基于三维仿真的四季气候变化对矿井通风影响规律研究

2024-04-02柴青平傅国辉邓皓泽黄铂然王培涛

中国矿业 2024年3期

柴青平，傅国辉，邓皓泽，黄铂然，黄浩，王培涛

（1.鞍钢集团矿业有限公司，辽宁鞍山 114001；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083）

0 引言

自然风压是矿井通风系统中一种客观存在的自然现象[1]。随着四季气候的变化，矿井内的自然风压也会受到一定的影响，其大小和方向会随着季节气候的变化而发生改变。由于自然风压受到季节气温的影响，矿井通风系统会受到不同程度的干扰[2]。通过研究季节变化下自然风压的变化规律，有助于指导优化矿山通风系统，降低通风成本，提高通风效率。

为了深入理解自然风压的变化特性以及对整个通风系统的影响，李亚俊等[3]对自然风压的形成机理和影响因素进行了深入研究，并推导出一种计算自然风压的有效方法；李茂等[4]针对新疆年温差大、昼夜温差大的气候条件特点，运用Ventsim 软件对矿山通风系统提出优化改造技术方案，提高了矿井风量和通风效率；胡善祥[5]根据矿井的相关参数，计算夏季、冬季的矿井自然风压以及一天中矿井自然风压的变化，从而分析自然风压对矿井通风的影响；彭家兰等[6]利用3DVS 系统中设计的自然风压计算模块，模拟自然风压对全矿通风的影响程度，通过调整风机频率来适应不同季节的变化，实现利用自然风压辅助通风的目标；张志伟[7]基于自然风压的四季流动特性，揭示了自然风压对古城煤矿通风系统的影响，通过在进风井安装供暖设备，实现了减小冬季矿井自然风压的目标；王宝明[8]依据某煤矿通风系统测试数据，研究得出自然风压与回风井温差值呈正比关系；马恒等[9]基于流体静力学与热力学，得到了矿井实时的自然风压算法，并在长平煤矿的应用中证明了其可靠性，为矿井通风系统稳定性研究提供了一定的理论基础；马奎等[10]分析了深井基建时期自然风压与通风方式的相互作用关系，判断了自然风压下反风工况的风流方向；张加元[11]研究了开采深度与通风负压工况下自然风压对矿井通风系统的影响规律；宋大和[12]探讨了深井井筒贯通的通风问题，得出自然风压对井筒贯通时刻通风稳定性有着重要作用；王利国[13]分析了煤矿建设时期通风系统稳定性变化规律，进一步研究了空气密度对自然风压大小与方向的影响；耿俊斌[14]探讨了温差、湿度、空气密度、矿井开拓布局及深度对自然风压的影响规律。

通过工作经验和大量数据分析，发现矿井通风系统与自然风压之间存在紧密联系，蔡海伦等[15]利用Ventsim 软件模拟了会宝岭铁矿的通风系统，并分析了自然风压对各分支风路的敏感性，发现其对部分联络巷通风影响较大且夏季自然风压对矿井通风起抑制作用；张金堂等[16]发现自然风压对矿井通风有着促进与抑制作用，揭示了井筒反风时温度与自然风压的影响规律；余志剑等[17]基于井下自然风压变化规律，利用其特点对主扇风机进行实时控制，为矿井通风系统节能提供了有效措施；乔海涛等[18]揭示了自然风压对矿井通风系统的影响规律；张永亮等[19]设计了通风远程监控系统，结合自然风压随四季气候变化特性，提出了自然-机械联合作用通风方法，实现了金青顶矿区的节能目标。上述研究成果表明：自然风压对矿井通风系统影响显著，具有抑制与促进作用。

综上所述，不同学者通过计算从进风井到回风井完整回路的自然风压或开展实地测量进行分析，掌握自然风压在不同时期对矿井通风的量化影响效果，并充分利用此规律实现矿山的节能通风。但针对四季气候变化对复杂通风系统影响的研究较少，为进一步了解季节变化对矿井通风的影响，利用三维仿真软件，通过建立眼前山铁矿三维通风系统模型，模拟不同季节气候下通风系统进风井口自然风压大小与方向，从而分析自然风压随季节变化对眼前山矿井通风系统的影响，并利用此规律对眼前山主机站风机进行优化，实现利用自然风压辅助通风，达到节能的目的。

1 工程概述

眼前山位于鞍山市，属于温带季风性气候区。春季日照时间长，降雨量小，因回暖快，湿度较小；夏季降水量大且较为集中，气温较高，酷热较少；秋季湿度低，气温急降；冬季整体干燥寒冷。全年最高气温36.90 ℃，最低气温-30.40 ℃，全年平均气温8.60 ℃。

眼前山铁矿的井下通风采用了多级机站通风方式。所设置的风机机站位于采区进风天井、主进风井、主回风井、采区回风天井的联络巷。进风主要依靠副井、1 号主进风井、2 号主进风井、3 号主进风井、主斜坡道，回风依靠东主回风井、中央主回风井、西主回风井[20]，如图1 所示。

图1 眼前山铁矿通风系统Fig.1 Ventilation system of Yanqianshan Iron Mine

眼前山铁矿井下通风系统在初期设计中对自然风压的利用较少，且风机选型方面未将四季气候变化因素考虑其中，由于眼前山地区四季分明，昼夜温差大，湿度变化较大，涉及工况较多，因此，通过收集数据进行自然风压模拟，掌握其变化规律，充分利用自然风压辅助通风，提出相应措施，达到节能目的。

通常计算的自然风压是指一个闭合回路中由于存在温度或密度的差别从而引起的自然风压。眼前山铁矿通风系统较为复杂，巷道线路繁多，进风井与回风井之间存在分流，并未有完整闭合的回路；且三维仿真系统以每条巷道作为独立计算对象，模拟出每条进风井处的自然风压值和方向，因此，选用三维仿真系统进行自然风压模拟计算。

2 建立三维仿真模型

2.1 三维通风仿真系统

三维通风仿真系统可对通风网络进行解算，其动态模拟原理主要为Scott-Hinsley 迭代法，借助计算机平台的强大运算能力，多次进行风流模拟迭代达到系统平衡，实现对矿井通风系统的实时动态模拟。三维通风仿真系统可建立矿井仿真三维通风网络模型，通过对巷道主要参数赋值，实现风流模拟后，能够进行仿真三维条件的通风网络、风压、风速、风流态、自然风压、通风成本等信息显示，针对不同通风复杂程度的金属矿山均可达到良好的模拟效果。

2.2 建立眼前山通风系统三维仿真模型

根据矿井通风系统图，结合现场实测数据，建立眼前山通风系统三维仿真模型，实现了矿井风流、风机运行和通风构筑物等动态模拟。具体构建步骤如下所述。①导入眼前山铁矿不同水平巷道中线CAD 图形文件。②选中巷道中线图形，通过三维仿真软件自动生成巷道，并对不同巷道界面进行修改设置，对不同水平巷道进行分类和用途划分。③设置巷道进出口的连接类型，根据现场测定风向，对巷道风流方向进行固定。④将在前期调研中测量的通风阻力系数、巷道壁面支护形式、风门或通风构筑物类型、巷道断面形状尺寸、地表工程环境信息、地热梯度等参数设置于模型中，在不同水平进风井、回风井联络巷设置主风机和辅助风机、局扇，在对应位置设置通风构筑物或风门。⑤设置工程环境信息，地表岩温、地表干球温度、湿球温度、地温梯度等基本环境信息。⑥通过风流模拟解算修正通风系统模型。最终得到眼前山铁矿通风系统三维仿真模型，共建立6 020 条分支和6 260 个节点，风路总长度90 875.60 m，眼前山通风系统三维仿真模型如图2 所示。

图2 眼前山铁矿通风系统三维仿真模型Fig.2 3D visualization model of ventilation system in Yanqianshan Iron Mine

为验证三维仿真模型的准确性，对眼前山铁矿-123 m 回风水平与-303 m 进风水平处的主巷、进风井、回风井联络巷的风速进行测量；通过设置模型参数，进行风流模拟，得到验证节点的风速数据，根据选取节点的实测数据和模拟解算数据进行对比分析，结果见表1。

表1 进风水平和回风水平处实测风速值与模拟风速值对比Table 1 Comparison of measured and simulated wind speed values at the intake and return air levels 单位：m/s

共计选取有效风速验证节点18 处，风速平均差值约为0.31 m/s，误差在可接受范围内，进一步说明了三维仿真模拟良好、可靠性高、准确性高，模型具备展开自然风压模拟的基础。

3 三维仿真模拟四季气候变化

3.1 眼前山地区四季气候情况

考虑眼前山地区一年四季温差变化较大，需要对四季进行精细划分，因此分别展开三维仿真模拟：一年中的春季、夏季、秋季、冬季，每个季节为3 个月，每个月取1 d，每天取日间9 时与夜间9 时两个时间节点，总计24 个时间节点；通过现场实测，并调研气象局历史数据，收集了2022 年3 月至2023 年2 月眼前山地区近一年的昼夜温湿度数据，提取其中24个时间节点的地表平均温度、湿度组成24 种工况，见表2。

表2 眼前山地区四季昼夜温湿度数据Table 2 Temperature and humidity data of day and night in four seasons in Yanqianshan Area

3.2 三维仿真系统自然风压计算原理

三维仿真系统在热量模拟过程中充分考虑了温度、压力、自然通风可变性等多种因素。为了实现这一目标，将预先模拟的外部空气平均密度设定应用于风流解算中，计算得到自然风压。

三维仿真模拟时，每个巷道对应不同的出入口，使用传统计算原理工作量较大，因此，不计算总的自然风压；通过设置多种工况条件进行通风模拟，三维仿真系统会计算每一条巷道的自然风压，通过假设一条同标高的巷道，将矿井内部与外部空气的平均密度进行差值计算。通过模型预设的地表干球温度、湿球温度、地表大气压强自动计算矿井外部空气密度，并且会随着巷道高程的变化而发生改变。在风流模拟过程中，计算得到了矿井空气密度，而巷道风流密度则代表了内部空气的密度。最终通过公式计算出各个巷道的自然风压值。

三维仿真系统中自然风压计算见式（1）。

式中：P为自然风压，Pa；dρ为矿井内部与外部空气平均密度差，kg/m3；g为重力加速度，取9.81 m/s2；h为巷道高程差，m。

3.3 自然风压结果分析

基于仿真模型进行通风模拟计算，研究得出副井、1 号主进风井、2 号主进风井、3 号主进风井处的自然风压，具体数据见表3，自然风压变化曲线如图3 所示。

表3 进风井自然风压数值Table 3 Natural air pressure values of inlet shaft 单位：Pa

图3 自然风压变化曲线Fig.3 Change curves of natural wind pressure

由表2 可知，进风井处自然风压大部分时间段为正值，对矿井通风起到积极作用。1 号主进风井、2 主号进风井在夏季日间出现了负值的自然风压，这表明此时风压与通风机的通风方向相反，不利于新鲜风流的进入，夏季（日）H1=-5.70 Pa，夏季（日）H2=-3.60 Pa。因此，针对1 号主进风井、2 号主进风井，在夏季日间运行期间，需关注其主要通风机的工况点，在保证矿井通风量的同时，适当调整风机转速或扇叶角度，避免风机低压低效率运行，并加强通风机管理。

由图3 可知，可发现4 条进风井的自然风压随着四季气候的变化，呈现出一种类似于正弦曲线的变化趋势，即“夏季低、冬季高”。这种整体变化规律在各个进风井之间基本保持一致。其中，冬季自然风压值最高，利用价值较大。

眼前山地区冬季、秋季、春季地表气温时常较低，全天候自然风压与矿井的通风方向保持一致，这使得自然风压对矿井的通风起到了一定的助推作用。井下风量有所增加，可利用这一特性调整主要通风机转速、功率、叶片安装角度等，在满足矿井通风需要的同时又满足矿井通风风压的需要，实现安全运行及经济节能的目的。

3.4 自然风压对矿井风量的影响

通过改变矿井四季气候条件，进行多次模拟并记录1 号主进风井、2 号主进风井、3 号主进风井、副井处风量值，进一步反映四季气候对矿井通风的影响规律，如图4～图7 所示。由图4～图7 可知，4条进风井的风量变化趋势基本趋于一致，1—8 月随着气候变化，温度上升，风量逐渐降低，直至夏季为全年最低值；9—12 月随着气候变化，温度降低，进风量逐渐增大，直至冬季上升至全年最大值。对比图中日间与夜间的曲线段，可明显看出进风井全年的风量值，夜间大于日间；由于眼前山地区昼夜温差变化较大，夜间温度降低有利于矿井通风。

图4 一号主进风井风量变化曲线Fig.4 Change curves of air volume in No.1 main inlet shaft

图5 二号主进风井风量变化曲线Fig.5 Change curves of air volume in No.2 main inlet shaft

图6 三号主进风井风量变化曲线Fig.6 Change curves of air volume in No.3 main inlet shaft

图7 副井风量变化曲线Fig.7 Change curves of air volume in auxiliary shaft

综上所述，4 条进风井全年风量变化曲线呈U型分布，秋季与春季进风井风量变化趋于平稳，夏季进风井风量受自然风压影响明显降低，夏季日间自然风压不利于矿井通风；冬季进风井风量受自然风压影响明显增高，冬季自然风压有利于矿井通风。

4 自然风压的利用与节能

眼前山铁矿井下通风系统在初期设计中对自然风压的利用较少，且风机选型方面未将四季气候变化的因素考虑其中。通过上述分析可知，眼前山矿区在冬季期间，其进风井处自然风压有利于通风且利用价值大，运用此规律，充分利用自然风压辅助通风；由于秋季与春季自然风压对矿井通风影响较小，因此，在夏季与冬季两种工况下，对风机进行优化研究。眼前山夏季通风室外计算温度为29.00 °C，室外大气压力为100.26 kPa，平均室外风速为3.00 m/s；冬季通风室外计算温度为-21.00 °C，平均室外风速为3.30 m/s，室外大气压力为102.39 kPa；前者设定为工况一，后者为工况二；在两种工况下，以目前眼前山铁矿风机实际设置的运行情况，通过三维仿真模拟主风机通风，模拟结果见表4。

表4 通风网络系统报告Table 4 System report of ventilation network

根据通风网络系统报告结果可知，以风机现功率设置进行通风模拟，冬季由于自然风压辅助作用，利于风机运转，使得总进风量达到了826.40 m3/s，进风总量提高35.40 m3/s 左右，远远超出矿井需风量，且工况二条件下通风系统整体输入电功率比工况一条件下多出200.80 kW。由此可知，若全年保持相同的风机参数设置，将造成现场用电浪费，因此，需对主基站风机工况点进行适当调节，达到适合冬季通风时的工况点。

通过对比在相同参数设置下风机在夏季与冬季的工况点（图8），可得出2-3 基站风机夏季运行时工况点：风压586.10 Pa，风量94.50 m3/s；冬季运行时工况点：风压718.70 Pa，风量94.50 m3/s。2-4 基站风机夏季运行时工况点：风压552.20 Pa，风量94.90 m3/s；冬季运行时工况点：风压676.40 Pa，风量95.20 m3/s。2-15 基站风机夏季运行时工况点：风压516.60 Pa，风量143.80 m3/s；冬季运行时工况点：风压629.10 Pa，风量143.80 m3/s。2-16 基站风机夏季运行时工况点：风压572.50 Pa，风量143.10 m3/s；冬季运行时工况点：风压699.10 Pa，风量143.10 m3/s。冬季工况点相较于夏季工况点向上偏移，风压显著增大。

图8 三维仿真模拟基站风机工况点Fig.8 3D simulation of fan operating points in base station

针对主机站2-3 基站、2-4 基站的K-8-19 型风机和主机站2-15 基站、2-16 基站的K-8-23 型风机进行工况点调节，在冬季时期将主扇的叶片安装角由35.00°调整至30.00°。以工况二为环境条件，再次设置模型中对应风机的相关参数，重新开展矿井通风系统风流模拟，得到的对比结果见表5。

表5 风机优化前后通风网络系统报告Table 5 Ventilation network system reports before and after fan optimization

由表5 可知，风机进行优化后，总进风量与夏季平日需风量基本持平，未出现进风量过剩的情况，同时保证了与优化前相当的通风网络效率，并减少了约173.00 kW 的输入电功率，具有节能降本的效益潜力；目前，眼前山铁矿所采用的风机暂时不具备变频调节功能，对现场风机进行扇叶角度调整较为困难，但后续随着智慧矿山逐渐发展成型，矿山风机将更新迭代为可调节式变频风机，上述风机优化建议可为矿区自然风压的利用提供理论基础，后续还需通过变频风机的引用来进一步验证此优化建议的可靠性。