图1 矿井通风基础参数获取流程
何敏1,2, 武福生1,2， 成燕玲3
(1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015；2.天地(常州)自动化股份有限公司, 江苏 常州 213015；3.苏州电器科学研究院股份有限公司， 江苏 苏州 215104)
摘要：以某矿为研究对象，利用VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统构建了矿井通风系统真实三维模型，在获取可靠通风基础参数的基础上，对该矿通风系统优化调控方案进行了准确模拟。现场实际测量结果与模拟结果较为吻合，误差很小，验证了基于三维模型的通风系统优化调控方案的可靠性。
关键词：煤炭开采； 通风系统； 通风仿真； 三维模型； 优化调控； 通风网络解算
矿井通风系统是矿井生产的重要组成部分，是矿井实现安全生产的重要保障[1]。随着矿井开采的不断进行，通风系统会变得越来越复杂，尤其是一些地质条件比较差的矿井，在通风系统的风流调控上一直存在着比较大的困难[2-3]。如果通风系统风流调控不当，往往会导致工作面风量不足、污风不能及时排除等问题，甚至威胁到矿井的生产安全[4]。因此，在矿井生产过程中加强通风系统优化调控和通风管理工作就显得非常重要[5]。
目前，我国在矿井通风系统优化调控领域普遍采用基于AutoCAD开发的通风仿真软件，这些软件只能绘制二维平面下的通风系统图。随着地下开采深度及广度的不断推进，矿井通风系统的复杂程度逐步增大，二维通风系统图已无法直观地表达矿井通风系统中各巷道间的复杂空间层位关系[6]。因此，矿井通风系统优化调控采用三维可视化技术将是今后发展的必然趋势。
VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统是基于3D GIS技术开发的三维通风仿真软件，可帮助用户进行通风系统优化设计、日常通风管理、灾害事故动态模拟和安全监控管理。本文采用VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统，依据阳泉某矿巷道导线点的三维坐标数据，构建了该矿通风系统的真实三维巷道模型，通过阻力测定数据及通风网络解算获取该矿可靠的通风基础参数，对该矿通风系统优化调控方案进行三维通风仿真模拟，以判定通风系统优化调控方案的可行性。
通风系统真实三维模型构建步骤如下：
(1) 利用矿井采掘工程平面图的巷道中心线生成巷道实体图。主要方法是将巷道的导线点连接起来，形成巷道中心线，然后将导线点的三维坐标数据赋值于中心线端点，最后将所有中心线导入VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统，生成三维巷道实体图。
(2) 修改巷道参数。上述生成的三维巷道实体图中，巷道断面形状、巷宽、巷高等参数都是系统默认值，需要根据矿井实际情况进行修改。
(3) 输入矿井通风基础参数。矿井通风的基础参数主要包括巷道摩擦阻力系数、局部阻力系数、主要通风机工况点数据。其中，巷道摩擦阻力系数首先采用通风阻力测定的实测数据，后期通过通风网络模拟解算修正为实际值；局部阻力系数按照巷道布置关系在VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统预设值中选取；主要通风机工况点数据按矿井实际情况进行输入。
(4) 添加通风构筑物。在VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统中，矿井的通风构筑物主要是指风门和风窗。风门和风窗在VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统中可以先按固定风量进行预处理，在通风网络模拟解算结果符合实际情况后，将风门转化为风阻值，风窗体现其开口面积。
(5) 修正通风基础参数。根据矿井实际情况，利用VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统的通风网络解算功能进行修正。
矿井通风基础参数的获取流程如图1所示。
图1 矿井通风基础参数获取流程
可靠的矿井通风基础参数是保障通风系统优化调控模拟结果准确的必要条件，矿井通风基础参数主要依靠矿井通风阻力测定及通风网络模拟解算获取。
复杂矿井的通风阻力测定由于工作量大、测定周期较长、干扰因素多及测量仪器本身的误差等原因，使得测定结果或多或少存在着一定的误差。有效的解决办法：将通过通风阻力测定获取的矿井通风基础参数输入到通风仿真模拟软件中进行通风网络模拟解算，获得主要巷道的模拟风量数据，将其与矿井真实可靠的风量数据进行对比检验，如果误差16:21 2016-11-21小于5%(矿井通风行业领域认为巷道风量误差小于5～10%是可以接受的准确值，这里取5%)，则说明获取的通风基础参数是可靠的；否则，需要对相关巷道的摩擦阻力系数进行修改，直至风量误差小于5%。其原理是依据矿井通风阻力定律，在主要通风机工况点确定的情况下，只要给矿井各条巷道的风阻进行赋值，依据自然分风的原则，通风仿真模拟系统就能准确模拟出各条巷道的风量；如果模拟风量值与矿井实际风量匹配良好，则说明巷道的风阻赋值准确、可靠。因为VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统能通过巷道的摩擦阻力系数，结合巷道断面积、长度直接计算出风阻值，所以，在图1中采用的方法是通过通风阻力测定获取巷道摩擦阻力系数。
阳泉某矿属于特大型矿井，主采煤层为3号、8号、15号，通风系统非常复杂，现有2个水平、6个采区、7个进风井、4个回风井，矿井总回风量为76 618 m3/min。
该矿的通风系统真实三维模型构建情况如下：
(1) 该矿采掘工程平面图上的导线点数量共计3 538个，通过这些点的三维坐标数据，再结合所有井口及部分坡度推算的三维坐标数据，勾画形成了该矿的巷道中心线。将巷道中心线导入VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统，生成该矿的三维巷道实体图，共4 320条巷道。
(2) 根据矿井设计资料、通风报表中的部分巷道断面情况及阻力测定的实测数据，对该矿的所有巷道的断面形状、巷宽、巷高等进行修改。
(3) 为获取该矿的通风基础参数，进行了通风阻力测定工作。由于该矿通风系统复杂、采区覆盖区域大，故采用气压计基点法进行测定。一共布置319个测点，历时15 d完成测定工作。测定的数据包括：地面的大气压力(每隔5 min测量1次，用于对井下测定的压力值进行校正)；测点的绝对压力、测定时间、温度、湿度、标高；测点所在巷道的风量、断面形状、巷宽、巷高、支护形式；4台主要通风机的工况点等。数据处理完成后，将巷道的摩擦阻力系数及主要通风机工况点数据、37个掘进巷道的风量输入到三维巷道实体图中，选取巷道的局部阻力系数。
(4) 该矿共有84处风门、242处风窗或风障，这些均按固定风量在前述三维巷道实体图上进行输入。
(5) 利用VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统进行通风网络解算，通过与通风报表中的风量和用通风阻力测定获得的风量进行对比检验，修改小部分巷道的摩擦阻力系数后，若风量误差小于5%，认定获得了该矿可靠的通风基础参数。至此，完成该矿三维模型构建。该矿局部三维模型效果如图2所示，主要通风基础参数见表1、表2。
图2 某矿局部三维通风模型效果
表1 矿井主要通风机工况点数据
表2 主要特征巷道的摩擦阻力系数
该矿原有5个回风井，随着采掘更替，原东部风井附近采掘工作面的需风量逐年减少，为提升矿井的经济效益，停运了该主要通风机。在该主要通风机停运前，此区域还剩一个备用工作面，如果通风系统调整，其回风只能经北部风井排出，而北部风井区域的北回风巷、南回风巷和南回风配巷3条采区回风巷中，只有南回风巷与该备用工作面所在采区的回风巷相连接，但是南回风巷冒顶严重，只有200 m3/min 的回风能力。因此，在通风系统调整时，对该备用工作面进行了临时密闭。现由于采掘衔接原因，决定启用该备用工作面，因而通风系统需要进行优化调控。具体优化调控方案：① 对南回风巷冒顶段进行整巷；② 对南北回风的第1条联络巷冒顶段进行整巷；③ 拆除上述备用工作面的临时密闭墙。
投入生产时，备用工作面预计需风量为110 0 m3/min 左右，为了判断以上优化调控方案是否可行，拟采用VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统事先进行通风模拟分析。首先将南回风巷和南北回风的第1条联络巷冒顶段的摩擦阻力系数分别更改为其正常段的值，即0.013 Ns2/m4和0.013 Ns2/m4，其次将备用工作面的固定风量标志去除，然后输入主要通风机工作角度的特性曲线数据，之后进行通风模拟，模拟结果见表3、表4。
表3 主要用风地点风量模拟结果 m3/min
表4 北部风井主要通风机工况点通风模拟结果
根据以上模拟结果可知，主要用风地点的风量均满足用风需求，因此，可以判定上述优化调控方案是可行的。为了验证模拟结果的可靠性，矿方按照上述优化调控方案进行了工程实施，工程实施之后进行了现场测定工作，测定结果见表5、表6。
表5 主要用风地点风量测定结果 m3/min
表6 北部风井主要通风机工况点通风测定结果
根据以上实测结果与模拟结果的对比分析可以发现，实测结果与软件模拟的结果基本一致，因此，可以判定：在三维通风模型通风基础数据可靠的基础上，利用VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统进行通风系统优化调控方案模拟所获得的结果也是可靠的，可以为矿井生产现场的通风系统优化调控提供准确的指导。
采用VENTSIM三维通风动态仿真模拟系统构建了矿井通风系统的真实三维巷道模型，在通过阻力测定数据及通风网络解算获取可靠通风基础参数的基础上，对矿井通风系统优化调控方案进行了仿真模拟。通过对比分析方案实施后现场的实际测量结果与模拟结果发现，各用风地点的风量及主要通风机的工况点风量均与软件通风模拟的结果较为吻合，误差很小，验证了基于三维模型的通风系统优化调控方案的可靠性。
在当前矿井通风系统越来越复杂的背景下，采用三维技术构建完全真实的矿井通风系统三维模型，利用三维通风动态仿真模拟系统，根据巷道摩擦阻力系数直接计算巷道风阻，能有效避免二维系统通风网络模拟解算修改巷道风阻所造成的同样巷道摩擦阻力系数不一致的问题。
参考文献：
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[5] 贾敏涛,吴冷峻,张辉.罗河铁矿通风系统优化与调控技术[J].现代矿业,2015(6)：134-136.
[6] 黄俊歆.矿井通风系统优化调控算法与三维可视化关键技术研究[D].长沙：中南大学，2012.
HE Min1，2, WU Fusheng1，2， CHENG Yanling3
(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;2.Tiandi(Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China；3.Suzhou Electrical Apparatus Science Academy Co.,Ltd., Suzhou 215104, China)
Abstract：A real 3D model of mine ventilation system was built by VENTSIM 3D ventilation dynamic simulation system taking a coal mine as research object. On the basis of obtaining reliable basic ventilation parameters, an accurate simulation of optimal regulation and control scheme of the ventilation system was made. The actual measurement results are in good agreement with the simulation results, and error is very small, so it verifies the reliability of optimal regulation and control scheme of ventilation system based on 3D model.
Key words：coal mining; ventilation system; ventilation simulation;3D model; optimal regulation and control; ventilation network calculation
文章编号：1671-251X(2016)11-0041-04
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.010
何敏,武福生，成燕玲.基于三维模型的通风系统优化调控模拟分析[J].工矿自动化，2016,42(11)：41-44.
收稿日期：2016-06-21；
修回日期：2016-09-29；责任编辑：张强。
基金项目：常州市科技支撑计划(工业)项目(CE20150068)。
作者简介：何敏(1983-)，男，湖北天门人，助理研究员，博士，主要研究方向为矿井通风防灭火，E-mail:hemin1234567@163.com。
中图分类号：TD72
文献标志码：A
网络出版：时间：2016-10-28 16:26
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1626.010.html