地下非煤矿山提升系统物理仿真平台构建及应用

莫东旭 侯朋远 张伟峰 徐 帅

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819;2.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳110819)

提升系统是矿山井生产过程中的重要环节，是联系地表和井下的咽喉要道，因而从整体上把握系统的构成及运行方式显得尤为重要［1］。近年来随着3Dmine、Ventsim 等虚拟仿真软件的应用，降低了对提升系统理解的难度，同时也简化了提升系统中确定性问题的求解过程，但对提升系统的不确定性问题(比如提升能力、摩擦风阻等)仍未解决［2］。物理模型试验(即按照不同比例建立与原型相似的装置)可以帮助试验者分析现象的本质和机理，进而解决工程实际问题，同时也可检验某些工程假设的正确性。

现阶段针对提升能力、摩擦风阻校核的研究较多。郭金龙［3］分析了制约煤矿主井提升机提升能力的主要因素，提出了提高主井提升机提升能力的有效技术途径;路培超［4］提出采用由里向外核算法确定矿井通风能力，提出了一套新的煤矿通风能力核定方法，核定的方法和内容更符合煤矿安全生产实际;柳明明提出的Ventsim 三维通风仿真系统在金属矿山的应用可以实现风网解算、风流模拟、热模拟、经济性模拟的功能，能够满足金属矿山三维通风系统管理的要求等［5-8］。这些研究成果虽然为提升系统的设计提供了部分有力依据，但没能完全解决设计阶段参数选择不合理等问题。为解决这些难题，本研究构建一种提升系统物理仿真平台，通过改变井筒直径、罐笼尺寸和罐笼提升速度，进行提升能力和摩擦风阻的校核试验，为矿山提升系统的设计与优化提供依据和支撑。

1 平台构建

物理仿真也称实体仿真，一般仿真的过程是以物理性质和几何形状相似为基础，而其他性质不变的仿真。它是在系统的物理模型上进行试验的技术，具有实时性。

仿真系统在矿井安全生产中运用广泛，比如模拟矿井开采、安全培训、设备虚拟制造等。通过利用仿真虚拟技术，可以实现在现实矿井中生产的各种场景，逼真地描绘出井下的生产过程以及运作的手段，对于矿山的安全生产有着重要的作用［9］。本物理仿真平台按照1 ∶100 比例制作，分别由可替换井筒、井筒内通用装配组件(梯子、电缆、罐道梁、罐道、风水管路等)、可调容积的罐笼、固定装置、提升装置等构成，如图1 所示。

图1 固定装置和提升装置实物Fig.1 Pictures of fixed set and hoisting devices

(1)可替换井筒。平台配备4 种直径分别为65、70、80、90 mm，长度均为1 m 的圆形井筒。在每种井筒竖直方向上每隔20 cm 钻4 个两两平行的孔，孔径均为3 mm，用以安装罐道梁，同一水平上罐道梁之间的距离由罐笼宽度决定，如图2 所示。通过可更替的井筒并配合相应尺寸的罐笼，完成通风性能和提升能力核算。

图2 井筒模型Fig.2 Shaft model

(2)可调容积的罐笼。平台通过改变主体罐笼隼接式连接件中间卡隼的横向长度来调整罐笼的宽和高，改变纵向长度来调整罐笼的长，进而改变罐笼的体积。罐笼体积从67.1 cm3至164.8 cm3共40 种调整方案，一方面能够通过改变井筒直径并配合相应尺寸的罐笼，进行提升能力的核算，另一方面通过测试3 种情况下(静止状态、罐笼运动状态、不同直径的井筒)的风压和通过的风量，核算相应情况下的风阻和井筒的摩擦风阻，如图2 所示。

(3)井筒内通用装配组件。井筒内通用装配组件包括:①梯子间。由梯子、梯子间隔板和梯子间平台构成，用作安全出口和井筒内各种设备检修。②管缆间。由风水管路、电缆和隔板构成，用作布置排水管、压风管、供水管、下料管等各种管路和动力、通讯、信号等各种电缆。③提升间。由罐道、罐道梁构成，用作布置提升容器，减少提升容器运行时的横向摆动。

(4)固定装置。固定装置由底座、竖直杆、喉箍杆、喉箍、平台杆、提升平台构成。其中底座用于支撑整个固定装置，连接底座的竖直杆用于固定喉箍杆和平台杆;使用喉箍杆和平台杆将喉箍和提升平台固定在相应高度。通过固定装置将井筒、卷扬机固定，为后续仿真平台搭建提供支撑，如图3 所示。

图3 固定装置和提升装置示意Fig.3 Schematic diagram of fixed sets and hoisting devices

(5)提升装置。提升装置包括:①微型卷扬机。将微型卷扬机与PLC 控制系统连接，通过PLC 编程语言实现微型卷扬机转速的控制，使得罐笼在井筒中平稳地运行。②天轮模型。天轮被安置在井筒正上方，撑起连接微型卷扬机和罐笼的钢丝绳，并引导钢丝绳转向。如图3 所示。

2 教学演示

(1)井筒装配演示。将井筒用亚克力板隔成提升间、管缆间和梯子间。在提升间的上下两端采用黏接方法固定安装由铝合金制作的罐道梁，在上下罐道梁上安装铝合金制作的罐道。采用4 个罐笼“L”形转角、配合4 个罐笼隼接式连接件构成罐笼。在罐笼的两侧面分别安装由铝合金制作并与罐道相对应的罐耳。提升钢丝绳的下端固定在罐笼的顶部，如图2所示。在井筒的一侧自上而下距井筒顶部30、60、90 cm 处顺着罐笼开口方向分别开设与折返式井底车场、尽头式井底车场和环形井底车场相对应的马头门，图4 所示。

图4 井筒与井底车场连接示意Fig.4 Connection of shaft and shaft bottom

(2)提升控制演示。将装配好的井筒通过喉箍固定在固定装置上，在提升装置的提升平台上安装1个微型卷扬机，如图3 所示。将微型卷扬机与PLC控制系统相连。在马头门两侧布置红外传感器，当车厢被推入或拉出罐笼时，红外传感器接收到信号，将信号传至PLC 控制系统。在井筒靠近马头门的位置布置红外传感器，当罐笼运行红外传感器位置时，红外传感器接收到信号，将信号传至PLC 控制系统，PLC 控制系统将上述2 种信号综合处理，将处理信号传给微型卷扬机，实现控制罐笼向下或向上运动。

(3)提升过程演示。装载空车厢的罐笼沿着罐道在提升钢丝绳的牵引下向下平稳运行，在微型卷扬机的控制下，使罐笼保持78 mm/s 的速度，由地表水平匀速运行分别至环形、尽头式和折返式井底车场处停住，使用电动机车将空车厢从罐笼中拉到环形井底车场装矿处，进行手动装矿，再把重车厢推入罐笼中，将载有重车厢的罐笼拉至地表水平手动卸矿，再将空车厢推送至罐笼，完成1 次循环。

3 提升系统的优化

3.1 提升系统的方案初选

对于已经投产的矿山，现有系统是否有提升改进的空间、是否最优的问题涉及到矿山的安全生产以及生产成本，是十分重要的。然而借助常规的方法进行理论计算，准确性差;借助工业试验，需要矿山停产进行系统变更，而变更设备需要大量的人力、物力与财力的投入。以上问题可以借助物理仿真平台妥善解决。提升系统的主要组成部分是井筒和罐笼，不同提升方案也是通过改变井筒的直径和罐笼的体积来实现的。本仿真平台配备65、70、80、90 mm 共4 种不同直径的井筒，罐笼体积从67.1 cm3至164.8 cm3共40 种调整方案。通过不同直径的井筒与不同体积的罐笼搭配出160 种提升系统。针对不同生产能力的矿山，进行提升系统方案选择比较时，对初选方案进行仿真模拟。

3.2 生产能力的核算

对新建矿山或新设计的系统，预设矿山生产能力，按照经验法或类比法获得矿山数个可行的方案，进行比较与优选，除了进行理论分析之外，还可利用仿真平台进行方案的验证。

保持恒定的提升速度，改变井筒直径Dj，配套选用合适的中间卡隼，改变罐笼的体积以配合井筒。进行n 次提升循环，计算模型提升量

式中，AS为模型单位时间提升量，g/h;Qn为n 次提升量，g;T 为n 次提升时间，h。

将计算得到的模型单位时间提升量按模拟矿石、矿石密度和缩放比例核算成真实矿山的单位时间提升量

式中，AZ为真实矿山单位时间提升量，t/h;q 为矿石密度，g/cm3;qm为模拟矿石密度，g/cm3;m 为缩放比例(通常为1 ∶100)。

保持井筒直径不变，选用相适合的罐笼，调节罐笼的提升速度Vi，重复上述步骤，即可得到在相同直径井筒、不同提升速度Vi情况下的单位时间提升量。通过得到的单位时间提升量再核算出矿山的生产能力，与原设计的矿山生产能力作比较，进而调整矿山的提升方案，实现提升系统的优化。

3.3 提升实例分析

利用仿真平台对某矿山的生产能力进行核算，某矿山设计生产能力6 Mt/a，设计井筒直径6.5 m，某矿山与模型参数对比如表1 所示。将计算得到的有效单位时间提升量换算成真实矿山的有效单位时间提升量，得出核算的生产能力为5.87 Mt/a。5.87 Mt/a 和6 Mt/a 相差得不多(约2%)，说明该矿山的提升能力基本上可以满足提升需求，并且不会造成太多的浪费。如果核算数据与矿山设计出入较大，则需对设计进行修改。如果提升能力核算结果大于设计生产能力，需要更换小尺寸罐笼和小直径的井筒;反之更换大尺寸罐笼和大直径的井筒。然后重新挑选提升系统模型进行核算，直到设计提升能力和核算结果相接近为止。也可对提升速度进行调节，但减慢罐笼速度会造成能量的浪费，加速罐笼速度会造成矿山安全隐患，故一般不采用改变罐笼提升速度的方法。

表1 某矿山与提升模型参数对比Table 1 Parameters comparison of hoisting model with a mine

4 通风性能的优化

现阶段矿井通风性能的确定方法主要是通过解算通风网络的方法进行粗略计算，计算过程中涉及到各种系数的确定，造成摩擦风阻计算不准确。然而借助仿真平台，通过测试手段对井筒的摩擦风阻进行确定，可以减少误差，更合理地选择通风设备，进而在保证安全生产的条件下优化通风性能。

如图5 所示，沿着井筒方向由上至下3 个测点对应3 条运输巷道，其所需风量分别计为Q1、Q2、Q3，则由风量平衡定律［10］得出鼓风机鼓风量Q0=Q1+Q2+Q3，据此初选合适的风机。

图5 摩擦风阻核算Fig.5 Accounting of wind friction resistance

使用皮托管测量井筒上下的风压差H，通过式(3)计算可得总摩擦风阻R0:

式中，R 为风阻，N·s2/m8;H 为通风阻力(风压差)，Pa;Q 为风量，m2/s。

4.1 罐笼不同运动状态下摩擦风阻核算

调整卷扬机的转速改变罐笼的提升速度vi，使用鼓风机从井筒上端向井筒内鼓风，并用风量测量计测量鼓入风量的大小Qi1，使用皮托管测量井筒上下的风压差Hi1，通过式(3)计算可得摩擦风阻Ri1，改变风机鼓入风量，重复上述步骤计算得到摩擦风阻Ri2、Ri3，计算其平均值即为井筒在提升速度Vi下的风阻Ri。取Ri与Ri0中较大值参照式(4)计算得到的模型摩擦风阻按缩放比例核算成真实矿井的摩擦风阻，这样既能满足矿井风量的要求又能克服矿井的摩擦阻力:

式中，RZ为真实矿井的摩擦风阻，g/h;m 为缩放比例(通常为1 ∶100)。

4.2 不同直径井筒摩擦风阻核算

在井筒直径为Dj情况下，调整卷扬机的转速使罐笼的提升速度保持恒定，使用鼓风机从井筒上端向井筒内鼓风，并用风量测量计测量鼓入风量的大小Qj1，使用皮托管测量井筒上下的风压差Hj1，通过式(3)计算可得摩擦风阻Rj1，改变风机鼓入风量，重复上述步骤计算得到摩擦风阻Rj1、Rj2，计算其平均值即为井筒直径为Dj下的摩擦风阻Rj。取Rj与R0中较大值参照式(4)计算得到的模型摩擦风阻按缩放比例核算成真实矿井的摩擦风阻。

4.3 罐笼静止情况下摩擦风阻核算

模拟井筒压入式通风的风阻。首先使罐笼在井筒中保持静止，使用鼓风机从井筒上端向井筒内鼓风，并使用风量测量计测量鼓入风量的大小Q1，使用皮托管测量井筒上下的风压差H1，通过式(1)、式(2)计算可得摩擦风阻R1，改变风机鼓入风量，重复上述步骤计算得到摩擦风阻R2、R3，计算其平均值即为该井筒在罐笼静止状态的摩擦风阻RJ，如图5 所示。利用RJ与满足各个运输巷道通风要求时的摩擦风阻Ri0，结合矿山井下摩擦风阻、自然风压和所需风量核算当井筒或井筒内设备维修时所需风压，进而调整风机鼓入风量，或者更换风机，保证安全生产，减少资源浪费，降低经济损失。

4.4 通风实例分析

利用仿真平台对矿山进行摩擦风阻核算。某矿山设计摩擦风阻为0.3 N·s2/m8，设计井筒直径为6.5 m。该矿山与模型参数对比如表2 所示。通过计算得到模型的摩擦风阻为2 910 N·s2/m8，参照式(4)计算得到的摩擦风阻按缩放比例核算成真实矿井的摩擦风阻为0.291 N·s2/m8。0.291 N·s2/m8与0.3 N·s2/m8相差不多，说明可以将核算好的风阻应用到矿山，再利用当地自然风压、矿井所需风量、矿山井下摩擦风阻，选择合适的风机，减少通风所产生的费用。如果摩擦风阻核算结果大于矿井设计的摩擦风阻，说明井筒不能满足通风要求，需要更换大尺寸罐笼和小直径的井筒，然后重新挑选提升系统模型进行核算，直到摩擦风阻核算结果与矿井设计的摩擦风阻相接近为止。反之，由于井筒和罐笼尺寸是由提升能力确定的，则不需要调节井筒和罐笼的尺寸。

表2 某矿山与通风模型参数对比Table 2 Parameter comparison of ventilation model with a mine

5 结 论

(1)该仿真平台的应用使试验者对提升系统的认识不再局限于平面图纸、文字描述和主观想象，而是可以直观地、立体地、动态地了解矿山的提升系统。有利于高校的教学演示，有利于企业的教育培训，有利于矿山提升技术的传播和发展。

(2)在已投产矿山中，应用该仿真平台可以对提升能力和摩擦风阻进行校核，进而优化矿山的提升系统和通风性能，降低经济损失，减少安全隐患。

(3)对于新建矿山，应用该仿真平台可以对生产能力进行核算，为矿山提升系统和通风系统的设计提供支撑。此外通过该仿真平台的测试手段，可以避免理论计算时产生的误差，帮助矿山选择更合理的提升装置和通风设备。

(4)对于提升能力和摩擦风阻核算，只能针对部分尺寸的单罐笼井筒，不能适用于所有井筒，具有一定的局限性。

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