三维通风

中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地(常州)自动化股份有限公司矿井通风及三维仿真分析2020年9月23日星期三产品介绍：VentSIM汇报人：王冀飞中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司引子玻璃杯里有什么？中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司引子•怎样才能感受到空气的存在？•变成风！中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司引子•南北通透开窗透气中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司矿井通风•1.重要性•“一通三防”是煤矿安全生产中的重中之重。“一通三防”中的“一通”就是指“矿井通风”，“三防”系指“防瓦斯、防尘、防自燃发火”。煤矿安全生产“以风定产”，就是以通风能力核定生产能力。只要有人正常作业的地方就必须保证有效通风。有效的矿井通风是煤矿安全生产的最基本保证（通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位）。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司矿井通风•2.任务•(1)供给井下人员足够的空气，满足人员呼吸的需要；•(2)稀释和排出各种有毒有害气体和矿尘；•(3)调节气候条件，给作业人员一个舒适的环境，以提高工作效率。•简而言之：保证井下工人安全的喘气。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司矿井通风•3.问题•(1)从当前我国的矿井安全事故统计发现，但凡能造成重特大事故发生的，一般都与通风系统有关，或者是通风系统不合理，或者是通风系统本身就没有完整地形成，导致包括瓦斯爆炸、煤尘爆炸等重特大事故。•(2)由于矿井建设和生产在不断的变化如巷道在不断地开拓延伸，工作面生产在不断地推进,某一时间段的合理的通风系统，但过了一段时间就有可能不合理，如：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.•因此，整个矿井的通风系统也是一个动态的变化过程。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司矿井通风•4.解决——构建合理的矿井通风系统•(1)利用通风动力，采取符合实际的矿井通风方式、矿井通风方法和矿井通风网络，以最经济的方式，向井下各用风地点提供足量的新鲜空气•(2)在发生灾害时，能及时而有效地控制风向及风量，并配合其它措施，将事故控制在一定范围内，防止灾害的进一步扩大。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司矿井通风•5.解决——计算机模拟•计算机就是用来解决这些复杂网络解算的分析软件。•我所用过的通风仿真分析软件：•风丸软件、MVSS3.0、VentSIM中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司矿井通风•风丸软件•是由日本九州大学工学研究院井上雅弘博士编制，基于通风网络图进行结算。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司矿井通风•风丸软件•但这款软件需要人工建立拓扑关系，对于复杂的通风网络，单单是绘制网络图就已经非常复杂了。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司矿井通风•MVSS3.0•能够通过巷道、节点、通风设施等自动建立拓扑关系，但由于是二维，很难做到三维解读。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司矿井通风•MVSS3.0中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司•VentSIM的简介•VentSIM的功能及理论知识（建模、仿真、优化、火灾及污染物的动态模拟）•VentSIM的特点•VentSIM的展望中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的简介•VentSIM引进于澳大利亚Chasm（裂谷）矿业咨询顾问公司；•VentSIM第一个版本发布于1993年，经过20多年不断完善和发展，经历了从二维到三维、从静态到动态、从复杂到简单、从单一到多样的过程；中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的简介•Ventsim™是一款矿井通风模拟软件组合，旨在帮助地下矿井设计，改进和优化其通风系统。可以为任何一个矿井/隧道提供通风建模，以及模拟分析以下通风参数:中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的简介•能够帮助矿山企业解决哪些问题：•通风系统三维可视化•通风系统的管理（风流、通风设施、主扇运行管理等）•矿井通风系统优化•通风系统改造仿真模拟分析•井下灾害模拟分析（污染物、火灾等，辅助决策）•灾害时期避灾路线分析•通风系统培训•通风系统中、长期规划设计•通风方案实施前后分析预测及筛选，辅助决策中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司建模可对矿井通风数据进行真三维建模(1)将含有坐标信息的CAD巷道单线图导入到VentSIM程序中，生成实体巷道中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的功能及原理(2)检验模型的连通性、化简相邻的节点和较短的过度风路中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的功能及原理(3)输入巷道信息a巷道名称b巷道形状c巷道断面宽、高d摩擦阻力系数e巷道信息（是否连接地表、是否参与解算等）中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的功能及原理摩擦阻力系数α：反映的是巷道能够产生摩擦阻力的能力。对于矿井中大多数通风井风流只与相对粗糙程度有关，对于几何尺寸和支护已经定型的井巷，相对粗糙一定，空气密度一定，则α也为一定值。摩擦阻力系数α与摩擦风阻Rf的关系：摩擦风阻Rf与摩擦阻力hf的关系：hf=RfQ2因此就有：中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的功能及原理(4)根据矿井的实际通风方式在有主要通风机的巷道上固定风量，以便模拟主要通风机的工况。根据该矿井所使用的主扇特征曲线等参数，在模型中建立与实际相符的主扇。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的功能及原理(4)根据矿井的实际情况，对井下所有的通风设施都采集到模型中，包括：风门、密闭、调节风窗、局扇风筒等，并核对其位置，数量。同时也要固定好相应的风量。•进过上述步骤，模型就已初步建立好，可进行模拟解算。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司概括通过解算，找出通风系统中与实际不相符的地点，分析原因，并通过微调对基础数据进行纠正，调节某些分支的风阻，使其与井下实际情况相符或相近。使三维立体模型中巷道的风速、风量、温度等与实际巷道基本相符。最终达到仿真效果。只有保证了基础数据的可靠性，才能当巷道风量、热源等发生变化时，准确模拟出改变后的状态，进而分析其影响。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司原理——矿井通风三大定律（1）风量平衡定律（2）风压平衡定律（3）阻力定律中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的功能及原理（1）风量平衡定律是指在稳态通风条件下，单位时间流入某节点的空气质量等于流出该节点的空气质量；或者说，流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等于零。若不考虑风流密度的变化，则流入与流出某节点的各分支的体积流量（风量）的代数和等于零，如图，节点4处的风量平衡方程为：中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的功能及原理将上述节点扩展为无源回路，则上述风量平衡定律依然成立。如图所示，回路2-4-5-7-2的各邻接分支的风量满足如下关系：中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司）风压平衡定律假设：一般地，回路中分支风流方向为顺时针时，其阻力取“＋”，逆时针时，其阻力取“－”。（1）无动力源（Hn、Hf）通风网路图的任一回路中，无动力源时，各分支阻力的代数和为零，即：如图，对回路２－３－４－6中有：中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的功能及原理（2）有动力源设风机风压Hf，自然风压HN。如图，对回路１－2－3－4－5－1中有：一般表达式为：即：能量平衡定律是指在任一闭合回路中，各分支的通风阻力代数和等于该回路中自然风压与通风机风压的代数和。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的功能及原理（3）阻力定律中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司纠正和调节（1）一条支路风量过大，可增大本支路摩擦阻力系数，或减小同级其他支路的摩擦阻力系数，也可二者同时使用；反之亦然；（2）一条支路压力过大，可通过增大风阻以减小本支风量，或增大相邻支路的风量。（3）有通风设施的地方要固定风量，以增加边界条件，利于调节。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司优化调整完毕的模型，可以对当前通风系统进行优化分析，也可对其进行后期通风系统改造，并可在同一个工程文件中实现不同阶段和不同方案的管理和模拟分析。在建立通风系统模型后，对其进行通风网络解算，进而根据通风系统调整的需要，在现有通风系统模型的基础上可进行以下网络解算：1)模拟新掘巷道及巷道的贯通和密闭；2)模拟井巷断面或长度变化；3)模拟风门设置、拆除及调节量的变化；4)模拟风机数量、位置和工况点，多分机并联或串联通风模拟；5)风机特性曲线模拟及调节。6)固定任意巷道风量、风压、风阻等参数，进行通风网络解算；7)同一工程文件内编辑、管理不同阶段或方案的通风系统，并分别进行通风网络解算。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司)模拟新掘巷道及巷道的贯通和密闭；中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司)模拟井巷断面或长度变化；中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司)模拟风门设置、拆除及调节量的变化；中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司)模拟风机数量、位置和工况点，多分机并联或串联通风模拟；5)风机特性曲线模拟及调节。中国煤炭科工集团常州自动化研究院天地（常州）自动化股份有限公司的功能及原理（6）设置局