基于Ventsin的云锡新山矿段通风系统优化研究.pdf

基于 Ventsm i 的云锡新山矿段通风系统优化研究 * 邓红卫, 张 瑞, 雷 涛, 易东福 中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙410083 摘 要 根据云锡卡房新山矿段矿井回风困难的实际情况, 利用 SurpacV ision 、 3DM ine和 Ventsi m 软件建立了 1800 1900 m 中段三维通风系统网络解算模型, 确定 1900 m 地 表 斜井新增工程, 提出新增工程后的 3种通风系统优化方案, 并进行风网解算。结果表 明 新建工程选址合理, 和原有工程形成了完整合理的通风网络系统。通过分析比较各通 风方案的风速、 通风阻力、 风机数量及采场风量要求, 确定了最优通风方案。 关键词 Ventsi m; 三维通风系统模型; 风网解算; 方案优化 本文在前人的研究基础上, 结合 CAD、Sur pac V ision 、 3DM ine矿业工程软件及 Ventsi m 通风模 拟软件, 建立云锡新山矿段通风系统三维数字模型 和系统网络图, 并提出 3种通风系统方案分别进行 风网解算, 确定满足矿山风量要求的最优通风系统 方案和相关风机选型。 1 工程概况及 Ventsi m简介 1 . 1 工程背景 云锡集团卡房新山矿段开发生产区是一个集 钨、 钼、 铋等多金属于一体的缓倾斜矿床, 目前通过 1800 、 1870、 1900 、 1925 、 1946 、 1960和 2000中段等工 程及 3个进风口和 1处回风工程形成两翼进风、 中 部回风的独立通风系统。但由于生产重心不断下移 到 1870 1800m 中段, 通风方式的不合理性和通风 系统的不完善性逐渐凸显, 矿井内氡浓度较高、 氡子 体放射性危害和含砷粉尘化学危害较严重。目前 1900中段以下工程的风路较混乱, 且经过采场工作 面的风量不足, 不能很好地满足 1900中段以下的生 产通风需要。为解决上述问题, 需增加新的工程, 并 对已经形成的通风系统进行优化。 新增工程为 1900 m 通地表斜井工程。通过 3DM ine和 Surpac软件模拟, 综合考虑设备、 物质的 运输, 拟将斜井地面位置选在坐标约为 X 119531 , Y 572306处, 标高 1960 m, 斜井工程从该点垂直连 至 1900中段, 保证工程量最短。新增工程与各中段 位置及连接情况如图 1所示。 图 1 通风系统网络及新增工程 1 . 2 Ventsi m 软件简介 Ventsi m软件是一款实用性较强的矿井通风仿 真模拟软件。该软件可建立直观的矿井三维通风系 统模型, 通过路径模拟、 风网解算和风机设置, 对通 风系统的效果进行模拟检测、 控制与优化设计。具 有系统可视化、 现状模拟、 未来规划编制与模拟、 协 助选择风机和通风构筑物类型及数量、 模拟规划或 紧急情况下烟雾或气体的运动路径、 模拟矿井最优 配风方案和协助通风方案进行财务分析等主要功 能。 软件采用 H ardy- Cross迭代法求解通风网络, 通过迭代次数的网络调整, 寻找可接受的解决方法。 其算法如下 Qk - b i 1Ri ∀QaiQai -HfkNvpk b i 1 2 R i∀ Qai - ak ISSN 1671- 2900 CN 43- 1347/TD 采矿技术 第 10卷 第 4期 M ining Technology , Vo. l 10, No . 4 2010年 7月 July 2010 *基金项目 强省计划 云南省省院省校合作项目 2008023B005. 式中 Qk为回路风量增量值; k 1 , 2, ∃, M, M 为 独立网孔数; ak为风机特征曲线斜率 d Hf/d Q。 该式适用于网孔中有风机和自然风压作用的情 况。当流经的真实风量为 Q 时, 其阻力消耗可由阻 力定律 h RQ 2 计算, 如图 2所示。 图 2 Hardy- Cross方法中的风量降压关系 2 模型的构建 2 . 1 模型的建立 根据新山矿段井巷工程的实际布局及数据, 借 助 Surpac V ision和 3DM ine矿业工程软件, 清除对网 络优化没有影响或影响极小的工程, 建立矿段通风 系统工程的三维数字模型, 如图 1所示。 将模型导入 Ventsi m 软件, 进行包括风路断面 尺寸、 风阻、 巷道支护形式、 压降差等的风路属性的 赋值, 完成通风系统网络解算框架图的绘制与初步 优化。其计算过程如图 3所示。 图 3 通风系统风网解算及优化流程 2 . 2 风路描述 整个通风系统分为两条风路。 第 1条风路主要服务于 1870中段和部分 1800 中段区域。通风方式为两翼进风、 中央回风, 风流方 向如图 4所示。 第 2条风路主要服务于部分 1800中段, 风流方 向如图 5所示。 图 4 第 1条风路网络示意 图 5 第 2条风路网络示意 2 . 3 通风方案介绍 本次优化建立了 3种通风方案, 3种优化方案 的基本情况如表 1所示。 表 1 方案描述 方案名称 主扇 位置型号 辅扇 位置型号 方案一 压入式 1800m 坑口 1870m 坑口 DK40- 6No17 - 20 150 kW DK40- 6No18 - 25/20180 k W 1870中段南 部连通 1900 中段斜井 K40- 4No13 - 20 55 k W 方案二 抽出式 1900m 地表斜井 回风口 DK40- 8No 22- 25/20 264 kW 1900中段北 部巷道 1800中段南 部连通 1870 中段处斜井 K40- 6No18 - 20 90 k W K40- 6No18 - 20 90 k W 方案三 压抽混 合式 1800m 坑口 1870m 坑口 1900m 地表斜井 回风口 K40- 6No17 - 20 75 kW K40- 8No20 - 20 75 kW K45- 6No20 - 30 250 kW 1800中段南 部连通 1870 采场切顶工 程内 1800中段南 部连通 1870 采场切顶工 程内 K40- 4No9 - 20 11 k W K40- 4No11 - 20 30 k W 注 1 3种方案的辅扇位置、 型号相同; 2 方案二中, 为模拟出实际坑口自然通风环境, 在 1800中段 和1870中段坑口分别放置了一台K55- 4No12- 20 37 kW 的通风机。该风机设置只是软件模拟的需要, 不做现 场风机设备布置考虑。 3 风网解算及方案优化 3 . 1 通风系统阻力与功率消耗的风网解算 各方案进、 回风处风路长度、 通风阻力、 功率消 耗分布及占系统比值的情况如表 2所示。 75 邓红卫, 等 基于 Ventsi m的云锡新山矿段通风系统优化研究 表 2 进、 回风处风路阻力与功率消耗分布 方案名称段别位置 风路长度 m 风路长度 风路 总长度 占风路总长度 的百分比 通风阻力 Ns2/m8 通风阻力 通风 总阻力 占系统总阻力 的百分比 系统优化后功率消耗 功率消耗 占总功率的 百分比 方案一进风段1800 m坑口176203850 . 90 . 066430 . 2878923. 13 . 11 . 3 1870 m坑口430 . 20 . 016255. 61 . 30 . 5 回风段1900 m 地表斜井4402 . 20 . 1658857. 682 . 034 . 6 方案二进风段1800 m坑口176203850 . 90 . 066430 . 3596023. 14 . 62 . 6 1870 m坑口430 . 20 . 016255. 60 . 20 . 1 回风段 1900 m 地表斜井口4402 . 20 . 1658857. 645 . 525 . 7 方案三进风段1800 m坑口176203850 . 90 . 066430 . 2845223. 13 . 91 . 4 1870 m坑口430 . 20 . 016255. 61 . 20 . 4 回风段 1900 m 地表斜井口4402 . 20 . 1658857. 686 . 231 . 5 3 . 2 方案风网解算与优化 3种方案主扇优化选择时相关参数风网解算的 结果如表 3所示。各方案最终解算结果及新增工程 处的通风效果如表 4所示。 表 3 主扇风网解算优化选择结果 通风方案位置 风量 m3/ s 风速 m /s 压力 Pa 功率 kW 效率 方案一1800 m坑口36 . 26 . 01150 . 464 . 373 压入式 1870 m坑口42 . 97 . 11296 . 786 . 073 方案二 抽出式 1900 m 地表斜井65 . 010 . 8864 . 385 . 679 方案三 压抽混 合式 1800 m坑口 1870 m坑口 1900 m 地表斜井 38 . 7 41 . 6 80 . 4 6 . 5 6 . 9 13 . 4 199 . 8 281 . 5 1046 . 8 17 . 6 20 . 8 149 . 8 83 77 77 3 . 3 结果分析 1 上述风网解算表明, 新增 1900 m至地表斜 井使新山矿区 1800 、 1870 、 1900中段和地表及其间 相应采场中形成了完整的通风网络系统, 保证了新 鲜风流充分洗刷工作面, 污风及时排出。 2 由表 2可知, 1800 、 1870中段坑口进风段 通风阻力较小, 分别为 0 . 06643 Ns 2 /m 8 和 0 . 01625 Ns 2 /m 8, 占系统总阻力的 23 . 1 和 5 . 6 , 而 1900 m至地表斜井回风段的阻力 0 . 16588 Ns 2 /m 8 较 大, 占系统总阻力的 57 . 6 , 表明通风系统的阻力 主要集中在 1900 m至地表的斜井回风段, 自然风压 作用下, 通风系统的负压和功率将主要消耗于斜井 回风段, 进一步说明了 1900 m至地表斜井工程的必 要性; 通风系统优化后, 3种方案的功率消耗均较 小, 以方案一为例, 3处进、 回风段功率消耗分别为 3 . 1 , 1 . 3 , 82. 0 k W, 占总功率消耗的 1 . 3, 0 . 5 和 34 . 6 , 而优化前各段通风阻力分别为系统总阻力 的 23 . 1、 5 . 6 和 57 . 6 。综合分析表明, 该新增 工程选址合理, 改善了系统当前通风状况。 表 4 各方案通风网络解算结果 通风方案风路数目 风路长度 m 风机数目 台 总风量 m3/ s 1900 m 地表斜井 风量 m3/s 风速 m /s 通风阻力 Ns2/m8 总功率 k W 电费 万元 /a 方案一2602038577979 . 113. 20 . 28789237112 . 3647 方案二260203856646510. 80 . 3596017784 . 1465 方案三2602038588080 . 413. 40 . 28452274129 . 8765 3 对比 3种方案的通风效果, 压入式方案最 合理。首先考虑各中段的风量和风速 3种方案 1900m 至地表斜井的风速分别为 13 . 2 , 10 . 8 , 13 . 4 m /s , 均小于地下矿通风规定 方案一和方案三 的总回风量大体相同, 分别为 79 , 80 m 3 /s, 满足 78 m 3 /s的采场总需风量要求, 而方案二总风量仅 64 m 3 /s , 无法满足该要求。其次考虑整个系统所需的 通风设备数量、 电力消耗等因素, 方案一的通风阻力 0 . 28789 Ns 2 /m 8 略大于方案三 0. 28452 Ns 2 /m 8 , 但前者使用的通风机 7个 较少, 总功率和电费均 小于方案三, 表明该方案通风动力消耗较少, 通风费 用较低。综合考虑通风系统的经济合理性及技术可 行性, 对比得出方案一要优于其他方案。这与云锡 公司矿井为含氡危害矿井, 采用压入式供风, 可使进 风部分和用风部分处于正压状态, 防止氡和氡子体 向矿内渗流而污染风源的要求相符。 4 3种方案选择的主机性能与通风网络匹配 较好。 以方案一为例, 参考 地下矿通风规定中相 下转第 90页 76 采矿技术 2010, 10 4 4 帷幕注浆后井下涌水量变化情况 2008年 1月 12 月, 我矿平均涌水量 143 m 3 /h, 最大涌水量 182 m 3 /h 。 2009年 1月 10月 平均涌水量 166 m 3 /h , 最大涌水量 212 m 3 /h涌水 量达到最大是由于井下钻孔出水没有及时封堵造成 的 , 最近减少到 140 m 3 /h 。也就是说注浆前涌水 量为 143 m 3 /h , 注浆后开采面积增加了一大片, 涌 水量并没有增加, 特别是从 2009年 1月 11月涌 水量明显减少。假如不注浆, 现在涌水量可能达到 1000 m 3 /h , 甚至突水, 给我矿带来灾害性后果。 参考文献 [ 1]安徽省地质局 325队. 安徽省濉溪铁矿徐楼矿区水文地质补 充报告 [R ]. 淮北 安徽省地质局 325队, 1973 , 11. 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