基于Ventsim的深井线性热源对有效通风量的影响分析

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.02.271

基于Ventsim的深井线性热源对有效通风量的影响分析

王从陆^,, 李童

中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

Analysis of Influence of Deep Mine’s Linear Heat Source on Effective Ventilation Based on Ventsim Software

WANG Conglu^,, LI Tong

School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan，China

收稿日期: 2018-05-25 修回日期: 2018-08-29 网络出版日期: 2019-04-29

基金资助:

国家自然科学基金项目“微米级尘雾耦合作用力机理及其效能优化研究”(编号：51674289)和国家重点研发计划项目“金属非金属矿山采运过程物化防尘技术与装备”. 编号：2017YFC0805204

Received: 2018-05-25 Revised: 2018-08-29 Online: 2019-04-29

作者简介 About authors

王从陆（1972-），男，江西万年人，博士研究生，从事矿山安全、公共安全、事故预防及控制研究工作wangconglu@csu.edu.com , E-mail：wangconglu@csu.edu.com

摘要

随着矿产资源开采深度的日益增加，深井通风因其通风网络规模大、环境复杂等，面临着成本及能耗高的问题。考虑到深井高温环境具有大量且便利的热能，基于对深井温差能可利用性的理论分析，通过在回风井深部设置线性热源，运用Ventsim数值模拟的方法，研究了线性热源作用下温差能对矿井有效通风量的影响。结果表明：在矿井巷道干球温度处于25~48 $℃$ 的范围内，线性热源的温度提升与矿井有效风量的提高呈正相关，且回风井内二者呈近似线性相关，但对于矿井底部风量基础值较小的水平巷道，回风井内线性热源对其有效风量的提升不明显；在线性热源作用下，不同的温度递增设置方案对于有效风量的提升也有一定影响，在线性热源温差范围相同的情况下，对温差间隔进行小幅度、多区间的合理设置，有利于提高温差能的利用率。

关键词： 线性热源 ; 深井高温 ; 有效风量 ; 通风优化 ; Ventsim ; 数值模拟 ; 温差能

Abstract

The huge energy consumption is the main problem in the mining of mineral resources in China.In recent years，due to the continuous consumption of underground mineral resources，deep mining operations are becoming more and more common.Increasing the effective ventilation of mines is critical to saving energy consumption.The high-temperature environment of deep mines stores a large amount of heat energy，and if it can be comprehensively utilized，it will produce huge benefits.In recent years，domestic and foreign researches on the absorption，storage，and transformation of thermal energy have yielded rich results.Based on this，the temperature difference formed between the high temperature of the deep well and the surface temperature can be used as an energy source，and the temperature difference can be used as a ventilation power can improve the effective ventilation of deep mines.This paper starts with the theoretical analysis, and analyzes the state change of ideal gas in thermal environment.Then the feasibility of temperature difference energy for improving air volume is demonstrated.Secondly, a deep mine model was established based on Ventsim three-dimensional ventilation software, and the heat energy stored in deep mines was simulated by setting a linear heat source. Finally,the representative necessary ventilation roadway in mine structure, such as main air inlet shaft, main return shaft and horizontal tunneling roadway, is selected as the research object to analyze the influence of different temperature setting and layout of linear heat source on the effective ventilation volume of mine.The specific scheme is as follows: $①$ The linear heat source power was increased from 1 000 W/m to 3 500 W/m incremented by 500 W/m, so as to study the change of effective mine ventilation under the action of linear heat source at different temperatures. $②$ The linear heat source was set to a range of 1 000 W/m to 4 000 W/m, and the linear heat source was successively distributed according to the increasing of 1 000 W/m and 500 W/m in the same section of return air shaft, to observe the influence of the linear heat source with different power decreasing gradient distribution on the effective ventilation volume of the mine. The results of the study are as follows: In mine laneway when the dry bulb temperature at 35~48 ℃, the temperature rise of the linear heat source is linear positively correlated with the increase of the effective mine air volume. For the horizontal roadway with a small air volume basis value at the bottom of the mine, the linear heat source in the return air shaft does not significantly improve its effective air volume.When the temperature difference range of the linear heat source is the same, the reasonable setting of small amplitude and multiple intervals of the temperature difference can generate effective pressure drop, improve the dynamic effect of the temperature difference energy, and thus improve the effective ventilation volume. And the scheme is more economical and can improve the utilization rate of temperature difference energy.

Keywords： linear heat source ; high temperature of deep well ; effective ventilation ; ventilation optimization ; Ventsim ; numerical simulation ; temperature difference energy

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本文引用格式

王从陆, 李童. 基于Ventsim的深井线性热源对有效通风量的影响分析[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(2): 271-277 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.02.271

WANG Conglu, LI Tong. Analysis of Influence of Deep Mine’s Linear Heat Source on Effective Ventilation Based on Ventsim Software[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(2): 271-277 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.02.271

随着经济高速发展，浅表层矿床储量不断消耗，深井作业势必越来越普遍。关于深井的划分，南非、加拿大等矿业发达国家将深度为800~1 000 m的矿井定义为深井；德国将深度为800~1 000 m的矿井称为深井，而将埋深超过1 200 m的矿井称为超深井；日本把深井的“临界深度”界定为600 m；英国和波兰则将其界定为750 m^[1]。我国采矿界一般认为，开采深度在600~2 000 m为深井，开采深度超过2 000 m称为超深矿井^[2]。

通风效率是深井开采的重要保障。通风效率的定义为单位时间内送入矿井中各需风点的新风量与供风点处新风量的比，即供风点风量不变的前提下，矿井区域内输送有效风量的多少，通风效率偏低不仅会令通风效果受到影响，还会造成能源浪费^[3]。国内外学者对矿井通风效率优化进行了大量研究，尤其是引入矿井通风网络解算软件后，矿井通风系统的改造和优化不再局限于理论，而是更具有可靠性和稳定性。目前在矿井通风优化节能技术研究领域，解决方案主要有建立多风机多级机站通风系统和受控循环通风、主、辅扇联合工作方式以及研发运用矿用节能风机^[4,5]。可见，多数研究致力于解决通风设备本身效率不高或风机工况点选择不佳的问题，但是基于减小风阻以提高有效通风量的相关研究较少。

考虑到分支通风阻力是影响风阻大小的主要因素之一，同时基于深井高温环境的普遍性以及对热环境的分析可知，在深井开采中，不同围岩的热性质、地下水的热量、空气自压缩产生的热量以及传送带所释放的热量等，均可视为热量可观的线性热源，如果能将其与地表温度之间的温差能作为减小通风阻力的动力来源，不仅可提升有效风量，而且对于深井热环境的再利用及降低深井开采能耗具有重要意义。

1 温差能对深井通风的影响

1.1 温差能的物理机制

温差能是由于温度差而形成的能量。对于矿井巷道而言，假设其与环境无热和功的交换，黏性力忽略不计，巷道内气流为一维定常流，则对该巷道进行的热环境分析^[6]，如图1所示。

图1

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图1 一维巷道风流加热模型

Fig.1 One-dimensional roadway air flow heating model

注：1、2为截面编号

对于截面1和截面2，其气体参数有密度（ρ），速度（v）和压力（p），则有连续性方程：

ρ_{1} v_{1} = ρ_{2} v_{2}

（1）

动量方程：

p_{1} + ρ_{1} v_{1}^{2} = p_{2} + ρ_{2} v_{2}^{2}

(2)

将式(1)代入式(2)中，得到截面1和截面2的压力差为

p_{1} - p_{2} = ρ_{1} v_{1} (v_{2} - v_{1})

(3)

气体通过等截面巷道时，由于受热膨胀必然会加速，即v₂>v₁，依照式(3)出口压力p₂低于进口压力p₁，即在温差能的作用下形成了压力降，对于降低气流阻力和提高通风效果有着促进作用。

1.2 温差能在深井通风中的作用

研究表明，不同种类的矿山每百米平均地热梯度达1.7~7.5 $℃$ 不等^[7]，显然，深井中所涵盖的地热梯度范围更大，深井高温与地表温度必然会形成大幅度的温差。基于温差能的物理机制，利用该温差能，可降低空气密度，加速风流流动，从而减少通风阻力，提升单位时间内的有效风量，提高通风效率。

综合近年来学者们对深井热环境的研究，深井高温产生的原因为围岩散热、空气的自压缩、机电设备放热、氧化热、热水放热和人体散热等^[8,9,10]，在此基础上，可计算得出各因素的产热量，以及深井各岩层的热特性参数，包括地热梯度、岩层热导系数、特征热和热扩散率等。这些热源的分布，均呈现出线性的几何状态。基于目前在强化热对流和热交换，以及对传热、保温材料的研究成果^[11,12,13]，可保证线性热源的稳定性与高利用率。与增加局部风扇相比，利用线性热源改善深井通风效果时，因热能来自矿井本身，所以在节约成本、降低能耗方面有较大优势。综上所述，利用线性热源优化深井通风的可行性较高。

2 Ventsim仿真软件

2.1 热模拟

Ventsim系统采用基于稳态的热模拟，并给予如下设定：

（1）对于围岩热和柴油机设备热源，Ventsim系统默认已考虑潜热，不需要用户输入。

（2）Ventsim系统自动计算潮湿围岩表面所产生的水气，所以在大部分风网中，通常不需要用户设置井下湿源。

（3）软件的热功能助手采用迭代技术，并以当前编辑风路的相关参数作为初始值。初始值可根据需要修改。在模拟计算过程使用了多细节、多线程的方法，并考虑风路环境和围岩与风流的热交换。

2.2 系统理论

Ventsim三维通风仿真，可以实现矿井通风系统参数的实时模拟。由于矿井通风系统稳定性受多种参数变化的影响，通风系统网络复杂，人工很难计算出结果。因此，要在矿井通风系统时刻变动的状态下进行控制，必须快速地实现风网解算，才能得出准确的结果。

软件采用Hardy-Cross迭代法求解通风网络，根据通风网络中各分支巷道的初始风量，近似求出各风路的风量增值ΔQ，对风路中各分支巷道的风量分别进行修正，再迭代计算，直到修正值ΔQ满足给定精度^[14,15]。如图2所示，通过调整网络迭代次数，寻找可接受的解决方法。同时，Ventsim高级版采用改进的算法，考虑了空气密度的变化和质流平衡，即本文所用的软件版本。

图2

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图2 Hardy－Cross方法中的风量压降关系图

Fig.2 Diagram of airflow pressure drop in Hardy-Cross method

3 深井线性热源对有效通风量的影响分析

3.1 深井模型构建与参数设置

某矿山位于鄂东南大冶市城区，盛产铜铁矿。矿区构造由NWW向（近EW向构造的偏向）与NNE向的褶皱断裂叠加交切而成，但矿区NNE向构造活动强烈，成为该矿床的主体构造型式，构造类型主要有褶皱、断裂、破碎带和接触构造等。该矿区岩体可划分为坚硬、半坚硬、软弱和松散岩组^[16,17]。

利用Ventsim构建矿井模型^[18,19]，如图3所示，并依据该矿区岩体设置围岩类型。其中深井围岩类型为白云质大理岩，具体参数如下：导热性为 2.1 W/m $℃$ ，比热容为800 J/kg $\cdot ℃$ ，热扩散为0.9700665 m²/s ，围岩密度为2 706 kg/m³。深井部分的湿热环境由Ventsim的迭代算法给出。

图3

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图3 基于Ventsim的某矿山三维模型

Fig.3 3D model of one mine based on Ventsim

有关竖井内气流流动规律的研究表明，温度较高的区域会导致局部空气密度降低，若竖井内存在温差，则温差能将会造成空气密度存在差异，这种密度差使热空气在竖井内形成浮力，空气靠密度差引起的浮力作用，沿着竖向通道快速扩散，这种现象称为烟囱效应^[20]。因此，建模时选择深井底部的一段回风井作为深井线性热源的位置，使温差能的动力效应最大化。

由于整个矿井网络比较复杂，因此选定部分深井巷道分支（表1）作为特征分支进行分析,本次选取线性热源所在的回风井及与回风井相邻的水平巷道作为特征分支。在供风点风量不变的前提下，通过测定回风井和水平巷道工作面的风量变化，得出深井线性热源对矿井有效通风量的影响。通过对巷道划分节点并设定编号来标记研究对象，为便于表述，绘制了具体研究区域的巷道分段示意图（图4）。

图4

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图4 基于Ventsim的某矿山局部深井模型

Fig.4 Local deep shaft model of one mine based on Ventsim

表1 用于深井线性热源与有效通风量研究的特征分支

Table 1 Characteristic branch for the study of linear heat source and effective ventilation in deep shaft

巷道序号	分支描述	长度/m
1	回风井，-965.0~918.6 m	46.4
2	回风井，-918.6~-876.1 m	42.5
3	回风井，-876.1~-845.0 m	31.1
4	回风井，-845.0~-812.3 m，连有-845 m有轨水平巷道	32.7
5	回风井，-812.3~-785.0 m	27.3
6	回风井，-785.0~-751.8 m，连有-785 m有轨水平巷道	33.2
7	回风井，-751.8~-725.0 m	26.8
8	回风井，-725.0~695.5 m	29.5
9	有轨水平巷道，-965.0 m	57.7
10	有轨水平巷道，-965.5~-966.2 m	48.6
11	有轨水平巷道，-965.0 m	41.5
12	水平掘进巷道，-645 m	39.3
13	水平掘进巷道，-645 m	40.4
14	水平掘进巷道，-645 m	45.7
15	水平掘进巷道，-623 m	63.5

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3.2 线性热源对有效风量的影响

以功率的形式，在巷道分段序号为1~7的回风井内设定线性热源功率范围为1 000~3 500 W/m，按照500 W/m的数值递增，测定回风井内以及相邻水平巷道工作面的风量。模拟结果见图5。

图5

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图5 序号1~15巷道的线性热源对通风量的影响

Fig.5 Influence of the linear heat source on the ventilation of No.1~No.15

由于不同巷道内风量值相差较大，在绘制折线图时将风量相近的数据放在一起，便于比较。由图5可知，随着线性热源温度逐渐升高，通风量也逐步增大。其中，回风井内线性热源功率每增加1 000 W/m，平均有效风量可增加0.5 m³/s，近于线性增长。通风系统中矿井底部水平巷道属于有效风量提升最难的通风区域，由模拟结果可知，线性热源与矿井地表形成的温差能对此部分有效风量提升的作用较小。考虑到深井底部线性热源对井内整体空气密度的持续影响，会引起井内压力的变化，结合风量—风压特性曲线分析，线性热源对矿井整体通风量的提升效果显著。然而，在风量基础值较小的情况下，线性热源对于有效通风量的提升不明显[图5（c）]。

3.3 热源分布对巷道温差能的影响

选取巷道序号为1~7的回风井设置线性热源，设线性热源功率范围为1 000~4 000 W/m，在同一段回风井内将线性热源按不同的功率递增值分布，依次为1 000 W/m和500 W/m，记为A组和B组，测定线性热源所在巷道的通风量，模拟结果见表2。

表2 具有温差梯度的线性热源对风量的影响

Table 2 Influence of linear heat source with temperature gradient on ventilation

巷道序号	A组线性热源/（W·m^-1）	风量平均/（m³·s^-1）	平均干球温度/ $℃$	压力增减/Pa	B组线性热源/（W·m^-1）	平均风量/（m³·s^-1）	平均干球温度/ $℃$	压力增减/Pa
1	1 000	29.7	36.6	-1.2	1 000	29.5	36.5	-1.0
2	1 000 2 000	30.5	37.6	-1.0	1 500	29.9	37.4	-1.2
3	1 000 2 000	30.7	38.3	-1.4	2 000	30.3	38.7	-0.7
4	2 000 3 000	31.8	40.1	-0.7	2 500	31.9	39.8	-0.7
5	2 000 3 000	32.0	42.1	-1.0	3 000	32.4	41.6	-0.8
6	3 000 4 000	98.7	37.7	-10.7	3 500	99.0	37.5	-10.7
7	3 000 4 000	99.0	38.3	-6.3	4 000	99.8	38.0	-6.3
8		99.3	38.4	-7.0		100.1	38.1	-7.0
9		29.3	36.0	-13.5		29.3	36.0	-13.5
10		16.3	36.6	-3.6		16.3	36.6	-3.6
11		13.0	36.7	-2.0		13.0	36.7	-2.0

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分析模拟数据可知，在线性热源温差范围相同的情况下，当温度增加快、温差幅度大时，线性热源所处区域的风量改变量较小，最小的仅为0.2 m³/s。这是由于热源温度相同的巷道中温差能的动力效果不足，具体数据见A组线性热源的模拟结果（表2）。比较2组数据可知，在未引入其余巷道所带来风量的巷道部分，以高程区间为-965.0~-785.0 m的回风井为例，B组风量增幅为3.1 m³/s，优于A组的2.3 m³/s，即B组温差能较为显著。因此，对温差进行小幅度、多区间的合理设置，有助于提升温差能的动力效果，进一步提升有效通风量。

4 结论

（1）等值线性热源与有效通风量呈正相关。当矿井巷道干球温度处于35~48 $℃$ 时，线性热源影响下的平均有效风量变化趋势近于线性增长。同时，考虑到深井底部线性热源对井内空气密度的持续影响，结合风压—风量特性曲线，线性热源对矿井整体有效通风量的提升将远大于深井底部有效风量的提升。矿井底部风量基础值较小的水平巷道，回风井内线性热源对其有效通风量的提升不明显。

（2）同一段回风井，在线性热源温差范围相同的情况下，对温差间隔进行小幅度、多区间的合理设置，可产生有效的压力降，提高温差能的动力效果，从而提升有效通风量。模拟结果与理论分析匹配良好，该线性热源的设置方式既有利于降低能耗，也兼顾了通风效果。

（3）针对客观存在的深井高温，提出了对其综合利用的新方向。在矿体开采深度日益增加的工程背景下，深井高温的有效治理十分重要。本文通过论证深井线性热源对于提升有效通风量的作用，为深井热源在通风方面的应用提供了一定的理论基础，有助于资源的合理利用和绿色矿山的建设。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

何满潮

深部的概念体系及工程评价指标

[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2854-2858.