1 前言
矿井通风系统的基本任务是利用通风动力向井下各用风地点提供足量的新鲜空气, 稀释并排除各种有毒有害气体和粉尘, 调节气候, 确保工作地点的空气质量, 营造一个安全舒适的作业环境[1]。近年来，随着浅表矿床储量不断的消耗，已迫使许多煤矿企业转入深部开采。从而使得为井下提供足量的新鲜风流变得更加困难[2-3]。主要集中体现如下：通风系统越来越复杂，风流不易控制，使得通风管理极为困难；随着采深加大，井下温度逐渐升高，工作环境恶化，严重影响工作效率，危害职工的身体健康[4]。从而迫切需要能够对井下通风系统以及井下环境进行定量数值分析及模拟的技术，满足日益提高的矿井安全生产管理需求。鉴于目前国内还没有较好的三维通风仿真系统能满足这一需求，金码软件（北京）有限公司引进开发了GinVent系统。它是集三维模型可视化，通风管理，热模拟、污染物模拟等为一体的三维通风仿真系统，可以很好的满足煤矿企业的通风管理等的要求。
2 三维通风仿真系统的特点
该软件构建的真实三维立体通风系统，填补了国内该领域的历史空白，实现了从原先二维平面显示到如今三维立体显示的跨越式转变。通过三维建模和对三维模型的多视角旋转观察，原先许多在二维图形下容易混淆和难以理解的问题得以轻松解决，例如：矿井分层重叠的巷道在二维图形下根本无法在一张图纸上按真实坐标显示，而且层与层之间的连接关系也无法显示，如今，这些问题在该三维通风模型图上迎刃而解。同时，该三维通风系统能提供丰富的图层管理工具帮助隐藏复杂通风网络中无关紧要的网络数据，而将重点数据展现出来。在三维模型中，用户可以方便的设置和获取任意节点的三维坐标，调整任意风路断面的三维尺寸，视图区的三维视图将您所做的调整即时的反映出来。该软件采用可视化的方式来管理通风数据。所有这些数据都可以在三维视图中显示、在数据表中定制和输出，以及通过颜色图例管理器来对不同区间的数据设置颜色图例。
3 矿井三维通风系统模型的建立
3.1 三维系统模型的生成
该系统生成矿井三维系统模型有3种方式:1.利用矿上已有的AutoCAD工程图，在双线条表示的巷道中加一中心线，保存为DXF格式。然后将DXF文件导入到软件中，在导入时设置将中心线直接转换为实体风路。还可以每次只导入一个水平巷道的信息，并设置标高，从而大大降低建模工作量。2.导入”.txt”文本文件，直接生成三维立体模型，文本中应包含每个节点的三维坐标、编号，巷道节点编号、长度等。3.直接通过鼠标与键盘相结合绘制，可以直接拖动鼠标自由绘制巷道，也可通过输入每条巷道的始末节点三维坐标来精确绘制巷道[5]。
3.2赋基础数据值
该三维通风仿真系统的风网解算、热模拟等，都需要采集矿井当前的某些属性数据。主要包括：巷道的长度、百米风阻、摩擦系数、支护形式、断面形状、断面面积、周长、障碍物面积；主风机与机站局部风机的位置、风机特性曲线、当前的工状点；井下发动机的位置、功率；进风口大气压力、温度、湿度等[6]。这些数据都可直接从通风科的阻力测定报告中获取。
3.3现状模拟解算，确保基础数据可靠
当模型空间关系建好，并赋予基础数据后，需进行风流模拟解算与热模拟，来模拟出当前井下的实际状况，即检测基础数据的可靠性[5]。通过某些分支风阻的调节，最终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一致。只有保证了基础数据的可靠性，才能当某些巷道风量、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。
4 系统在通风中的应用
4.1三维立体可视化，实时显示风流方向、风量、风速、温度等
该软件系统采用了风流动态模拟的方式来展现矿井通风过程。它将风流、风机、井下的热源和冷源等大量数据以人们好理解的方式动态的显示出来，从而帮助用户快速地对数据进行分析和解释。动态风流可以显示井下成千上万巷道的风流方向和相对速度。动态风机显示风机处于开启或者停止状态，动态着色对用户选定的特定参数范围进行着色。通过动态模拟和数据颜色图例设置，用户不再需要对文本数据进行解译就可实现对复杂风网的分析，如图2、图3所示。此外，良好的可视化效果也能帮助将专业问题展现给不懂专业其他人员。
图1某金属矿的三维立体模型
4.2辅助选择最优措施及在中长期通风规划中的应用
在矿井通风现状模拟的基础上，根据矿井生产规划，对通风系统未来的通风状况和可能引起风流变化情况的措施进行模拟，然后验证我们的风机是否满足未来的通风要求或采取的各种措施是否能达到了预期的效果，从而辅助选择最优的措施。
例如某矿根据矿井的采掘布置以及矿井的长期发展规划，四采由于地热严重，工作面温度过高以及瓦斯量大，3-5年后五采主要工作面基本采掘完毕，不在继续向下进行开采，只回收剩余煤柱，此时西二采工作面已经形成，进入开采阶段，西二采与一采处于同一煤层，瓦斯涌出量相同，预计西二采布置一个采煤工作面10 m3/s，三个掘进工作面9 m3/s，五个硐室10 m3/s，预计总需风量29 m3/s。通过对选用不同风机，不同工况点进行风流模拟，最终确定该采区安全生产所需的风量，要求西二采风井风机提供的风压为1192.7Pa，风量为42 m3/s，通风功率为62.6KW。
4.3循环风的检测
系统运用传统算法追踪整个矿井每一条风流路径，报告出可能循环的风流位置。为了防止允许的循环风（例如高风阻车场的少量漏风）的琐碎报告，可以通过“设置”菜单设置循环风的界限如允许1m3/s 或者0.1%的循环风。检测出的所有循环风流将以“闪烁风路”的形式显示。
4.4 在风网优化设计的基础上进行风机选型，风机运行工况点分析
该三维通风仿真系统内部具有目前最常用的风机数据库，在系统建模、风流模拟的同时，系统能够从风机数据库中选取合适的备选风机，供用户进行优选。对所选风机通过多次风流模拟以选择最合适的型号，达到最终满意效果。
4.5 帮助选择最经济的通风巷道断面
增大风路断面尺寸是减小摩擦损失、降低矿井通风成本的最直接的方法。然而增大风路断面将带来了额外的掘进成本。考虑到“投资的时间价值”，当前在掘进成本上节省一元钱比将来在通风成本上节省一元钱更有价值。除此之外，如风路的服务年限，这决定着将来在通风上能够节省的成本总数[6-7]。经济性模拟工具考虑了所有这些因素，能对单一风路（比如竖井）或一组具有相同断面尺寸的风路（例如一组斜坡道系统）模拟多达10种不同巷道断面尺寸，并以净现值的形式报告不同断面尺寸对采矿成本和通风成本的影响。从而选择最优的竖井或者水平巷道的尺寸，最大化地节省通风成本，将矿井生产成本降到最低值。
4.6模拟烟雾、粉尘、有害气体扩散路径和浓度，辅助灾害预案制定和应急救援
基于网络中污染源的位置稳态或动态的模拟污染物扩散，模拟过程中，可根据通风巷道中污染物浓度自动设置巷道颜色并实时显示具体数值。污染源的强度与所在位置的风量成比例，并且是无方向性的。从图中可以直观的看到，随着时间变化，下风侧每条巷道污染物浓度的变化。污染源定位工具通过类似于一个污染物扩散模拟的相反过程来寻找污染物源头。其从设置的污染源头开始对风流进行追溯，并计算出设置的污染源风量占巷道风量的比例。该功能也可应用于确定新鲜风流的源头，分析减少或增加特定区域源头风量的方法。可以用来帮助快速判断井下可能的火源或污染源（如：矿尘和有毒有害气体）。随着工作人员对井下不同位置风流状态的报告（如：烟雾或新风），系统通过模拟将对上、下游风路根据模拟计算结果进行着色：红色（受污染巷道）、蓝色（新风巷道）、黄色（可能的污染源头）。当收到越来越多的位置状态报告后，污染源头可能所在的黄色区域将逐渐缩小，可以根据这一区域找到火源或者污染源头。从而辅助制定应急救援措施。
4.7参照图形
该三维通风仿真系统可以导入外部3D 图形、DXF模型作为通风系统的参照图形使用。可导入的外部图形如：地表模型、矿体、实测巷道模型和矿区基础设施等。尽管参考图形对通风回路没有直接影响，但参照图形能提供较好的可视化效果，同时也可作为创建新巷道的重要参照。矿井通风网络巷道和尺寸可以直接与实测或设计数据进行比较，地表地形可以用来确保竖井进口绘制正确的标高上；矿体和采矿场可以用来确保通风回路没有绘制在错误的位置，而且有助于采用合理的通风设计来控制风流。
5系统在热害控制中的应用
目前，避开局部热源、加强通风、预冷进风风流等优化通风系统的方法在我国矿井热害治理中应用较为成熟，对隔绝高温围岩、个体防护和水冷却技术的研究也有很大的进展。因此，加强通风是矿井降温的主要技术途径，通风降温的主要措施包括加大矿井风量和选择合理的矿井通风系统[8]。
该系统考虑的热参数主要包括围岩和地下水的热量和湿度、不同种类岩石的热性质、点源（如电动机）热量、线源（如传送带）热量、柴油机热量以及矿石的氧化作用产生的热量、空气自动压缩产生的热量、空气的制冷和局部降温，矿井下随深度、温度和通风压力变化而变化的空气密度、考虑空气密度变化的自然风压、诸如除尘水雾的人工加湿、饱和空气的压缩等因素。热源参数的设置界面如图3所示。该三维通风仿真系统中的热模拟是通过两个离散模拟来实现的。首先是风流平衡模拟，接着是热平衡模拟。在热模拟过程中，风流模拟得到的质流平衡保持不变，热模拟计算得到的新温度和空气密度，理论上将导致质流的不平衡。这种不平衡能够通过随后的风流模拟得到纠正，但随后的热模拟将再次影响平衡。因此必须经过多次模拟进行修正以达到温度和风流基本平衡。随着后面模拟的不断进行修正，当温度和风流变化达到平衡时，这种不平衡会逐渐减少[9]。根据对模拟出来的温度高低及分布，从而制定有效的制冷降温措施。
该三维通风仿真系统通过风流模拟、热模拟，可以快速查找出热源，并给出制冷降温建议措施，进行再模拟，预测降温措施的效果。从而设计出合理的矿井通风系统，降低矿井温度，优化井下工人工作环境，保证安全、高效的生产目标。
6 结论
针对煤矿矿井通风复杂、不易管理等现状，详细阐述了三维通风仿真系统GinVent的通风与热模拟功能及其操作流程。它能科学、准确、快速的进行通风现状模拟、改造措施方案模拟、矿井中远期通风方案模拟等，满足了煤矿企业通风管理的要求，为通风管理人员及决策人员提供了科学可靠的数据，具有很好的应用前景。
参考文献
[1] 依力汗·阿合买提.浅谈后期金属矿山井下通风技术改造.新疆有色金属, 2009: 57-58.
[2] 何茂才.金属矿山矿井通风系统分析与设计. 有色冶金设计与研究, 2010, (1): 4-6.
[3] 柳明明.GinVent三维通风仿真系统在金属矿山的应用. 金属矿山, 2010, (10): 120-122.
[4] 谭海文.金属矿山深井热害产生原因及其治理措施.黄金, 2007, (2): 20-23.
[5]吴兵,刘旭,王凯.矿井通风网络数据可靠性检验.中国安全生产科学技术, 2010, (2): 16-20
[6] 崔士成,安玉坤,杨云成,等.矿山主通风井经济断面计算方法的研究.有色矿冶, 1999, (3): 60-61
[7] 李珩.试论通风井筒“经济断面”的设计.煤矿现代化, 2000, (3): 15-16.
[8] 谭海文.金属矿山深井热源分析与矿井通风.中国矿业, 2006, (11): 59-61.
[9]M.J. McPherson.Subsurface Ventilation Engineering. England:Springer,1993:233-235.