莫東旭 侯朋遠(yuǎn) 張偉峰 徐 帥

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819;2.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽110819)

提升系統(tǒng)是礦山井生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，是聯(lián)系地表和井下的咽喉要道，因而從整體上把握系統(tǒng)的構(gòu)成及運(yùn)行方式顯得尤為重要［1］。近年來隨著3Dmine、Ventsim 等虛擬仿真軟件的應(yīng)用，降低了對提升系統(tǒng)理解的難度，同時也簡化了提升系統(tǒng)中確定性問題的求解過程，但對提升系統(tǒng)的不確定性問題(比如提升能力、摩擦風(fēng)阻等)仍未解決［2］。物理模型試驗(yàn)(即按照不同比例建立與原型相似的裝置)可以幫助試驗(yàn)者分析現(xiàn)象的本質(zhì)和機(jī)理，進(jìn)而解決工程實(shí)際問題，同時也可檢驗(yàn)?zāi)承┕こ碳僭O(shè)的正確性。

現(xiàn)階段針對提升能力、摩擦風(fēng)阻校核的研究較多。郭金龍［3］分析了制約煤礦主井提升機(jī)提升能力的主要因素，提出了提高主井提升機(jī)提升能力的有效技術(shù)途徑;路培超［4］提出采用由里向外核算法確定礦井通風(fēng)能力，提出了一套新的煤礦通風(fēng)能力核定方法，核定的方法和內(nèi)容更符合煤礦安全生產(chǎn)實(shí)際;柳明明提出的Ventsim 三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)在金屬礦山的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)網(wǎng)解算、風(fēng)流模擬、熱模擬、經(jīng)濟(jì)性模擬的功能，能夠滿足金屬礦山三維通風(fēng)系統(tǒng)管理的要求等［5-8］。這些研究成果雖然為提升系統(tǒng)的設(shè)計提供了部分有力依據(jù)，但沒能完全解決設(shè)計階段參數(shù)選擇不合理等問題。為解決這些難題，本研究構(gòu)建一種提升系統(tǒng)物理仿真平臺，通過改變井筒直徑、罐籠尺寸和罐籠提升速度，進(jìn)行提升能力和摩擦風(fēng)阻的校核試驗(yàn)，為礦山提升系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)和支撐。

1 平臺構(gòu)建

物理仿真也稱實(shí)體仿真，一般仿真的過程是以物理性質(zhì)和幾何形狀相似為基礎(chǔ)，而其他性質(zhì)不變的仿真。它是在系統(tǒng)的物理模型上進(jìn)行試驗(yàn)的技術(shù)，具有實(shí)時性。

仿真系統(tǒng)在礦井安全生產(chǎn)中運(yùn)用廣泛，比如模擬礦井開采、安全培訓(xùn)、設(shè)備虛擬制造等。通過利用仿真虛擬技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)礦井中生產(chǎn)的各種場景，逼真地描繪出井下的生產(chǎn)過程以及運(yùn)作的手段，對于礦山的安全生產(chǎn)有著重要的作用［9］。本物理仿真平臺按照1 ∶100 比例制作，分別由可替換井筒、井筒內(nèi)通用裝配組件(梯子、電纜、罐道梁、罐道、風(fēng)水管路等)、可調(diào)容積的罐籠、固定裝置、提升裝置等構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 固定裝置和提升裝置實(shí)物Fig.1 Pictures of fixed set and hoisting devices

(1)可替換井筒。平臺配備4 種直徑分別為65、70、80、90 mm，長度均為1 m 的圓形井筒。在每種井筒豎直方向上每隔20 cm 鉆4 個兩兩平行的孔，孔徑均為3 mm，用以安裝罐道梁，同一水平上罐道梁之間的距離由罐籠寬度決定，如圖2 所示。通過可更替的井筒并配合相應(yīng)尺寸的罐籠，完成通風(fēng)性能和提升能力核算。

圖2 井筒模型Fig.2 Shaft model

(2)可調(diào)容積的罐籠。平臺通過改變主體罐籠隼接式連接件中間卡隼的橫向長度來調(diào)整罐籠的寬和高，改變縱向長度來調(diào)整罐籠的長，進(jìn)而改變罐籠的體積。罐籠體積從67.1 cm3至164.8 cm3共40 種調(diào)整方案，一方面能夠通過改變井筒直徑并配合相應(yīng)尺寸的罐籠，進(jìn)行提升能力的核算，另一方面通過測試3 種情況下(靜止?fàn)顟B(tài)、罐籠運(yùn)動狀態(tài)、不同直徑的井筒)的風(fēng)壓和通過的風(fēng)量，核算相應(yīng)情況下的風(fēng)阻和井筒的摩擦風(fēng)阻，如圖2 所示。

(3)井筒內(nèi)通用裝配組件。井筒內(nèi)通用裝配組件包括:①梯子間。由梯子、梯子間隔板和梯子間平臺構(gòu)成，用作安全出口和井筒內(nèi)各種設(shè)備檢修。②管纜間。由風(fēng)水管路、電纜和隔板構(gòu)成，用作布置排水管、壓風(fēng)管、供水管、下料管等各種管路和動力、通訊、信號等各種電纜。③提升間。由罐道、罐道梁構(gòu)成，用作布置提升容器，減少提升容器運(yùn)行時的橫向擺動。

(4)固定裝置。固定裝置由底座、豎直桿、喉箍桿、喉箍、平臺桿、提升平臺構(gòu)成。其中底座用于支撐整個固定裝置，連接底座的豎直桿用于固定喉箍桿和平臺桿;使用喉箍桿和平臺桿將喉箍和提升平臺固定在相應(yīng)高度。通過固定裝置將井筒、卷揚(yáng)機(jī)固定，為后續(xù)仿真平臺搭建提供支撐，如圖3 所示。

圖3 固定裝置和提升裝置示意Fig.3 Schematic diagram of fixed sets and hoisting devices

(5)提升裝置。提升裝置包括:①微型卷揚(yáng)機(jī)。將微型卷揚(yáng)機(jī)與PLC 控制系統(tǒng)連接，通過PLC 編程語言實(shí)現(xiàn)微型卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，使得罐籠在井筒中平穩(wěn)地運(yùn)行。②天輪模型。天輪被安置在井筒正上方，撐起連接微型卷揚(yáng)機(jī)和罐籠的鋼絲繩，并引導(dǎo)鋼絲繩轉(zhuǎn)向。如圖3 所示。

2 教學(xué)演示

(1)井筒裝配演示。將井筒用亞克力板隔成提升間、管纜間和梯子間。在提升間的上下兩端采用黏接方法固定安裝由鋁合金制作的罐道梁，在上下罐道梁上安裝鋁合金制作的罐道。采用4 個罐籠“L”形轉(zhuǎn)角、配合4 個罐籠隼接式連接件構(gòu)成罐籠。在罐籠的兩側(cè)面分別安裝由鋁合金制作并與罐道相對應(yīng)的罐耳。提升鋼絲繩的下端固定在罐籠的頂部，如圖2所示。在井筒的一側(cè)自上而下距井筒頂部30、60、90 cm 處順著罐籠開口方向分別開設(shè)與折返式井底車場、盡頭式井底車場和環(huán)形井底車場相對應(yīng)的馬頭門，圖4 所示。

圖4 井筒與井底車場連接示意Fig.4 Connection of shaft and shaft bottom

(2)提升控制演示。將裝配好的井筒通過喉箍固定在固定裝置上，在提升裝置的提升平臺上安裝1個微型卷揚(yáng)機(jī)，如圖3 所示。將微型卷揚(yáng)機(jī)與PLC控制系統(tǒng)相連。在馬頭門兩側(cè)布置紅外傳感器，當(dāng)車廂被推入或拉出罐籠時，紅外傳感器接收到信號，將信號傳至PLC 控制系統(tǒng)。在井筒靠近馬頭門的位置布置紅外傳感器，當(dāng)罐籠運(yùn)行紅外傳感器位置時，紅外傳感器接收到信號，將信號傳至PLC 控制系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)將上述2 種信號綜合處理，將處理信號傳給微型卷揚(yáng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制罐籠向下或向上運(yùn)動。

(3)提升過程演示。裝載空車廂的罐籠沿著罐道在提升鋼絲繩的牽引下向下平穩(wěn)運(yùn)行，在微型卷揚(yáng)機(jī)的控制下，使罐籠保持78 mm/s 的速度，由地表水平勻速運(yùn)行分別至環(huán)形、盡頭式和折返式井底車場處停住，使用電動機(jī)車將空車廂從罐籠中拉到環(huán)形井底車場裝礦處，進(jìn)行手動裝礦，再把重車廂推入罐籠中，將載有重車廂的罐籠拉至地表水平手動卸礦，再將空車廂推送至罐籠，完成1 次循環(huán)。

3 提升系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 提升系統(tǒng)的方案初選

對于已經(jīng)投產(chǎn)的礦山，現(xiàn)有系統(tǒng)是否有提升改進(jìn)的空間、是否最優(yōu)的問題涉及到礦山的安全生產(chǎn)以及生產(chǎn)成本，是十分重要的。然而借助常規(guī)的方法進(jìn)行理論計算，準(zhǔn)確性差;借助工業(yè)試驗(yàn)，需要礦山停產(chǎn)進(jìn)行系統(tǒng)變更，而變更設(shè)備需要大量的人力、物力與財力的投入。以上問題可以借助物理仿真平臺妥善解決。提升系統(tǒng)的主要組成部分是井筒和罐籠，不同提升方案也是通過改變井筒的直徑和罐籠的體積來實(shí)現(xiàn)的。本仿真平臺配備65、70、80、90 mm 共4 種不同直徑的井筒，罐籠體積從67.1 cm3至164.8 cm3共40 種調(diào)整方案。通過不同直徑的井筒與不同體積的罐籠搭配出160 種提升系統(tǒng)。針對不同生產(chǎn)能力的礦山，進(jìn)行提升系統(tǒng)方案選擇比較時，對初選方案進(jìn)行仿真模擬。

3.2 生產(chǎn)能力的核算

對新建礦山或新設(shè)計的系統(tǒng)，預(yù)設(shè)礦山生產(chǎn)能力，按照經(jīng)驗(yàn)法或類比法獲得礦山數(shù)個可行的方案，進(jìn)行比較與優(yōu)選，除了進(jìn)行理論分析之外，還可利用仿真平臺進(jìn)行方案的驗(yàn)證。

保持恒定的提升速度，改變井筒直徑Dj，配套選用合適的中間卡隼，改變罐籠的體積以配合井筒。進(jìn)行n 次提升循環(huán)，計算模型提升量

式中，AS為模型單位時間提升量，g/h;Qn為n 次提升量，g;T 為n 次提升時間，h。

將計算得到的模型單位時間提升量按模擬礦石、礦石密度和縮放比例核算成真實(shí)礦山的單位時間提升量

式中，AZ為真實(shí)礦山單位時間提升量，t/h;q 為礦石密度，g/cm3;qm為模擬礦石密度，g/cm3;m 為縮放比例(通常為1 ∶100)。

保持井筒直徑不變，選用相適合的罐籠，調(diào)節(jié)罐籠的提升速度Vi，重復(fù)上述步驟，即可得到在相同直徑井筒、不同提升速度Vi情況下的單位時間提升量。通過得到的單位時間提升量再核算出礦山的生產(chǎn)能力，與原設(shè)計的礦山生產(chǎn)能力作比較，進(jìn)而調(diào)整礦山的提升方案，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)的優(yōu)化。

3.3 提升實(shí)例分析

利用仿真平臺對某礦山的生產(chǎn)能力進(jìn)行核算，某礦山設(shè)計生產(chǎn)能力6 Mt/a，設(shè)計井筒直徑6.5 m，某礦山與模型參數(shù)對比如表1 所示。將計算得到的有效單位時間提升量換算成真實(shí)礦山的有效單位時間提升量，得出核算的生產(chǎn)能力為5.87 Mt/a。5.87 Mt/a 和6 Mt/a 相差得不多(約2%)，說明該礦山的提升能力基本上可以滿足提升需求，并且不會造成太多的浪費(fèi)。如果核算數(shù)據(jù)與礦山設(shè)計出入較大，則需對設(shè)計進(jìn)行修改。如果提升能力核算結(jié)果大于設(shè)計生產(chǎn)能力，需要更換小尺寸罐籠和小直徑的井筒;反之更換大尺寸罐籠和大直徑的井筒。然后重新挑選提升系統(tǒng)模型進(jìn)行核算，直到設(shè)計提升能力和核算結(jié)果相接近為止。也可對提升速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但減慢罐籠速度會造成能量的浪費(fèi)，加速罐籠速度會造成礦山安全隱患，故一般不采用改變罐籠提升速度的方法。

表1 某礦山與提升模型參數(shù)對比Table 1 Parameters comparison of hoisting model with a mine

4 通風(fēng)性能的優(yōu)化

現(xiàn)階段礦井通風(fēng)性能的確定方法主要是通過解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行粗略計算，計算過程中涉及到各種系數(shù)的確定，造成摩擦風(fēng)阻計算不準(zhǔn)確。然而借助仿真平臺，通過測試手段對井筒的摩擦風(fēng)阻進(jìn)行確定，可以減少誤差，更合理地選擇通風(fēng)設(shè)備，進(jìn)而在保證安全生產(chǎn)的條件下優(yōu)化通風(fēng)性能。

如圖5 所示，沿著井筒方向由上至下3 個測點(diǎn)對應(yīng)3 條運(yùn)輸巷道，其所需風(fēng)量分別計為Q1、Q2、Q3，則由風(fēng)量平衡定律［10］得出鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)量Q0=Q1+Q2+Q3，據(jù)此初選合適的風(fēng)機(jī)。

圖5 摩擦風(fēng)阻核算Fig.5 Accounting of wind friction resistance

使用皮托管測量井筒上下的風(fēng)壓差H，通過式(3)計算可得總摩擦風(fēng)阻R0:

式中，R 為風(fēng)阻，N·s2/m8;H 為通風(fēng)阻力(風(fēng)壓差)，Pa;Q 為風(fēng)量，m2/s。

4.1 罐籠不同運(yùn)動狀態(tài)下摩擦風(fēng)阻核算

調(diào)整卷揚(yáng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變罐籠的提升速度vi，使用鼓風(fēng)機(jī)從井筒上端向井筒內(nèi)鼓風(fēng)，并用風(fēng)量測量計測量鼓入風(fēng)量的大小Qi1，使用皮托管測量井筒上下的風(fēng)壓差Hi1，通過式(3)計算可得摩擦風(fēng)阻Ri1，改變風(fēng)機(jī)鼓入風(fēng)量，重復(fù)上述步驟計算得到摩擦風(fēng)阻Ri2、Ri3，計算其平均值即為井筒在提升速度Vi下的風(fēng)阻Ri。取Ri與Ri0中較大值參照式(4)計算得到的模型摩擦風(fēng)阻按縮放比例核算成真實(shí)礦井的摩擦風(fēng)阻，這樣既能滿足礦井風(fēng)量的要求又能克服礦井的摩擦阻力:

式中，RZ為真實(shí)礦井的摩擦風(fēng)阻，g/h;m 為縮放比例(通常為1 ∶100)。

4.2 不同直徑井筒摩擦風(fēng)阻核算

在井筒直徑為Dj情況下，調(diào)整卷揚(yáng)機(jī)的轉(zhuǎn)速使罐籠的提升速度保持恒定，使用鼓風(fēng)機(jī)從井筒上端向井筒內(nèi)鼓風(fēng)，并用風(fēng)量測量計測量鼓入風(fēng)量的大小Qj1，使用皮托管測量井筒上下的風(fēng)壓差Hj1，通過式(3)計算可得摩擦風(fēng)阻Rj1，改變風(fēng)機(jī)鼓入風(fēng)量，重復(fù)上述步驟計算得到摩擦風(fēng)阻Rj1、Rj2，計算其平均值即為井筒直徑為Dj下的摩擦風(fēng)阻Rj。取Rj與R0中較大值參照式(4)計算得到的模型摩擦風(fēng)阻按縮放比例核算成真實(shí)礦井的摩擦風(fēng)阻。

4.3 罐籠靜止情況下摩擦風(fēng)阻核算

模擬井筒壓入式通風(fēng)的風(fēng)阻。首先使罐籠在井筒中保持靜止，使用鼓風(fēng)機(jī)從井筒上端向井筒內(nèi)鼓風(fēng)，并使用風(fēng)量測量計測量鼓入風(fēng)量的大小Q1，使用皮托管測量井筒上下的風(fēng)壓差H1，通過式(1)、式(2)計算可得摩擦風(fēng)阻R1，改變風(fēng)機(jī)鼓入風(fēng)量，重復(fù)上述步驟計算得到摩擦風(fēng)阻R2、R3，計算其平均值即為該井筒在罐籠靜止?fàn)顟B(tài)的摩擦風(fēng)阻RJ，如圖5 所示。利用RJ與滿足各個運(yùn)輸巷道通風(fēng)要求時的摩擦風(fēng)阻Ri0，結(jié)合礦山井下摩擦風(fēng)阻、自然風(fēng)壓和所需風(fēng)量核算當(dāng)井筒或井筒內(nèi)設(shè)備維修時所需風(fēng)壓，進(jìn)而調(diào)整風(fēng)機(jī)鼓入風(fēng)量，或者更換風(fēng)機(jī)，保證安全生產(chǎn)，減少資源浪費(fèi)，降低經(jīng)濟(jì)損失。

4.4 通風(fēng)實(shí)例分析

利用仿真平臺對礦山進(jìn)行摩擦風(fēng)阻核算。某礦山設(shè)計摩擦風(fēng)阻為0.3 N·s2/m8，設(shè)計井筒直徑為6.5 m。該礦山與模型參數(shù)對比如表2 所示。通過計算得到模型的摩擦風(fēng)阻為2 910 N·s2/m8，參照式(4)計算得到的摩擦風(fēng)阻按縮放比例核算成真實(shí)礦井的摩擦風(fēng)阻為0.291 N·s2/m8。0.291 N·s2/m8與0.3 N·s2/m8相差不多，說明可以將核算好的風(fēng)阻應(yīng)用到礦山，再利用當(dāng)?shù)刈匀伙L(fēng)壓、礦井所需風(fēng)量、礦山井下摩擦風(fēng)阻，選擇合適的風(fēng)機(jī)，減少通風(fēng)所產(chǎn)生的費(fèi)用。如果摩擦風(fēng)阻核算結(jié)果大于礦井設(shè)計的摩擦風(fēng)阻，說明井筒不能滿足通風(fēng)要求，需要更換大尺寸罐籠和小直徑的井筒，然后重新挑選提升系統(tǒng)模型進(jìn)行核算，直到摩擦風(fēng)阻核算結(jié)果與礦井設(shè)計的摩擦風(fēng)阻相接近為止。反之，由于井筒和罐籠尺寸是由提升能力確定的，則不需要調(diào)節(jié)井筒和罐籠的尺寸。

表2 某礦山與通風(fēng)模型參數(shù)對比Table 2 Parameter comparison of ventilation model with a mine

5 結(jié) 論

(1)該仿真平臺的應(yīng)用使試驗(yàn)者對提升系統(tǒng)的認(rèn)識不再局限于平面圖紙、文字描述和主觀想象，而是可以直觀地、立體地、動態(tài)地了解礦山的提升系統(tǒng)。有利于高校的教學(xué)演示，有利于企業(yè)的教育培訓(xùn)，有利于礦山提升技術(shù)的傳播和發(fā)展。

(2)在已投產(chǎn)礦山中，應(yīng)用該仿真平臺可以對提升能力和摩擦風(fēng)阻進(jìn)行校核，進(jìn)而優(yōu)化礦山的提升系統(tǒng)和通風(fēng)性能，降低經(jīng)濟(jì)損失，減少安全隱患。

(3)對于新建礦山，應(yīng)用該仿真平臺可以對生產(chǎn)能力進(jìn)行核算，為礦山提升系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計提供支撐。此外通過該仿真平臺的測試手段，可以避免理論計算時產(chǎn)生的誤差，幫助礦山選擇更合理的提升裝置和通風(fēng)設(shè)備。

(4)對于提升能力和摩擦風(fēng)阻核算，只能針對部分尺寸的單罐籠井筒，不能適用于所有井筒，具有一定的局限性。

［1］ 趙興東.井巷工程［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010.

Zhao Xingdong.Sinking and Driving Engineering［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2010.

［2］ 李孜軍，陳艷麗.基于Ventsim 的礦井通風(fēng)風(fēng)阻參數(shù)優(yōu)化［J］.金屬礦山，2014(3):136-140.

Li Zijun，Chen Yanli.Optimization of mine ventilation resistance parameter based on Ventsim software［J］.Metal Mine，2014(3):136-140.

［3］ 郭金龍.提高主井提升能力的技術(shù)途徑［J］. 工礦自動化，2012(8):112-114.

Guo Jinlong. Technological ways of improving hosting capacity of main shaft［J］.Industry and Mine Automation，2012(8):112-114.

［4］ 路培超，楊勝強(qiáng)，趙 波，等. 礦井摩擦風(fēng)阻核定方法的探討［J］.煤礦安全，2013(1):174-177.

Lu Peichao，Yang Shengqiang，Zhao Bo，et al. Discussion on check and ratify method of mine ventilation ability［J］. Safety in Coal Mines，2013(1):174-177.

［5］ 柳明明.Ventsim 三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)在金屬礦山的應(yīng)用［J］. 金屬礦山，2010(10):120-122.

Liu Mingming.Application of Ventsim 3D ventilation simulation system in metal mines［J］.Metal Mine，2010(10):120-122.

［6］ 王運(yùn)敏.現(xiàn)代采礦手冊:上冊［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2012.

Wang Yunmin.Modern Mining Manual:Volume 1［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2012.

［7］ 王德明. 礦井通風(fēng)與安全［M］. 徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007:48.

Wang Deming. Mine Ventilation and Safety［M］. Xuzhou:China Mining University Press，2007:48.

［8］ 周軍民，張吉林，伊衛(wèi)國. 礦井通風(fēng)能力合理核定方法的探討［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，31(12):93-94.

Zhou Junmin，Zhang Jilin，Yi Weiguo.Discussion on rational ratification method of mine ventilation capacity［J］.Coal Science and Technology，2003，31(12):93-94.

［9］ 胡瑞華.礦井安全仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.煤炭技術(shù)，2013，32(4):70-71.

Hu Ruihua. Design and implementation of mine safety simulation system［J］.Coal Technology，2013，32(4):70-71.

［10］ 王英敏.礦井通風(fēng)與除塵［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993.

Wang Yingmin.Mine Ventilation and Dedusting［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，1993.