用优化方法对丰山铜矿通风系统进行设计改造.pdf

A - 矿山 通 风眶 x 天 ， 一 用 优 化 方 法 对丰山铜矿通风系统进行设计改造 马鞍山矿山研究所李雨林 提妻本文介绍了用优化工提法进行丰山铜矿多级机站通风系统改造方案的设计过程．路出 了这种设计方法的非线性规删数理模型 求解方法厦整十计算机运行的程序框图．‘ 一 、檄 逆 矿井通风 系统 的设 计步 骤 1选择 通风方 式 即选择适合矿山特点 的 通 风 系 统，， 2从同一通风方式下的若干具体 方案 p 确定琏佳方案J 3进行详细的方 案 设计 即确定 方案 的最忧工况点 井选择通 风设备} 4网络解算，求出设计所需 的通风指标 到 目前 为止， 虽然通 风方式的 选取仍然依靠人工的决策，但后两步的设计 内容已经出现了使用计算机来完 成 的 新 方 法“ ，这些新方法与传统的人工匹配 风 机 的方案 比较有着很大 的不 同。 同时，设 计中 的第二步也 已经 出现了模 糊数学综合评 判来 确定最佳方案的方法 。但是，如果 其 中 的方案设计仍然使用传统的方案比较法，那 么 由于参 与评 判的因素 如 装机总功率 ，实 耗功率、总 投资、等积孔及风 机台数等， 参 见文献 2 ]中表 3难予代表方案的最佳 性 能，从而 会使评判 选择失 去意义 。率 文就 如何求得方案 中各评判 因素 最佳 值的问题着 重介绍运坦非线性规如理想的新方法一优化 工况法在丰 山铜 矿通 风系统改 造方案设 计 中 的应 踊。 有 色矿 山一 1 9 9 0 ． 3 二、丰山铜矿原有通风系统 及存在的问题 丰山铜矿南缘一5 O m以上矿体使用无底 柱分段崩落法 采 矿 采 用一 台7 0 B 。 一2 1型 N0 ． 2 8 轴流风机安装 在南风井 地表作抽 出 式 通风 如图 1。随着作业水平的遂渐下降 一l O m以下已经采完，采 空 区 日益 扩 大，井下通风日趋恶化，加上柴油铲运机作 业时产生大量废气，以及同一分段采场间的 污风串联，严重影响了井下采掘工人的身体 健康和劳动生产率的提高。l 9 5 7 年 9 月的测 定资料 ’ 表明，原有主扇通风系统主 要 存 在下 列问题。 l 荆 圈l赢缘一 5 0 m以上 主精通 风 暴统简 图 一 9 一 维普资讯 1 ．主扇风压较高，与 系 统 阻 力 不 匹 配 ，无 用能 耗大 ，测得的主扇 工 况 为 风 量 8 6 ． 7 m。 ／ s， 全 压 1 8 5 ． 0 mmH 2 0 1 mmH2 0 ≈0 ． 9 8 P a ， 实际能 耗2 4 6 ． 1 k W，而 主扇 电 机 容量为4 0 0 k w， 虽然采 H { 了东 工流线型 扩 敞器 以及液力偶合器调 速装 置，节约 了部 分 能 耗，但 由于风机 属淘 汰产 品 以及调速装置 始终 处于低 转速 运 转，综 台 效 率 明 显 下 降 “ ，能耗 然很大 。 2 ． 由于 崩 落法形成 采空 及内部旧大 量短路 漏风 ，系 统有效 风量率只有2 6 ． 7 ， 远远低于安全规程所要求的不小于6 0 的指 标。 3 ．矿 体 走 向长度 5 0 0 m左 右 ，而 多 个 作业分段 仅有一条1 1 线 回风井，形成 多个 工 作 衙 污风 串联，特别 是使用柴油铲运 机出矿 出渣产 生的废气，更使作业人 员难 以忍受 。 而且 回风 断面小，不能 作为两个 作业分段 的 总回风天井 。 4 ．0 m回风 遭 塌陷严重 所起的作用很 小。新风 由斜坡道进入，经作业 分 段 乎 巷 一 1 3 线 至 1 1 线 从 1 1 线 天井 及 南 风 并 排 出， 使得～ l 3 线至1 6 线之间的 采场 基本投 有 风 流，作业 环境恶劣，空气 中粉尘及铲运 机 排 出的废气禽量很 高，通 风困难。 由于存在上 述问题，原有 主扇通风系统 已不能 适应 现有生产的需要， 因而决定 进行 系统 改造。 三、 多级机站通风系统 改造方案 经过不 阿通 风方式的充分 论 证 ，城 后决定采用多 级机站通 风系 统进行改 造。在 不 同的具 体方案 中，经综合 分析 比较，确定 采用如 图 2的通风系统改造方案 。全 系统 共 设置二级 机站，一 一 级机 站负责给系统 送入新 风， 具体由安 殴在 l 5 线天井一5 O m联巷 内 的 I 机站和I 3 线井 口的2 机 站压入，其 中l 3 线 井进 入的新风可直接 进入作业分段，而1 5 线 及1 1 线则由安设在其--5 0 m 联巷内 的6 。 和5 ’ -- 2O 一 壶 。 ‘ ‘ 哆 图2多级机站通风系统改造 方案 网络 筒图 有 色矿 山一 1 9 9 0 ． 3 维普资讯 机 站将 新风送入分段 平巷J二 级机站负责系 统的回风，具体由设置在l 6 线天井一5 0 m联 巷处的7 机 站、1 磋 天井 0 m联 巷 内 的4 ‘ 机 站 以及 南风 井井 口风峒 内 的 3 ‘ 机 站将 再风 分别经新黹风井排 至地 表。全系统 共设 置 8 个 机 站 。 为 减少 机 级数 ，用 设置 调节 风简 办 法进行风督 河节，省去 了分层之问 3、 4级 机站。 四、用优化方法进行 多级机站方案设计 1 ． 优化工 况设计 法 1优化工况法的数学模型及 求解 方 法 优化工况法 的实质就是将设 计问题通过 建立数学模 型的办法转 化为数学 问题，用非 线性规 划方法 求 出系绕工作的最 佳工 况，并 根据最佳工况选择合适的通风设备，然后进 行 阿络解算，求 出设计所 需的通风指标。 全 部工 作均 由计算机 完成。建立的优化模 型如 下 N 0 Nr 8 mi J t ∑ H Qi ／ 1 0 2 i 1 NoNl l、 1 ．q 0 ； i 一] 。 2， ⋯ ， P 一 一 H 一 I 一H 0 ； i 1 ， 2， ⋯ ， M ； M N P 1 H R ．Q j }j l] ，2 ，⋯， H ≥ 0； 】， 2⋯ Nl N H ≤0 ；j 1 ，2 ，⋯，N3 Ql ≥n ；i 1 ，2 ， ⋯， N‘ ＼E Q ≤b ； j 1 ， 2 ， ⋯， N 式中N、P、M 通风 网络的 巷 道数、节 点数 以及 独 阿 路数{ 有 色矿 山 一 1 9 9 0 ． 3 、Nz 、 N。 系 统设 置 的机 站数 、 采取 降阻及增能 谢节 的 巷 道 数 和风窗数， N ⋯ N e 系统 中需风巷 道数 、 允 许反风的巷道数 及 受 最 佳经济流 速限制 或 最 大 风量 限制 的巷 道数， H 、H ， 、 H 巷道的阻力 ，虚 拟 有 效 风压及 自然风 压， m m H Oj R j 、Q 巷 道风 阻和 风量 ，k g s ／ m e 、 m 3 ／ s l a l j 、 b 节点 流 向系数 和回路 风 向 系数 ，参l见文 献 [ 1 ] 中P1 8 7 。 上 述模 型采 用拉格 朗 日乘子 罚 函 数 法 简称A L A P T 法j求解。其方法是将 上 述 约束非线性规划问题，再用鲍威尔 P o w e l 1 方法求解，其中的一维 收 索 采 用P a v i e s 、 S wa n及 C a mp e y 简 称 D、 S C方 法 ” 。 2通风设备 的选择及 网络解算 由非线性规划方法求出系统工作的最佳 工况后，还 必须选 出实现这些工况的通风设 备。我们知道，风机全 压H e 除了形 成 用 来 克服系 统阻力的有效 压力 H 即求 出 的 机 站最佳工 况压力 外， 首先 还必须克 服机 本身的局 部 阻力 h f ，即H H hf 2 1机站局部 m力 捌失h ， 町 F 式 求 得 h 一 3 2 gs ⋯ 式 巾S 机站巷断面积，m。 ； Q 机站巷风最 即求出的机站工 况 风量 ， m。 r 风流的容 量，k g ／ m。 J l 机站局 阻系数 。 2 选择风机设备 选择风机时，按下列 要 求进行 ①按风机类型建立数据庠，确定选用的 一 2l a b ∑ N ∑ L S 维普资讯 风机类 型， 选择先 进，可 靠和 能 的风 机。 ②根据矿山生产的变化规律及是否需要 改变三班作业 的风量 ，决 定机 站风机并联 台 数， 以便通过开、关风机进行风量控制，或 者根据实际耗能最少的原则， 由工况点确定 风 机的并联 台数 。 按照风 机的工况点 H KQ。 ／ N ， 在风机数据库中逐个机站进行选择，然后在 适用的风机中， 取实际耗能最少的风机 3 网络解算将优选的风机设备及所求 的调风设 施的风阻值代入通风 网 络 进 行 解 算，求出通 风系 统的风景 分配 ， 以及通风设 计 必须的通 风指 标。 3优化 工况 法的程序框 图 优化工捃设计法的程序 运 行 如 图3 所 示 。 2 ． 丰山■矿多极机站通风系统设计结果 1 系统工作的最桂工况 对图 2所示 的通 风网络，设计 中优 化模 型 式 1所用的特征 参 数 如 表 1 所 示。求解 优化 模型所 得的系统工作 的最佳工 况由『 表 2所示 。从表 中结果可 以看 出，所求 。 T 况均满足约束条件，达到设计要求。 2选出的风机设备及网络解算 圈8优化工况 法的程痒 揠圈 优化蒜型的特征参数 袭1 ． j 巷 遭 总 数 节 点 总 数 独 立 回 路 数 苛 挈 等 式 妁 柬 数 需 w 。 棒 e 粒 N P M M P 一 1 2 2 7 2 8 H 。 l ≥ 0 1 - z 。 l 5 B l 7 I 8 一 H 。 j ≤ O ， i 1 1 2 _ Ql ≥ J 1 1 3 l 4 2 4 2 0 3 【 a l 5 ． 0 4． 5 l 0． 5 4． 5 【 0 5 1 O． 5 5 2 57 6 4 6 8 盯 一 8 j 4 ． 5 1 O． 5 4 5 i 0． 5 7 O O Q J ≤b】 J d 9 b】 3 4． o 6 0 5 】 2 5 根据表 2中的机站工 况，在K系列 风 机 中选 出的转速相同 的 9 8 0 r ／ mi n 各 机 站 风机参数如表 8 所示 经 网络解算验证，所 有风机 均能正常工作 ，完 全满足设 计要 求。 系统网络解算结果如表 4和表 5 。该方案具 有如 下指标 1系统有 效风量率为8 0 ． 7 ； 2系统风机平均效 率为8 9 ． 4 3 机站装机 总 功 率 为1 7 9 k w ， 实 耗 功率为 I ] O 。 7 k w j 比服主 崩系 统 节能5 5 ％， 有 色矿 山一 1 9 9 0 ． 3 维普资讯 巷 道 净且 量m 3 ／ g 且机型 号 K40 A l 4 K4 0A】 5 K4 O A i 5 K 4 0 A L 7 K4 0 Al 3 K4 0 A】 t 4 0 A】 4 K帅 A I L 阻 力mmH2 O 4． 43 o l 8 825 4 2 3 ． B L 9 0 26． 2 3 0 7 2 0l L 9 0 2 7 7 化方法求 出的 系统最佳 工艺 袅2 有教风压mmH 2 0 巷单号风量m。 ／ s 阻力mmH 2 0 有鼓风压mmH 1 0 4 60 7 5 30 0 6 ．7 61 2 2 4． 1 4 39 ．0 0 0 0 】L ． 3 8I 5 2 L 9 ．324 0 ．0 L 1 0 OO O0 25． 90 ’1 2 2 1 2 1 6] ．0 3 41 ． 3 6 00 B 2 2 86 9 23 ．9 4I 3 ． 00 41 OO O O 3． 41 3 7 24 0 ．3 6 06 ．0 3 2 3 ．00 0 0 2 7 ．4 8 84 。25 ．3 2 L 3 】 ．38 48 00 6 0 30 ．8 1 36 3 0 I 5 ．81 8 1 ．3 5 0 7 ． 3 0 3 0 3 4． I 6 7 2 2 7 2 3 ．6 7 73 2． 9 4 L 2 ．0 00 0 0 06 3 ’ 2 8 3 3 ．8 7 43 ． t 4 t1 ．0 60 6 -0 0 07 ’ 2 9 1 0 ．6 4 0 6 。 0 8 8 8 ．0 03 6 ．0 0 32 ’ 3 0 】 ．98 3 3 ．01 6 L ．0 0 3 0 01 81 。 2 L L 3 ．43 6 2 ．03 7 3 ．6 6 0 0 -0 2 2 6’ 3 2 2 ．48 6 5 ． 3 07 5 6 0 6 3 0 0 0 0 3 8 ．8 0 86, oo 0 6 ． 0 3 3 0 -0 0 0 0 3 4 1 ．3 7 4 6 j 0 0 7 8 ． 3 0 0 0 -0 6 30 3 5 5 ．11 7 2 0 0 6 6 ．O OO O 、tOO O0 3 8 7 ．08 0 3 ． 1 1 9 4 6 0 00 ． ∞ 30 。0 注 带 号 的 为 风 窗 风 阻 k g ．s ／ e 根据工况选出的风机设鲁参数 转建r ／ mi n 叶片角 轮毂 比 9 9 0． 0 2 0 0． 4 , 6 9 8 0 0 2 0 0。 帅 曲 0． 0 2 3 0． 4O 9 8 0． 0 2 5 0 40 68 3 ．0 2 0 0． 4 O 9 8 3． 0 2 0 0 4 3 6 8 3 O 2 2 0． 4 0 3 8 6． 0 20 0． 40 矿 井通 风系统霸鲳风量分 配 巷遭 号17 l g s ／m。风慑m 3 ， ／ s e c 阻力mmH2 o 巷道号 风阻k g s 2 ／m3 1 ． 00 3 9 6 8 98． 8 8 2 3 4． 56 5 3 l 9 ． 3 6 0 8 3 2 ． 0 6 26 3 7 B 0． 2 3 O 6 9． 59 6 3 20 ． O 03 4l 7 2 0 2 2 25 5 31 ． 】 8 3 0 2 2． 1 2 78 31 ． 0 0 0】 3 3 01 日6 0 T 8 9． 4 7 2 5 2 4． B 75 6 3 2 ． 01 6 2 7】 5 ． 3 0 2 0 4 8 L 3。 8 2 2 3 L 9 89 2 2 3 ． 0 0 43 】 3 6 ． 0】 9 91 l 38． 2 85 0 2 6． 36 0 6 24 ． 6 0 0 7 9 9 7 ． 0i 6 5 8 6 l 6． 4 3 34 4 4 7 7 5 25 5 0 23 5 0 8 ． 03 6 21 3 】 2 ．6 03 0 ． 0 33 7 2 6 ． 0 01 4 95 9 ． 0l 8 l 4 3 5． 1 2 5 0 ． 4 23 5 2 7 ． O 0 5 1 】 3 1 3 ． 02 9 41 6 1 1． 2 921 3 ．7 51 1 2 8 ． 0 0 O】 2 3 】 L ． 0 0 8 9 86 21 8 30 5 4． 2 83 0 29 ．0 0 0 T 目 9 l 2 0 3 4 2 34 】 4 ．5 78 4 7． 2 7 5 T 3 0 00 4 64 2 1 3 ． 0 2 4 8．a S 5．0 31 4 ． 6 2 2 7 3 1 ． 0O 0 3 2 3 l 4 ． 0 33 5 2 3 L 0 3 0 73 ． 4 0 31 3 2 ．0 01 2 2 6 1 5 ． 0Il 6 9 0 1 3． 6 3 8S 2． 1 7 4 4 3 3 O0 6 9t 8 1 6 0 0 02 5 5 6． 5 6 ． 0l 5 3 3 4 0 02 7 93 l 7 ． 0 O l 0 O0 1 5． 35 45 2 3 7 9 3 5 00 0 5 9 1 8 5． 0 2 3 7 5 0 4l Z O ．8 51 8 3 00 2 24 3 有 色矿 山一 】 9 9 0 3 襄3 电机功率k w 并联啬教 11 ． 0 0 4 0 2 z 。 l 5． 0 0 00 2 2 2． 3 00 0 1 4 6． O OO O l 1 I． 0 03 0 L t 3 0． 6 6 0 6 I ． 1 5． 0 0 0 0 l 4． 0 0 0 0 I 襄4 风量m 3 ／ e c阻力 mmH2 o 7． 0 71 3 ． 00 6 7 6 7． 5 6 68 2 4． 72 01 8． 75 75 ．01 0 2 1 ． 94 3 7 55 3 1． 聃 l 7 ． e 5 5． 6 4 0 L ． 0 z 5 ．4 6 7 8 1 ． 09 0 4 】 4． 9 4 2 5 ． 3 88 6 2 7． 09 9 3 3． 76 2 0 33 ．1 3 1 6 ． 1 3 5 0 1 0． 3 0 l 2 0 89 8 1． “ i 5 ． ∞ 9 4 l 6． 49 7 8 l 31 5 5． 5 0口 7 ． 0 84 5． 】 6 0 l o 24 4 ．436 6 ． 0 0 05 5． 65 L 0 0】 l 3 9． 89 7 0 ．】 0 6 7 2 3一 ㈨ 北 蛐 盯 _三 儿 蛆 0 坫 0 0． _0 0 ．J 儿 他 旧 径 蛳 Ⅲ m ㈣ 号 }；T 8 维普资讯 各 机站 风机 的实际工况点 机站号 机台散 风机风量 风机垒压 效率 Ir a ／ s mmH 0 l 2 21 ．7 5 0 7 2I ． 0 44 6 ．7 3 2 2 2 7 ．46 4 8 2 O 5 4 4 0 ． 7 0 0 】 34 ．9 22 5 3 S 05 l 0 ． 92 4 】 2 ．6 T2 7 6 5 ．I 5 5 7 、 8 6 5 l l T． l 6 l 6 ．24 8 0 2 6 1 3 9． 1 2 9 3 3 0 ．30 8 9 ． 2 T 1 2 0．1 8 6 2 41．6 04 0． 84 8 1 8 5 】 9 2 2 6 ．1 0 l 7 ． 8 1 有效风量率提高 了5 0 ％ 以上。 五、 结语 用优化方法 进行矿井通风系统方案设 计 具有 以下特点 1 ． 与常规的人工匹配风机的方案 比较法 相比，大大减少 了计算工作量 提高 了设计 的科学性和可靠性。 ． 2 ． 设计的结果能代表方案的真实性能， 用于模糊数学综合评判的方案决策时能反映 实际情况，使方案 选择有意义。 3 ． 矿 井通风 系统设计是 一个 相 当 复 杂 胸 问题，在 确定 各个不 同方案的初期， 由于 许 多不 确定 因素需要人工决策，因而对不 同 的设计 人员可能 差别较大，对特定的方案， 虽然风机匹配方案有许多种，但系统工作 的 垠优] 况点是唯一 的， 困而使用优化方案毹 得m唯一 一解。 4 ． 建议} f发我 国矿井通 风设 计的专家知 以 系统 。 参考 文献 [ J 李雨林，矿井强风系统设计殛放造的实用优化方滔． 矿院首届青年优秀论文集 ，1 B 8 8 。 [ 2 赵梓 啦等 ．模糊数学在选择矿井通风系统方案中构应 用． 有色矿山 L 9 8 8 N o L 0 ． p 1 4 ． [ 3 马鞍山矿山研究院，丰矿 丰山铜矿主扇通风系统测 定报告 ．内部资科 ， [ 4 谢庆华．渡力偶台器在我矿的应用， 冶金安全 ， l 9 B 3． No ．I． P2 3． [ 5 马鞍山矿 山研究院．丰山铜矿通风系统改造方案论 证 ．内祁资料。 [ 6 马鞍山矿山研究院 ． 丰矿酒风系统改造方案设计说明 书 ． 7 王英 敏 ． 矿井通风 与安全 ．冶盘工 业出版社 ， 1 9 7 9． L 2． P1 8 7。 8 西伟 ．一种有效的约束非线性规i 算法殛软件实现， 计算机应用与研究 L 9 8 7 ，Vo 1 ． 4 ．No ． 2 ， Pl j ． [ 0 j D． M． 希梅尔布劳． 实用非线性规划 ，科学出版 社 ，I 9 B 】 ．Pl 7 O 一 1 9 0 。 1 o ]石 海林等 ，吊优化方法设计矿 各级机站通风系 统， 通风安全学会自城会议论文集 ． [ 『 1 ]沈元伟等 ． 井 下机站局部阻力的研究． 工业安生 与防尘 ．1 9 B 7．No． 3 ． 『 2 ]李雨林等 ．阵辑井下机站的局祁阻力殛机玷台理结 构的研 究 ， 金属 矿山 ．1 9 8 B ． No 神鳓鲥 l 鲫船鲫 神∞触 0 蚰鲫 始∞目 啦 鲫8 幢 g 啦 鳓gl岛弛∞ 曰 掷 曰 神 弛神 鲫 鲫鲫 野 船 鳓神驿 婶 汽车装载电脑测录系统开发研制成功 由长沙矿冶研究院开发的大型汽车上使用的装载测重和纪录系统已研制完成。 该系 统包括传感器，数 据动 态采集系统A／ D直流转换放大， 电脑数 据分 析系统及记录显 示，信号输出系统等。 令机 脒传感器外， 其’ 色部分 均组装于一 一 个5 0 03 0 0】 2 0 ram的便 携式手提 箱 内，携带轻 便 。 该 系统可直 接测嚣 装载重量并 动态 显示，超载信号输 出，精度可达 2％以内，并可按作 业 日期，工序进 行统计， 打印成 报表。 现该系统样机 已进行 现场 测试 ，初 试成 功， 已有 水厂 、南芬等铁矿 、云浮硫铁矿等矿山 订货。拟从今年 3月开始，再进行 3个月可靠性试验，即可正式接受订货和接受研制任务。 该机估价 约人 民币一万 元 章乃 千供 稿 一 2 一 有 色矿 山一 1 9 9 O ． 3 ； ； ； 维普资讯