冉光建 陳紹清

(重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331)

礦井通風(fēng)方法根據(jù)風(fēng)流獲得的動(dòng)力來(lái)源不同，可分為機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)2種。礦井機(jī)械通風(fēng)利用扇風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的通風(fēng)動(dòng)力，致使空氣在井下巷道流動(dòng)的通風(fēng)方法稱為機(jī)械通風(fēng)。礦井機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)由通風(fēng)機(jī)和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)2部分組成。新鮮風(fēng)流通過(guò)通風(fēng)機(jī)由入風(fēng)井口進(jìn)入礦井后，經(jīng)過(guò)井下各用風(fēng)場(chǎng)所，然后進(jìn)入回風(fēng)井，由回風(fēng)井將污風(fēng)排出礦井。風(fēng)流所經(jīng)過(guò)的整個(gè)路線稱為礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，它由一系列縱橫交錯(cuò)的井巷構(gòu)成［1］。用相對(duì)直觀的幾何圖形來(lái)表示通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)從而得到通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算是一個(gè)非常復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，而傳統(tǒng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件需要對(duì)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖中的節(jié)點(diǎn)和分支編號(hào)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行手工分析和輸入，在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算中是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。隨著科技的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)將會(huì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算領(lǐng)域。

1 3DVent軟件的解算原理

礦井通風(fēng)的關(guān)鍵在于要解決好風(fēng)流流量在各用風(fēng)場(chǎng)所的合理分配。到目前為止，礦山的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)都較復(fù)雜，由眾多包含串、并、角聯(lián)在內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)組成，而其各分支風(fēng)量的分配難以直接求解。通過(guò)運(yùn)用風(fēng)量分配的基本定律建立數(shù)學(xué)方程式，然后用不同的數(shù)學(xué)手段，可求解出網(wǎng)路內(nèi)各分支自然分配的風(fēng)量。它是以網(wǎng)路結(jié)構(gòu)和分支風(fēng)阻為條件，求解網(wǎng)路內(nèi)風(fēng)量自然分配的過(guò)程。

傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)方法是將礦井中各用風(fēng)場(chǎng)所的風(fēng)量統(tǒng)計(jì)出來(lái)成為全礦的總需求風(fēng)量，并對(duì)礦井各用風(fēng)地點(diǎn)要求強(qiáng)制分配風(fēng)量，這種分配風(fēng)量的方式?jīng)]有根據(jù)礦井在不同生產(chǎn)時(shí)期最困難的風(fēng)路需要再次分配風(fēng)量以及進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)壓計(jì)算和選擇合適的風(fēng)機(jī)。該方法沒(méi)有能夠充分地考慮到在復(fù)雜的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各分支的串、并和角聯(lián)等實(shí)際情況，從而在井下各用風(fēng)地點(diǎn)難以合理地分配風(fēng)量，并不能精確在不同生產(chǎn)時(shí)期最困難風(fēng)路的各用風(fēng)場(chǎng)所的風(fēng)阻和風(fēng)量，而使礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大的偏差，故是不合理的。

風(fēng)流在通風(fēng)網(wǎng)路中流動(dòng)時(shí)，都遵守風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律和阻力定律，反映了通風(fēng)網(wǎng)路中3個(gè)最主要的通風(fēng)參數(shù)——風(fēng)量、風(fēng)壓和風(fēng)阻間的相互關(guān)系，是復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)路解算的理論基礎(chǔ)。目前，解算通風(fēng)網(wǎng)路使用較廣泛的是回路法，即首先根據(jù)風(fēng)量平衡定律假定初始風(fēng)量，由回路風(fēng)壓平衡定律推導(dǎo)出風(fēng)量修正計(jì)算式，逐步對(duì)風(fēng)量進(jìn)行校正，直至風(fēng)壓逐漸平衡，風(fēng)量接近真實(shí)值。3DVent通風(fēng)軟件解算和模擬的核心原理是Hardy－Cross算法，通過(guò)搜索礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的最小連通圖，并將其作為獨(dú)立的閉合回路成為計(jì)算單元，然后通過(guò)解算使網(wǎng)孔的環(huán)路壓降為0。其主要的工作原理就是通過(guò)運(yùn)用風(fēng)量分配的基本定律建立數(shù)學(xué)方程組，首先擬定一組風(fēng)量初值，然后對(duì)原方程組逐次線性化進(jìn)行求解，求出對(duì)各風(fēng)量值的一組風(fēng)量修正值，分別對(duì)各回路風(fēng)量進(jìn)行修正;然后再進(jìn)行下一次迭代，計(jì)算出新的風(fēng)量修正值，再對(duì)各回路風(fēng)量進(jìn)行修正。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的迭代計(jì)算、修正，使修正后的風(fēng)壓逐漸趨于平衡，而修正后的風(fēng)量逐步逼近于真實(shí)值，直到小于預(yù)先給定的某個(gè)精度為止，這樣得出的風(fēng)量即為要求的風(fēng)量。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的數(shù)學(xué)原理是圖論原理［2］。設(shè)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的分支數(shù)為N，節(jié)點(diǎn)數(shù)為J，按圖論有關(guān)樹的理論，該通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立回路數(shù)為M=N －J+1。其數(shù)學(xué)模型如下［3］:

當(dāng)回路中無(wú)風(fēng)機(jī)的時(shí)候，則:

式中:△Qi—礦井中各個(gè)獨(dú)立回路的風(fēng)量校正值;aij—風(fēng)道風(fēng)向系數(shù);Rj—第j號(hào)風(fēng)道的風(fēng)阻;Qj—第j號(hào)風(fēng)道的風(fēng)量;Hnj—在第i號(hào)獨(dú)立回路內(nèi)第j號(hào)風(fēng)道上的自然風(fēng)壓;Hfj—第i號(hào)獨(dú)立回路內(nèi)第j號(hào)風(fēng)道上風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓;dHfjdQj—安裝在該獨(dú)立回路第j號(hào)風(fēng)道上的風(fēng)機(jī)特性曲線在風(fēng)量Qj點(diǎn)的斜率。

2 應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行模擬

2.1 實(shí)例簡(jiǎn)介

某礦設(shè)計(jì)開(kāi)采能力為200 kta，采用平硐開(kāi)拓方式，房柱采礦法開(kāi)采，井下采用翻斗汽車運(yùn)輸，裝載機(jī)裝車，頂板管理方式為自然跨落法;礦井使用機(jī)械排水，采用分列式通風(fēng)方式，機(jī)械抽出式通風(fēng)方法，由主平硐、回風(fēng)平硐及采區(qū)巷道等組成的簡(jiǎn)單串、并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。新鮮風(fēng)流由主平硐進(jìn)入+722 m運(yùn)輸大巷，經(jīng)過(guò)+715 m運(yùn)輸平巷，到達(dá)各用風(fēng)工作面和硐室，污風(fēng)由回風(fēng)平巷，最后到達(dá)回風(fēng)平硐排出地面。

2.2 模擬礦井通風(fēng)巷道

利用3DVent通風(fēng)軟件所提供的三維可視化平臺(tái)，對(duì)礦山的巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模擬，能夠讓人更加直觀地了解礦山通風(fēng)井巷的位置、長(zhǎng)度和連接關(guān)系。模擬出的礦山巷道結(jié)構(gòu)三維模型既有助于礦山企業(yè)人員對(duì)井下通風(fēng)巷道情況的了解和認(rèn)識(shí)，也可以結(jié)合監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)加強(qiáng)對(duì)井下作業(yè)場(chǎng)所和人員的管理。

在礦山通風(fēng)巷道模擬完成后，就獲得了傳統(tǒng)意義上的礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖。并在此基礎(chǔ)上利用3DVent通風(fēng)軟件提供的功能編輯各用風(fēng)巷道的斷面面積和周長(zhǎng)，并依據(jù)其巷道的支護(hù)方式和形狀來(lái)確定各巷道的風(fēng)阻值。

3 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算

礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖能夠直觀地反映通風(fēng)井巷的風(fēng)流方向、風(fēng)量和通風(fēng)設(shè)施等，對(duì)礦山井巷的空間布置要與實(shí)際相同，這是正確生成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖并進(jìn)行解算的基礎(chǔ)。利用3DVent通風(fēng)軟件對(duì)某礦山首采區(qū)的風(fēng)量進(jìn)行解算，流程如下:

(1)建立巷道三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

巷道結(jié)構(gòu)三維通風(fēng)系統(tǒng)圖的建立，可以應(yīng)用單段單線及三維方法表示出通風(fēng)系統(tǒng)的各相關(guān)巷道，從而形成礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖。

(2)輸入初始數(shù)據(jù)

在輸入原始參數(shù)的同時(shí)，還需要根據(jù)礦井實(shí)際的情況對(duì)相應(yīng)的巷道長(zhǎng)度、風(fēng)阻、斷面面積及周長(zhǎng)等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。輸入主要原始參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 參數(shù)的初始化

(3)編輯巷道相關(guān)參數(shù)

對(duì)礦山首采區(qū)的主要巷道進(jìn)行編輯，將主需風(fēng)量輸入進(jìn)風(fēng)巷道后，軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)進(jìn)行風(fēng)量分配。各巷道類型及參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各巷道類型及參數(shù)

(4)檢查通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)情況

通過(guò)檢查通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及其參數(shù)，確定其是否已形成正?；芈罚駝t不能進(jìn)行正常解算。通風(fēng)檢查報(bào)告如圖2所示。

圖2 通風(fēng)檢查報(bào)告

(5)局扇風(fēng)機(jī)選型

在風(fēng)機(jī)應(yīng)用中，除了滿足對(duì)其流量、風(fēng)壓的要求之外，還應(yīng)考慮對(duì)風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行的要求，這是合理選擇風(fēng)機(jī)的一個(gè)重要因素。風(fēng)機(jī)性能是風(fēng)機(jī)合理選型的依據(jù)，風(fēng)機(jī)性能的表示方法不同，風(fēng)機(jī)選型的方法也不同。主要方法如下:

①利用風(fēng)機(jī)性能表選擇風(fēng)機(jī);

②利用風(fēng)機(jī)性能曲線選擇風(fēng)機(jī);

③利用風(fēng)機(jī)無(wú)量綱性能曲線選擇風(fēng)機(jī);

④利用風(fēng)機(jī)的性能選擇曲線選擇風(fēng)機(jī)。

3DVent通風(fēng)軟件的方法是利用風(fēng)機(jī)性能曲線選擇風(fēng)機(jī)，這是一種最基本且較簡(jiǎn)單的方法之一。此方法便于工況調(diào)節(jié)的分析和調(diào)節(jié)參數(shù)的確定，利用性能曲線的比選性較差。風(fēng)機(jī)選型報(bào)告見(jiàn)圖3。

圖3 風(fēng)機(jī)選型報(bào)告

(6)礦井網(wǎng)絡(luò)解算

在通風(fēng)檢查無(wú)誤并且風(fēng)機(jī)選型合理后可對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解算，即迭代計(jì)算。迭代計(jì)算后的結(jié)果會(huì)顯示在巷道左右側(cè)，主要是風(fēng)量、巷道編號(hào)和風(fēng)機(jī)參數(shù)等。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算見(jiàn)圖4。

圖4 礦井首采區(qū)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算圖

由礦井首采區(qū)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算圖可以直觀地得出礦井的通風(fēng)系統(tǒng)報(bào)告，報(bào)告中涉及巷道系數(shù)等共8個(gè)參數(shù)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)報(bào)告如圖5所示。

圖5 礦井通風(fēng)系統(tǒng)報(bào)告

4 結(jié)語(yǔ)

3DVent通風(fēng)軟件采用三維可視化操作，畫面清晰，簡(jiǎn)單易學(xué)。通過(guò)對(duì)該軟件的利用，可以對(duì)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解算，從而有效地模擬礦山風(fēng)量的分配。隨著政府對(duì)礦山的重視，數(shù)字化礦山越來(lái)越普及，3DVent通風(fēng)軟件將在礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中得到更為廣泛的應(yīng)用，但是在通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算中對(duì)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果的可靠性分析不足，應(yīng)加強(qiáng)軟件的后期完善。

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