基于Ventsim 的復雜通風系統薄弱環節預警技術

譚星宇 ,趙剛 ,史鍵波,劉強,朱必勇,許大鵬,徐博,張曉隆,段瓊

(1.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012;2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室,湖南 長沙 410012;3.金屬非金屬礦山重大災害事故分析鑒定實驗室,湖南 長沙 410012;4.湖南省礦山地質災害防治與環境再造工程技術研究中心,湖南 長沙 410012;5.中國有色集團撫順紅透山礦業有限公司,遼寧 撫順市 113321;6.新疆大明礦業集團股份有限公司,新疆 哈密市 839100)

0 引言

我國是一個資源消耗大國,隨著國民經濟的迅速發展,對礦產資源的需求與日俱增,很多具備條件的礦山擴產擴能進入深部開采,受開采條件、采礦技術和管理等因素的制約,形成了復雜的礦井通風網絡,給礦山帶來了很多通風難題[1]。目前主要通過兩種技術手段獲取通風系統存在的系統性問題,一種是進行全面的通風系統現場調查和測定,分析總結通風系統存在的主要問題[1-4];另一種是通過通風監測報警和數據分析確定通風系統存在的主要問題[5-8]。以上兩種方法都存在一定的局限性,第一種方法現場調查和測定的工作量大,花費時間長,特別是復雜的通風系統;第二種方法通風監測系統數據可靠性較差,導致不能及時、準確地發現通風系統存在的問題。

針對復雜通風系統,本文提出一種基于Ventsim 的復雜通風系統薄弱環節預警技術,該技術以紅透山銅鋅礦為工程背景,運用Ventsim 軟件對礦山通風系統現狀進行三維建模,實現通風系統三維可視化展現,并運用Ventsim 對通風系統進行仿真模擬,分析預警通風系統薄弱環節,為通風系統的優化和管理提供參考和依據。

1 Ventsim 解算原理

Ventsim 三維通風仿真軟件是一種集礦井通風系統三維仿真、井下環境模擬分析于一體的綜合模擬軟件。可以實現風網解算、風流模擬、熱模擬、污染物模擬和經濟性模擬等功能[9]。通過建立礦山井下通風系統三維模型及進行仿真模擬,可直觀準確地得到通風系統中風路的風流方向、風流溫度、風量和風速、空氣中有毒有害物質濃度、全礦風壓分布、主輔扇運行情況等,在此基礎上深入系統分析通風系統存在的主要問題,可實現通風系統薄弱環節預警。

Ventsim 進行通風網絡解算的基本依據是Hardy-Cross算法[10]。在一個特定的通風網絡中,分支數為m,節點數為n,可選定N=n－m＋1余樹枝和獨立回路。根據風壓平衡定律,余樹枝風量設為變量,樹枝風量用余樹枝風量來表示,建立起一個方程組,方程組包含N個方程和N個變量;在Hardy—Cross算法中,擬定各分支初始風量,將方程組按泰勒級數展開,舍去二階以上的高階量,簡化后得出如下數學表達式:

式中,ΔQi為回路風量修正值;為獨立回路中各分支風壓的代數和;為獨立回路中各分支風量與風阻乘積的絕對值之和;Ht為獨立回路中的通風機風壓;Hz為獨立回路中的自然風壓。

對各回路中的分支風量進行修正,得出風量近似真實值,如式(2):

式中,Qij為修正前分支風量;為修正后分支風量。

按式(1)和式(2)進行迭代計算,直到誤差達到設置的可以接受誤差范圍內,所求的近似風量值即可認為是該網絡的真實風量值。并且Ventsim 系統高級版采用的是改進過的算法,將空氣密度的變化和質流平衡等也考慮了進來。

2 開拓通風系統

2.1 開拓系統

紅透山銅鋅礦生產能力為55.0萬t/a,采用平硐＋豎井聯合開拓,東側開拓形成了一段大豎井、一段小豎井、二段大豎井、二段小豎井、東風井和西風井等。由于深部礦體嚴重向東側伏,在東部開拓形成了2#盲罐籠井、盲箕斗井和新風井,礦山開采逐步向深部、東部轉移。礦山開拓及通風系統如圖1所示。礦山現已形成＋253 m、＋193 m、…、－827 m 共19個中段,淺部中段已回采結束,主要生產中段為－467 m、－527 m、…、－827 m 共7個中段,主要生產中段均基本形成了平行雙巷(下盤運輸巷和上盤回風巷);深部有－877 m、－927 m、…、－1177 m 共7個中段處于開拓階段。礦山開采深度達到1080 m(＋253 m～－827 m),開拓深度達到1460 m(＋450 m～－1207 m),為典型深井開采礦山,主要生產中段走向長度達2600 m。

圖1 礦山開拓通風系統

2.2 通風系統

經過近60年開采,井下形成了龐大而復雜的通風系統。目前,新鮮風由一段大豎井＋一段小豎井、二段大豎井＋二段小豎井進入井下各生產中段。新鮮風到達生產中段后,經中段石門、(下盤)運輸巷和穿脈等進入采掘作業面;新鮮風清洗工作面后,污風進入(上盤)回風巷,經東回風井、西回風井和新風井排出地表。礦山共安裝主扇3臺,預熱風機3臺,輔扇1臺,風機參數見表1。

表1 風機參數

3 三維建模及薄弱環節預警

3.1 三維建模及仿真模擬

3.1.1 Ventsim 軟件建模及仿真模擬步驟

圖2 所示為Ventsim 軟件建模及仿真模擬主要步驟。

圖2 Ventsim 軟件建模及仿真模擬步驟

各步驟的主要工作內容如下。

(1)CAD 井巷信息:為包含全部井巷信息的中段實測平面圖。

(2)CAD 三維井巷模型:在各中段實測平面圖中描繪出井巷的中心線,中線賦高程后導入同一個CAD 文檔中,形成CAD 三維單線模型。

(3)Ventsim 井巷三維模型:CAD 三維單線模型導入到Ventsim 軟件中,將單線轉換為實體井巷;設置井巷斷面、摩擦系數、局部阻力等參數,簡化三維模型。

(4)安裝風機:將風機尺寸參數和特性曲線參數輸入Ventsim 風機數據庫中,在風機數據庫中創建風機,編輯井巷模型,將風機安裝至對應的位置。

(5)設置風流控制設施:通過編輯井巷,設置密閉、風門、調節風門和調節風窗等風流控制設施。

(6)設置工程環境參數:設置工程環境相關參數,包括地表大氣壓、地表干球溫度、地表濕球溫度等參數;根據模擬要求,選取“考慮自然風壓”“考慮風流可壓縮”。

(7)動態仿真模擬:設置模擬時風量可接受的誤差,通過迭代解算,完成通風系統動態仿真模擬。

3.1.2 三維仿真模型

按照Ventsim 軟件建模步驟建立紅透山銅鋅礦通風系統三維模型,模型井巷數量為10 217條,井巷總長度15.67萬m,共安裝主、輔扇7臺。圖3為紅透山銅鋅礦通風系統三維仿真模型。

圖3 紅透山銅鋅礦通風系統三維仿真模型

3.1.3 仿真模擬及與實測對比

選取礦山冬季通風系統工況進行模擬,開啟的風機包括:西風井主扇(開啟一級電機)、東風井主扇、－587 m 主扇(開啟一級電機)、＋253 m 預熱風機、＋193 m 預熱風機、＋133 m 預熱風機、－1177 m 輔扇;設置風量可接受的誤差為0.001 m3/s;通過迭代解算,完成通風系統現狀模擬。

實測礦山主要生產中段和運行主扇的風量,與模擬風量進行對比,結果見表2,其相對誤差為0.73%～6.66%,平均相對誤差為3.51%。考慮通風系統的復雜程度和人工測量時不可避免的誤差,認為模擬與實測的相對誤差在合理范圍內,仿真模擬結果是科學可靠的。

表2 模擬與實測結果對比

3.2 通風系統薄弱環節預警

根據三維仿真模擬結果,深層次分析總結紅透山通風系統存在的主要問題,預警通風系統的薄弱環節。

(1)西風井主扇運行效率低,西風井的系統回風功能嚴重弱化。西風井主扇出現了“風機失速”的警告,風機運行在過高風壓(1345 Pa)和過低風量(25.58 m3/s)狀態,靜壓效率低(50.0%)。全礦總回風量為207.86 m3/s,西風井回風量僅為25.58 m3/s,僅占全礦總回風量的12.3%;其中－407 m 以下主要生產中段的有效回風量僅為3.84 m3/s,占西風井回風量的15%。西風井位于礦區西側,－467 m 中段以下礦體嚴重向東側伏,隨著生產的進行,主要生產中段的開采區域逐步東移,礦山絕大部分回采采場位于31#勘探線以東,與西回風井的水平直線距離達到1200 m;隨著開采的進一步進行,主要生產中段的開采區域將進一步東移;西風井已遠離主要開采區域,隨著西風井回風功能嚴重弱化,很快將不再擔負回風功能。

(2)東風井主扇運行效率低,東風井通風阻力大。東風井主扇靜壓效率低(53.7%),風壓高(4032 Pa),回風量為55.07 m3/s。選取經過東風井主扇的主要風流路線(即:一段大豎井→二段大豎井→－707 m 中段運輸巷→采場→－647 m 中段回風巷→東風井)進行分析。圖4為主要風流路線沿程阻力,圖5為進、用、回風段阻力損失柱狀圖。由圖4可知,主要風流路線總長為4840 m,回風段長為2170 m,占總長度的44.8%;主要風流路線總阻力損失為4004 Pa,其中回風段阻力損失為3028 Pa,占總阻力損失的75.6%。回風段主要為東風井,東風井為倒段風井,路線長,通風阻力大。

圖4 主要風流路線沿程阻力

圖5 進風段、用風段、回風段阻力損失

(3)部分井巷未及時設置通風構筑物或設置不合理。經統計,共有17 處巷道因未設置密閉或風門,使新鮮風在未送至井下作業場所的情況下直接進入回風井巷,造成漏風,導致全礦的有效風量率降低。表3統計了8處漏風量大于8.0 m3/s的漏風井巷,共計漏風量為146.0 m3/s,加上這一部分漏風量,全礦有效風量率僅為29.6%。經統計共有11處巷道因未設置密閉或風門,使中段回風巷內的污風重新進入主要進風井巷內,造成污風串聯。表3統計了4處污風(風量大于2.0 m3/s)重新進入主要進風井巷,共計有19 m3/s污風重新進入主要進風井巷。

表3 漏風及污風串聯統計

－527 m、－647 m、－707 m、－767 m 中段回風巷內(39～45線)內設置了風門,風門以東中段回風巷內的污風需通過東風井排出地表,風流路線折返嚴重(1100 m),不能充分利用新風井回風。

(4)主要生產中段東側倒段回風天井不完善,回風量小。主要生產中段東側37#至39#勘探線附近形成了一條倒段回風井,由－587 m 至－827 m,天井斷面為2.0 m×2.0 m,回風天井位于上盤脈外,部分中段僅有1 條回風天井,回風量為7.96 m3/s,該區域目前分布了大量回采作業面,回風量不足。－467 m 至－587 m 未形成回風天井,不便于－527 m、－587 m 中段利用新風井回風。圖6為主要生產中段東側倒段回風井布置。

圖6 主要生產中段東側倒段回風井布置

(5)－827 m 以下進風不足,－1177m 輔扇“風機低壓”。礦山－827 m 以下處于基建階段,由2#盲罐籠井進風,盲箕斗井回風,－827 m 以下進風量為16.55 m3/s,進風量不足。

－1177 m 輔扇出現了“風機低壓”警告,風機運行在過底風壓(211 Pa)和過高風量(41.94 m3/s)狀態。該輔扇安裝位置為2#盲罐籠井和盲箕斗井在－1177 m 中段的聯絡巷內,除此之外2#盲罐籠井和盲箕斗井在－1177 m 還有一條聯絡巷,在－1154 m 也形成了一條聯絡巷,這兩條聯絡巷內未安裝風門,造成風流短路循環。

4 通風系統改造

4.1 通風系統改造方案

針對本文所預警的通風系統薄弱環節,在現有通風系統基礎上,提出如下改造方案。

4.1.1 西風井改為進風井

將西風井改為進風井,負擔一部分進風,以降低全礦進風網絡的風阻。具體如下:將－467 m、－527 m 和－587 m 中段運輸巷與西進風井之間的密閉打開,從西進風井進入的新鮮風由－467 m、－527 m 和－587 m 中段進入現有的進風井網絡,再進入各生產中段;不再利用西風井主扇回風,如此可降低全礦通風能耗。

4.1.2 東風井降阻改造

－467 m 中段以上已回采結束,應盡可能梳理利用－467 m 以上的廢棄井巷,并與現有東風井并聯回風,以降低東風井風阻,增加東風井的總回風量,提高東風井主扇效率。－167 m 至－467 m 中段(17#至19#堪探線附近)有一條原用于可控循環風的風路,新風井形成后,由于已經解決了礦山總風量不足的問題,可控循環風不再使用,故將循環風路改為回風風路,在－167 m 至－467 m 段與東回風井并聯。循環風路改為回風風路如圖7所示。

圖7 循環風路改為回風風路

4.1.3 完善通風構筑物設置

為防止漏風和污風串聯設置風門或密閉(共27座),2#盲罐籠井與盲箕斗井在－1177 m 和－1154 m 的聯絡巷內設置風門,以防止－1177 m 輔扇風流短路循環;拆除－527 m、－647 m、－707 m、－767 m 中段回風巷內(39～45勘探線)的風門,使主要生產中段能充分利用新風井回風。

4.1.4 完善主要生產中段東側倒段回風天井

－587 m 至－647 m 新掘進一條回風天井(2.0 m×2.0 m),與現有回風天井并行。在39～41勘探線之間掘進兩條－527 m 至－587 m 的回風井,與已有的－467 m 至－527 m 的回風井形成－467 m至－587 m 的回風天井,－467 m 和－527 m 中段區域回風。設計回風天井位置如圖6所示。

4.2 通風系統改造后仿真模擬

在已建立的三維仿真模型基礎上,依據通風系統改造方案內容進行二次建模和仿真模擬。表4為改造前后通風系統三維仿真模擬主要指標對比。

表4 改造前后通風系統三維仿真模擬指標對比

(1)通風網絡指標。改造后總進風量和總回風量略小于改造前,礦井風阻明顯小于改造前,這是由于對大量漏風巷道進行了密閉,雖然風量略有減少,但大大提高了全礦的有效風量;全礦通風阻力降低了439 Pa。

(2)風機指標。改造后不再有風機運行報警,累計總風壓減少了15.5%,平均效率提高了8.5%。改造后西風井主扇不再使用,由于減少了一臺風機,累計總風壓減小;東風井進行了降阻改造,東風井主扇需提供的風壓減少了430 Pa,運行效率由53.7%提高至73.2%。

(3)經濟指標。改造后降低了輸入功率和年通風費用,年通風費用降低了5.6%。

綜上所述,經改造后,紅透山銅鋅礦通風系統的薄弱環節將得到有效改善。

5 結論

提出了一種基于Ventsim 的復雜通風系統薄弱環節預警技術,運用Ventsim 軟件建立礦山通風系統三維仿真模型,進行仿真模擬,通過深層次的分析模擬,可系統地預警復雜通風系統的薄弱環節,為管理和完善礦山通風系統提供了技術依據。

以紅透山銅鋅礦為工程背景,建立了通風系統仿真模型,對比仿真模擬結果與實測結果,驗證了仿真模擬結果的可靠性。預警了以下通風系統的薄弱環節:

(1)西風井主扇運行效率低,西風井的系統回風功能嚴重弱化;

(2)東風井主扇運行效率低,東風井通風阻力大;

(3)部分井巷未及時設置通風構筑物或設置不合理;

(4)主要生產中段東側倒段回風天井不完善,回風量小;

(5)－827 m 以下進風不足,－1177 m 輔扇“風機低壓”。

針對通風系統薄弱環節,提出了改造方案,可有效地改善通風系統的薄弱環節。