矿井通风三维仿真系统及其应用研究

矿井通风三维仿真系统及其应用研究

徐小马

（河南工业和信息化职业学院，河南焦作454003）

摘要：本文介绍了矿井通风三维仿真系统的原理和技术特色，结合大型矿山的通风实际情况，分析现状，提出技术方案。通过矿井通风三维仿真系统，对通风系统进行模拟并优化，来改善矿井通风现状，确保矿井的安全工作。

关键词：通风网络；三维仿真；优化

目前，从我国资源开采的情况与中国的发展现状考虑，中国国家性质使得中国对于金属资源的需求量大，因此很多地区进行了金属矿山的开采，近些年来不少矿山扩建和对老矿山的不断改造，若对矿山不采取有效的管控，将会影响矿山通风系统的紊乱，从而降低生产效率。从目前的发展形式来看，我国已有一套功能全面、可视度高、可靠性强、实用性强的矿井通风网络仿真与优化系统，能够较为精准的描述当前的矿井通风状况，以及自然条件对于矿井的影响，还能在不同时期对于井下的通风情况进行模拟，提高了矿井在使用过程中的安全系数，保障矿井开采的进一步实施，目前这套三维仿真系统已获得国家软件著作权。

1.矿井通风网络三维仿真与优化系统

这套系统也称为3DVS系统，其模块清晰、功能明确，主要分为四个模块，第一模块是三维仿真模块，包括网络图的浏览打印、网络图的编辑修改、网络图的绘制以及节点巷道数据输出；第二个模块则是风网解算模块，其中包括原始数据输入、风网解算、解算结果诊断、结算结果标注以及结算结果查询打印；第三个模块是数据管理板块其中包括数据库备份与恢复、图库备份与恢复以及用户管理；第四个模块是帮助板块，用于帮助用户查询或搜索文件、解释文件用途等功能。该系统的操作原理是将通风网络和风机原始数据作为变量，其他的变量则是由参数是在各模块之间进行运算和转化，也进一步地避免了参数的传递提升了运行的速度。

这样的通风三维仿真系统有六大特点，其一由于参数不用在板块中进行传递，因此该系统计算，速度相对较快，精度相对较高；其二是板块清晰使得可视性强，具有多角度旋转的观感；其三则是通过模拟仿真的效果将多个通风方案进行比较，实现了矿山的模拟化结算，使得结算结果清晰，具有说服力；其次是实现了矿井风量的自行诊断，判断实际风量与设计风量之间的差距，为后续的调节和管理提供有效依据；第五则是有明确的查询系统，因此在操作过程中操作更加便利，节省了操作员在使用该系统的过程中的时间，同时该系统可以根据相关的信息自动生成所需要的报表，使得操作人员能够一目了然知道数据，使得数据具有可移植性；最后则是该系统可以设置不同权限的用户管理，保证了系统使用中的数据安全。

这样的通风网络三维仿真系统是现代的产物，它结合了三维仿真和计算机绘图，以及编程和相关数据库等多项技术，其板块清晰使得三维仿真模型能够更加优化。

2.矿井通风系统仿真基础

2.1矿井通风系统调查

该系统精准的分析了矿井的现状并进行了相关的系统调查，在矿井通风的现状调查中，可得知三大数据信息，包括通风网络信息，通风构筑物信息以及通风动力信息，在通风网络信息中分为结构信息和分支信息，其中结构信息和分支信息包括的内容也并不相同，在结构信息中包括巷道长度及名称、是否角联、断面形状及面积、风量及堆积物状况封祖籍摩擦力系数，而在分期信息中包括节点数、巷道数和网孔数；在通风构筑物信息中确保信息是否完好、是否欠缺、数量问题、位置问题及漏风量；在通风动力信息中包括自然风压和风其两大板块其中自然风压，包括作用区域和分压大小，而风机则包括其安装的位置，叶片的安装角、通风方式、风机型号，电机功率、装置风压和运用状况。

2.2矿井通风系统参数测试

该系统对于现场的巷道、风点和风量都有测量，以便于更加精准地进行数据分析和解算，其具体包括通风巷道横断面积、风速、温度、湿度以及风机的风压、电机的使用功率等多重参数。在取样时应当注意布置点的合理性，考虑其测量的时间对测量的影响，以确保数据的真实性和有效性，矿井通风系统，应当保证其风机的正常运转，使得风机在正常状况下，能够得出准确的数据信息，并对每一个点进行测定。

2.3原始数据文件处理

该三维仿真系统根据在矿井现场调查测定情况进行分析，例如，对每条风路的情况以及风机的性能进行参数解算，结合每条通风网路的节点编号、风路编号，形成相关的数据库，解算出风路参数表、节点参数表、巷道参数表等各大原始数据并整理成案，随后将数据库输出并保存在系统中，如果原始数据库文件中风路、节点等出现问题，系统将会自动报错，同时根据所标记的通风网路的节点编号和风路编号能够轻而易举的找到出错的位置，有利于操作人员及时发现并进行维修。

3.3DVS系统应用研究

根据定点调查数据，得知某地区有一大型的金属矿山，可供开采深度约有千米，井下实施大型机械化作业，矿井通风系统复杂，分为1号、2号、3号等多个子系统，系统与系统间相互衔接，其中需风点多达80多个，均采用多级风机进行通风，在8条进回风井内进行考察和数据研究工作，其中包括含斜坡道在内的回风井，由于开采深度的延伸及作业点的不断变化，使得自然风压受到影响，导致井下出现了风流紊乱的现象，以及有效风量率降低等问题。[1]因此，该矿井通风三维仿真系统能够较好的解决该矿中通风的问题，通过解算软件得出相应的的解算数据，并通过数据分析提出对其现状和系统进行改造的方案。通过对多个影响因素进行数据分析，例如矿井通风系统的通风阻力、通风的横断面积、风机的风压、通风的构筑物等影响因素进行详细的调研、测定以及整理，形成相应软件可识别、可运行的原始数据库文件。

3.1矿井通风系统模拟与比较

将通风数据库终得数据导入3DVS系统中，通过软件解算模块模拟在整个通风系统中风流方向和风量分配等具体信息，表一中有相关的主井、副井、进风井、和其他相关地区的风向测量值和模拟风向值，会发现模拟风向值和测量出的风向测量值之间相对误差较小，因此该系统能够交为精准、有效的模拟出风向值，如果出现误差较大的地区，可通过专门测量或对相关参数及变量进行修整，最终获取最佳模拟值。。

3.2矿井通风网络三维仿真

在该层面上可以将数据进行三维模拟仿真，使得数据可视化显示，形成矿井通风立体图，方便操作人员进行查询修改，以及管理相关的工作。其中通过通风立体图显示的信息有，节点编号，节点三维坐标，巷道编号，以及想到的横切面积，以及通风构筑物的相关信息，在图像中可以通过不同颜色不同，色块不同，不同线条的穿插来体现数据的变化。

3.3矿井通风系统优化方案研究

要对矿井通风系统进行优化，要对其系统的不足问题进行分析，并提出有效的解决方案，通过对现有矿井现场调研的数据分析显示，目前现有的矿井通风系统中存在着矿井总量不足、矿井通风的有效风量偏低、盘区的风量不足、受自然风压的影响出现反风现象，或在斜坡道附近，回井过程中出现井风量较大的情况，这也根斜坡的高度、倾斜度有关，同时温度也对风压有一定的影响。

在了解通风系统存在的问题之后，通过分析发现，主要原因有机站风机循环风量较大，以及井下多级基站的配置不合理等问题，或者，通风构筑物的结构不完善，对于斜坡道的倾角，以及忽略了温度对风量的影响。以上的一些问题，首先，我们可以保持现有的主扇，设置相关的空气幕阻隔循环系统，来加强对通风网络的调整和相关构建物的建造，其次将作业盘中段机站风机的位置，在调整位置的同时，同时完善通风构筑物以优化矿井系统，第三，结合原来的风机，将多级机站改为适合不同地区矿山实际情况的主辅联合式通风，作业盘区则可以采取空气幕来调节分风。这样将有效的解决，目前通风系统中存在的主要问题。

3.4矿用空气幕选型模拟

矿用空气幕目前是较为常用的矿用模型，因该空气幕有着较强的风流调控能力，且在操作和使用的过程中，使用了硐室型矿井风流调控的技术，是对矿用空气幕的调整与改善，该调控技术可在不影响巷道工作人员和基础运输的情况下，有效的引射风流，达到隔断风流和风流增阻的作用。具体的矿井的通风系统的改造和相关矿用空气幕的选用，需要结合每个矿洞的实际情况进行具体分析，例如，若将空气幕调节盘区和中段风流结合使用容易适得其反，产生不良后果。

对于空气幕选型的流程主要是通过进入系统结算模块数据，根据巷道阻力和风量的要求，输入初选空气幕性能参数，并进行相关的通风网络三维仿真与优化系统的模拟，看是否能够达到预计标准，若不能达到则选择相关的空气幕，若周围的向导风量能达标则可结束选取。

3.5矿井自然风压的实时计算

由于自然风压受季节的变化是不断变化的，因此根据其季节性变化，可以适当的调整通风系统的参数数值，使得在测量过程中数据更加精准，同时，根据不同地区对于矿井风量的影响也不尽相同，因此可以充分利用自然风压节能。

3.6试验结果分析

对通风系统进行全方位的测定和评估，能有效的对系统进行优化和改造，能够更加完善系统矿井进风量满足了矿井设计需风量，盘区作业环境得到了根本改变，使得测定的结果和评估的结果保持一致。

小结：

矿井通风三维仿真系统能够科学、准确、快速的模拟出矿井通风的现状，并建立相关的数据库，通过整体数据库分析得出优化方案，并进一步制定实施方案，推动工程项目的进行，该系统的发明实现了自然风，对于矿井深处的影响，为后期的建筑构成和井筒风机的使用，提供了最佳的数据。同时在该系统发明之后，可通过模拟数据分析提出相应的方案，检查或核实周边情况，通过数据显示来确保下井工人的工作环境安全问题，使得工作环境更加有保障，为进一步的开展矿井工作提供了决策性的帮助。

参考文献

[1]彭家兰,王海宁,彭斌,苑栋.矿井通风三维仿真系统及其应用研究[J].中国安全生产科学技术,2014,10(01):124-129.

[2]王海宁,彭斌,彭家兰,刘红芳.基于三维仿真的矿井通风系统及其优化研究[J].中国安全科学学报,2013,23(09):123-128.

[3]陶树银.复杂条件下矿井通风系统优化研究[D].江西理工大学,20