浅谈如何构建三维仿真通风系统.pdf

2 蒲白科技 浅谈如何构建三维仿真通风系统 陕西煤业集团黄陵建庄矿业有限公司 王孜 摘 要 由于矿井生产是一个实时动态变化的过程， 因此， 矿井的通风系统也是一个动态的变化 过程。巷道不断地开拓延伸，采煤工作面在不断地回采；某一时间段合理的通风系统，随着井下巷道 的变化，可能过了一段时间之后就会出现不合理；有些巷道或工作区域的风速过大，有些巷道风量很 小，造成瓦斯等有害气体积聚，给矿井安全留下严重的隐患；传统的网络解算方法由于耗时长、计算 复杂、精确度低等原因无法满足现代化矿井“一通三防”管理的需要。随着科技的不断发展，三维通 风仿真系统通过对井下相关数据的采集， 利用 Ventsim 三维通风仿真系统能够快速有效的完成网络解 算工作，并且通过更为直观的三维仿真技术表现出来。 关键词 三维通风仿真系统 通风网络 网络解算 1 概况 建庄公司自二、 三、 四盘区开采以来， 矿井风量分配日渐复杂，加之总回大巷收 敛不断变化，采掘接续严峻，1风井主扇 已达工况最大值，对矿井通风系统、通风 网络结算带来了严峻的考验。往常的人工 现场实测，大量的手工计算，风量计算， 已不能实时准确的给出有效的对应方案 和措施，阻碍了矿井安全高效发展和通风 安全管理，因此采取科学有效的方法势在 必行。通过使用先进的 Ventsim 三维仿真 通风系统，直接在计算机上构建井下模拟 巷道及输入各类风量参数，通过软件快速 计算，能够及时采取有效的方案解决当前 问题，为矿井通风安全管理发挥有效作 用。 2 三维通风仿真技术原理 三维通风仿真技术是通过对矿井通 风系统数据进行三维可视化建模，将整个 矿井通风系统直观、动态的展现出来，对 巷道的断面、风阻以及通风构筑物等参数 进行赋值，实现通风系统的数字化和三维 可视化，然后通过成熟的算法对通风网络 数据进行处理、解算，对通风过程进行动 态模拟，从而为矿井通风管理人员提供必 要的数据支持，以辅助通风和生产决策。 其主要功能有 （1）通过三维建模，系统将复杂的 3 通风参数和通风过程以三维动态图形的 方式简单、直观的展现出来，通风技术人 员可从任意角度观察和调整通风系统，实 现巷道风量分配的实时解算和分析。 （2）可进行三维通风立体图制作， 完全兼容 AutoCAD 基础图形数据； （3）生产矿井通风网络解算，通风 现状分析， 通风系统调整方案设计、 分析， 通风系统风流动态模拟； （4）任意风路固定风量、固定风压、 矿井风量按需分配解算及动态模拟； （5）动态解算和模拟巷道贯通、新 掘或废弃巷道分支后通风系统的风流分 配； （6）自动根据风量要求反算调节风 阻和调节风窗面积， 动态模拟风门、 风窗、 密闭等通风构筑物设置和风量调节效果; （7）计算并动态模拟井巷断面或长 度变化后通风系统的变化； （8）可进行风机调速、反风计算和 动态模拟； （9）主要巷道经济断面选型、风网 通风经济性评价； （10）动态模拟井下烟雾、粉尘、有 害气体扩散路径和浓度，辅助进行灾害预 案制定和紧急情况处理。 3 三维通风仿真技术在实际中应用 建庄公司回风大巷总计 4800m，南邻 一盘区采空区，巷道收敛严重，导致部分 区段巷道出现风速超限现象，因此扩巷降 阻已刻不容缓。通过使用三维通风仿真技 术，构建矿井通风系统，对收敛严重巷道 进行模拟增大回风断面，无需先扩巷后人 工验算，即可得出矿井负压和主扇功率数 据，为矿井风量解算、施工断面要求提供 参考数据，提高了工作效率。 （模拟巷道 断面变化结果示意图见图 1） 图-1 模拟巷道断面变化结构示意图 浅谈如何构建三维仿真通风系统 4 蒲白科技 4 初始模型构建步骤 （1）通过手动绘图功能或导入文件 功能构建风路，确保所有的风路均互相有 效连接,并使用Ventsim中的过滤器工具检 查风路相互连接，或者直接使用 Ventsim 中的过滤器工具连接立体风路。 （绘制立 图-2 立体风路构建 图-3 主要巷道摩擦阻力系统 图-4 风路尺寸示意图 5 图-5 选择模拟风机信息 体风路示意图见图 2） （2）使用编辑按钮为风路设置正确 的尺寸和形状；根据需要在风网中添加通 风控制及调节设施，制定风路属性如摩擦 系数和局部阻力。 （主要巷道摩擦阻力系 数意图和风路尺寸示意图见图 3、图 4） （3）为模型风流提供驱动风压；使 用编辑按钮为风路添加风机或固定风量， 选择风机信息标签。 （选择模拟风机信息 示意图见图 5 ） （4）查看模型构建结果。如果每处 构建正确，风流数据和箭头将显示模拟结 果。 （5）如果有些风路为独头巷道，那 么模拟时可以通过编辑框设置“封闭末 端”避免警告。 5 初始模型构建方法 5.1 手动成比例构建 只要使用工具栏中的绘制工具（画 笔、移动、复制和删除按钮）就能手动构 建立体风路，使用坐标网格和状态栏显示 鼠标当前光标处坐标值可以导航风路创 建的位置。另外，通过坐标输入对话框可 以精确输入风路始、末点三维坐标。该方 法一般适应于小规模风网的构建（几百条 风路以下情况） 。模型中的风路排列和位 置一般都有轻微错位，但风路长度接近实 际值。很多情况下，为了视图更清晰，可 以将风路位置适当调整，并使用固定长度 功能使进行计算的风路长度与实际长度 浅谈如何构建三维仿真通风系统 6 蒲白科技 一致。 如果模型要求按照真实比例，那么构 建时就必须准确，最好将矿井设计 CAD 图形文件导入 Ventsim 系统构建一个模版 来创建真实比例模型。 5.2 手动示意图构建 有些情况下，可以通过构建网络示意 图来模拟网络。网络示意图可能与真实矿 井巷道模型不一致，只是用一系列的定位 方便的二维线表示风路。通过在编辑框中 固定风路长度来输入实际风路长度。 5.3 数据表文本导入 当可以获得比较完善的风路坐标和 断面尺寸数据时（比如从数据库或其它通 风程序中获得） ，使用“文件-打开-文本类 型”功能可以将这些数据直接输入到 Ventsim 系统中。输入的数据必须满足特 定的制表符分隔数据格式。该格式能够被 大部分诸如 Excel 和 Word 的办公软件 打开和修改。在保存菜单中可以选择以 TXT 文件格式保存任意现有风网文件， 以 后可以查看。 图-6 导入 DXF 线 图-7 转换为实体风路 7 6 设置风流风压 在模型中设置驱动风流的风压，可 以使用风机、固定风压、固定风量等方 式。如果不使用上述方法为模型提供风 压，风流就会保持停滞状态。 5.4 导入 DXF 数据图形 对于大型通风系统，需要根据现有 矿山巷道或设计按比例构建风网。最好的 方法是导入 DXF 数据（AutoCAD 制图互 换格式） ，Ventsim 系统可以通过导入数据 构建一个风网。在“文件-导入”菜单中打 开 DXF 文件导入功能。当导入数据时， 通过选中“转换为实体巷道”功能或在导 入之后选择性的通过 “绘制风路” “转换” 功能可将线转换为实体风路。 6.1 风机方式 模型中可以选择风机进行风流模 拟。Ventsim 系统中的风机曲线会自动 随模型中的空气密度修改参数，因此不 同的空气密度下会和风机初始曲线不一 致。 6.2 固定风流 固定风量既可以模拟风机的通风效 果，也可以强制风流进入模型的某几部 分再现需要观察的风流。一般来说，除 非是为了估算风机需要，通常不主张使 用固定风流来再现需要观察的井下风 流，因为它会对模型其它部分产生负面 影响有时不能在模型中真实反映井下通 风系统的变化情况。很多情况下甚至会 掩盖构建模型的真正问题。固定风量会 强制 Ventsim 系统计算满足设置风量的 所需要的风压。风流通过高风阻风路时 该负压可能就是真实的。相反，该压力 就有可能是负值，如果固定风量强制风 流低于预期应该模拟的风量，结果会导 致固定风量以高风阻的情况模拟。 6.3 固定风压 固定风压的作用方式与固定风量一 样， 只是 Ventsim 系统将按照输入风压 值计算等效的风量。与固定风量一样， 固定风压消耗的功率和产生的热量在 “编辑框-工程信息”中有说明，或者是 从菜单 “运行报告” 菜单下也可以查看。 7 模型风流模拟 7.1 通风路径 创建新模型的一个关键点是确保空 气可以流过新建巷道。在模型中放置一 台风机或固定风量并进行风流模拟，风 流会沿着风网流动。在这个阶段，不要 求数据准确只是通过这个简单方法来 检查哪些连接巷道是否可以让风流流 过，哪些位置可能是错误的。 一旦设置 风机或固定风量，模拟模型会按照风流 方向分配所有连接风路风流，没有分配 风流或者显示零风流可能是独头巷道或 在模型中没有正确连接的巷道。为了修 正风路末端连接错误要仔细检查无风流 浅谈如何构建三维仿真通风系统 8 蒲白科技 风路。 7.2 风筒和独头巷道 大部分矿井都存在许多独头巷道。 根据网络的定义， 独头巷道中没有风流， 因为它没有一条连续的风流路径能够流 入和流出风流。在许多现实情况中，独 头一般通过风筒进行有效通风，并需要 在风网中进行模拟。这种情况下，局扇 将风流输送到风筒中只是将风流从风网 的一部分推进到另一部分，而往往局部 通风机辅助通风区域受地热和湿空气影 响，需要作为全矿井热平衡的一部分考 虑。 为了满足网络连续风流路径的要求， 风筒需要以一条独立风路的形式进行建 模。为了表述清晰，风筒最好建立在矿 井风路外面，尺寸按照风筒的实际尺寸 建立。风筒将空气送入独头巷道，风流 通过独头巷道流向风网其它节点。 8 结论 建庄公司自 2018 年 12 月三维通风系统 正式投入使用后，通过搭建三维通风仿 真系统， 模拟井下新掘或封闭联络巷后， 对目前在用的 1风井主扇和模拟 2回 风立井贯通，进行了风量模拟分配，制 定了短期和长期的矿井通风网络优化方 案和措施； 并对二盘区专用回风巷贯通、 三盘区采掘巷道布置、总回大巷增大巷 道断面通风设计、解算和通风过程进行 了仿真模拟解算。 为矿井 2019 年通风阻 力测定，风量分配，提供了可靠的参考 数据，提升了矿井通风系统管理水平。 通过构建三维仿真通风系统，将复 杂的通风参数和通风过程以三维动态图 形的方式简单、直观的展现出来，通风 技术人员可从任意角度观察和调整通风 系统，实现巷道风量分配的实时解算和 分析，实现实时、动态、合理和科学的 通风管理，提高矿井通风决策人员的科 学决策水平。 （上接第 13 页）求教，邀请中国矿大、 西科大、沈阳煤科院、淮南治理中心等 单位的专家、教授现场指导，截止目前 完成了矿井瓦斯抽采专业队伍、装备和 瓦斯治理实验室筹建等工作，培养了一 批瓦斯治理专业人才，也形成了具有蒲 白特色的瓦斯治理体系，基本实现了瓦 斯治理目标。但是由于蒲白矿区瓦斯治 理起步晚，瓦斯抽采达标量化指标等数 据还有待进一步优化和验证，在日常工 作中还要进一步总结、优化和提升瓦斯 抽采方案、技术和工艺，特别是从提高 本煤层抽采浓度、降低瓦斯抽采作业强 度和提高瓦斯精准抽采等方面有待更大 的进步，真正实现瓦斯治理由“治得住” 向“治得快、治得准、治得省”转变， 实现瓦斯精准高效抽采。