风系统自然风压分析和深井(超过500 m)空气压缩分析的功能。

(7)主要巷道经济断面的选型、通风系统的通风经济性和通风能力分析，进行通风系统全局性优化处理。

1.2 系统理论

矿井通风系统在Ventsim三维通风仿真情况下，可以实现参数的实时模拟。由于矿井通风系统稳定性受多种参数变化的影响，系统网络更趋于复杂化，人工很难计算出来。因此，要在矿井通风系统时刻变动的状态下进行控制，要必须快速地实现风网解算，才能得出准确的结果。软件采用Hardy-Cross迭代法求解通风网络，在本质上是依据风量平衡定律、风压平衡定律、风阻定律和通风系统属性数据的基础上建立的系统模型。根据通风网络中各个分支巷道的初始风量，近似求出各个风路的风量增值ΔQk(修正值)，对风路中各分支巷道的风量分别进行修正，再迭代计算，直到修正值ΔQk满足给定精度[13-14]。如图1所示，通过迭代次数的网络调整，寻找可接受的解决方法。

对有风机和自然风压作用的网孔，其风量修正值可以用下式表示：

图1 Hardy-cross方法中的风量压降关系Fig.1 The diagram of ventilation pressure drop in Hardy-cross methodh—通风阻力；R—井巷风阻；Q—真实风量；Qa—近似风量；ΔQ—初拟风量与真实值的误差； Δh—初拟通风阻力与真实值的误差。

(1)

式中，ΔQk为回路风量增量值；k=1,2,…,M(M为独立网孔数)；Ri为井巷风阻真实值；i=1,…,b(b为分支巷道数)；Hfk为风机风压；Nvpk为自然风压；ak为风机特征曲线斜率，dHf/dQ;Hf为风机压降；Qai为近似风量。

2 矿井概况

根据矿山设计，某金属矿矿井整体标高-300～347 m，全矿共设置风机13台，其中采场排风扇3台，地表风扇7台，局部风扇3台，风机风压类型采用全压法。该矿采用主副井集中开拓，共有3个采矿工作面，其中P400采矿场为正在筹建中的矿场，P415采矿场为正在开采的矿井，P430采矿场是已经采矿完毕封闭废弃的矿井。正在开采的矿场划分为4个开采中段，各个中段开采高度为20 m。

本研究以该金属矿通风系统的原始数据为依据，分析特征分支风阻变化对整个通风系统的影响。根据该金属矿矿井通风系统设计状况，进回风井筒位置分布及工作面分布情况等因素，通风方法采用抽出式，即在主井设置主通风机并进行进风，T48RAR和U43回风井回风。在矿井通风系统中，风流通路为新风从主井进入，经M41FAR主通风井和M40斜坡道进入工作面，采场排出的污风进入上中段回风平巷后通过采场排风扇抽出进入回风井T48RAR系统排出地表；溜矿系统、采场开拓系统和车间区域排出的污风经回风井U43竖井排出地表。矿井通风三维仿真视图如图2所示。

3 风阻变化对通风系统稳定性的影响

首先改变通风系统某一参数的值，使其按照一定的规律进行改变，并保证通风系统其他参数不变。借助Ventsim三维矿井通风系统软件，得出特定系统状态下的解算结果，对结果进行图表分析。由于需要分析的通风系统比较复杂，因此需要选定特定分支(见表1)进行分析，如：进风井、回风井、中段运输大巷和工作面。其他文中未涉及的分支可采用类似的方法进行分析。

图2 三维通风系统模型Fig.2 3D ventilation system model

3.1 单分支风阻变化对通风系统稳定性的影响

在该金属矿矿井通风系统中，与地表相连的进风井筒和斜坡道包括斜坡道+87.9～+226 m，U37竖井通风井筒+87.9～+241.7 m，M40水平入口+148～+148.7 m，主进风井+132.9～+147.9 m。根据现场采集的矿井通风系统数据结果可知，主进风井相对于其他进风分支对通风系统稳定性的影响最大，对其进行研究具有代表性的意义。该分支风阻的变化对矿井通风系统的影响是全局性的。当该分支的风阻变化时，用Ventsim三维矿井通风系统软件对其进行网络解算，解算结果见表2所示。表2中分支风阻变化率中的“1 000”是非常规值，表示将该分支风阻增大到正常分支风阻的1 000倍，用来分析在非正常状态下通风系统中风量和风压的变化情况。

表1 用于风阻可调节性研究的特征分支Table 1 The resistance of the characteristic branches can be regulatory researched

表2 主进风井分支风阻变化数值模拟结果Table 2 The numerical simulation results of wind resistance changes of the main ventilation well branches

3.2 多分支风阻变化对风机等效风压的影响

由于该金属矿出入口分支不是很多，将出入口分支分为2组即可：第1组为入口分支，包括有主进风井、M40水平入口、斜坡道、U37井筒；第2组为出口分支，包括有U43竖井和T48RAR回风井。第1、2组分支风阻变化对矿井通风系统中风机1、2和3的风机风压效率影响结果如图3所示。

3.3 模拟结果分析

(1)主进风井风阻变化对各个特征分支风量的影响各不相同。分支1、12和398的风量是随主进风井风阻增大而变大的；分支14、134、133、399和400的风量是随主进风井风阻增大而变小的；而分支319是随主进风井风阻增大基本保持不变的。其中，进、回风口的风量变化最大，对矿井整体通风效果有明显的影响。因主要通风机设置在进、回风井中，所以矿井通风系统中各个风机之间并不是独立工作的。风机之间相互联系形成复杂的非线性系统对矿井通风系统稳定性产生重大的影响。

图3 分支风阻变化对风机风压效率的影响Fig.3 The changing of branch wind resistance impact on the efficiency of the fan air pressure◆—一组风机1；■—一组风机2；▲—一组风机3； ×—二组风机4；△—二组风机5；●—二组风机6

(2)当主进风井风阻增大时，2个回风井中的风机风压减小，主进风井中的风机风压增大，深部通风机的风压不变。而在风阻极致状态“1 000”时，风机出现失速的情况。说明，随着矿井通风系统的阻力增大，需要提高风机的动力来弥补这部分增加的阻力，促使风机工况点向左偏离进入不稳定区域。使得整个矿井的通风效率降低，各用风地点的风量值未达到正常运行标准。矿井通风系统的稳定性对这类分支风阻变化的敏感度很大，可以用来预防矿井通风系统不稳定性的发生。通过分析发现，所有进风分支风阻发生变化都会对风机风压的效率产生不同程度的影响。而在矿井深处用来补给风量的风机只影响与它有关联的分支，因而影响区域是局部性的。

(3)当矿井通风系统所有进风或回风分支风阻增大时，风机风压效率在进风井中上升，而在回风井中下降。但对于风机在不同风井中，风机效率的变化率和风压的变化量却有较大区别。利用矿井通风系统的这一特点，可以优化矿井通风系统，通过调节各个分支的参数，帮助稳定矿井通风系统。

4 结 论

(1)特征分支的风量和风压在某一分支风阻变化下的影响。为了保证矿井整体通风量的稳定，如果主进风井分支风阻的值变大了，那么其他进风分支1、12和398的风量也是变大的；而回风分支14、399、中段分支134、通向工作面分支133和主进风井400本身的风量是变小的；分支319处于局部通风区域不受主通风机的影响，因而风量基本保持不变。当主进风井风阻增大时，2个回风井中的风机风压减小，主进风井中的风机风压增大，而深部通风机的风压不变，在风阻达到极致“1 000”时，风机会处于失速状态，对矿井通风安全影响极大。

(2)多分支风阻变化对主要风机风压效率的影响。当第1组进风井分支风阻变化为原来的2倍时，矿井通风系统中风机风压的平均效率达到70.6%；第2组回风井分支风阻变化为原来的一半时，矿井通风系统中风机风压的平均效率达到72.8%。因此，适当增大进风井分支风阻或减小回风井分支风阻可以提高风机风压总体效率，但是回风井分支风阻为零时反而不利率风机风压效率的提高。

(3)采用Ventsim三维仿真通风软件对矿井通风系统参数进行网络解算和风流动态模拟。通过参数调节实现通风网络的优化处理，为通风管理人员和技术人员提供了一套科学管理的工具和必要的数据依据。与其他方法相比，具有获取的结果更具有科学性、准确性和可靠性，从而使该软件具有了较高的实用价值。

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(责任编辑 徐志宏)

Optimization of Mine Ventilation Resistance Parameter Based on Ventsim Software

Li Zijun Chen Yanli

(SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

It's very important to research the impact of the wind resistance changing regular of mine ventilation on mine ventilation network solution and optimal regulation. The single factor analysis method is proposed to realize a fast and high efficient optimal ventilation system by using the equilibrium rule of air volume，wind pressure and wind resistance of the ventilation system. In this method，the reacting rule for the other branch's air volume and air pressure with the variation is concluded through changing the wind resistance of one roadway branch. Taking a metal mine for example，the ventilation system model was introduced into Ventsim three-dimensional simulation system. Selecting a special branch as a representative，with any other parameters unchanged，and varying its wind resistance，the data needed were calculated out by simulation. Finally，the resolving results were analyzed and compared to determine the relationship between the branch and the associated branch's air volume and fan operating to judge its impacting level on the stability of the ventilation. The research not only provides the theoretical basis for the design of the mine ventilation system at early stage，but also the data support for post-mine ventilation system operation and reconstruction，and eventually lays a solid foundation for realizing the mine safety production.

3D ventilation simulation，Ventsim system，Ventilation simulation，Ventilation network resolving

2013-11-24

李孜军(1967—)，男，副教授，博士，博士研究生导师。

X936

A

1001-1250(2014)-03-136-05