基于Ventsim軟件的金屬礦山礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化

萬三明，劉祖文,朱易春,詹 俊,陳祖云,周建榮

（1.江西理工大學(xué),a.資源與環(huán)境工程學(xué)院，b.建筑與測繪工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西耀升工貿(mào)發(fā)展有限公司，江西贛州341321）

基于Ventsim軟件的金屬礦山礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化

萬三明1a，劉祖文1b,朱易春1b,詹 俊1a,陳祖云1a,周建榮2

（1.江西理工大學(xué),a.資源與環(huán)境工程學(xué)院，b.建筑與測繪工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西耀升工貿(mào)發(fā)展有限公司，江西贛州341321）

針對某金屬礦山礦井通風系統(tǒng)存在的通風網(wǎng)絡(luò)不合理、礦井總供風量不足、通風構(gòu)筑設(shè)施不完善等問題，提出三種優(yōu)化改造方案.并借助Ventsim系統(tǒng)建立三維通風模型，解算礦井通風系統(tǒng)的數(shù)據(jù).對三個方案的經(jīng)濟和技術(shù)進行綜合比較，選擇最佳方案，減少人力和物力的消耗.

礦井通風系統(tǒng)；Ventsim系統(tǒng)；三維通風模型；解算

0 引言

礦井通風系統(tǒng)是指向井下各作業(yè)點供給新鮮空氣，排出污濁空氣的通風網(wǎng)路、通風動力設(shè)備和通風控制設(shè)施的總稱[1].《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》[2]規(guī)定，每個礦井必須有完整的合理的通風系統(tǒng).完善的礦井通風系統(tǒng)是井下各作業(yè)地點有連續(xù)的新鮮風流、稀釋并排除粉塵和有毒有害氣體、降低井下工作面的溫度，提供安全舒適的工作環(huán)境的基本保障,對提高礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義[3-4].

礦山隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，開采深度的增加、自然條件的影響以及生產(chǎn)布局的變化，生產(chǎn)礦井往往會出現(xiàn)總供風量不足；井下風流不穩(wěn)定；礦井漏風嚴重，有效風量率低；通風網(wǎng)絡(luò)不合理，對井下各作業(yè)點不能實現(xiàn)按需分風；廢氣巷道不能及時封閉，造成風流浪費等問題[5-7].因此必須適時對礦井通風系統(tǒng)進行改造，確保礦山有序、可靠、持續(xù)地安

全生產(chǎn)[8].

礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造的主要任務(wù)是對現(xiàn)有的通風系統(tǒng)進行調(diào)查、測定和評價；發(fā)現(xiàn)通風系統(tǒng)存在的不足之處、分析原因、提出多個整改方案；運用Ventsim三維通風仿真系統(tǒng)對各個整改方案進行模擬，確定最優(yōu)方案.

1 工程背景

1.1 礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)查

某金屬礦是以開采鉛鋅礦為主的地下礦山，采用平硐與盲斜井聯(lián)合開拓方式，開采多年，由+1666 m延伸到+1200 m共計15個中段.礦井通風系統(tǒng)為+1566 m及+1516 m平硐進風，147線回風井出風的單翼對角抽出式通風系統(tǒng).已開拓的水平由+1666 m到+1200 m，現(xiàn)有的作業(yè)水平由+1566 m到+1200 m，其中+1360 m及以上中段均有部分回采作業(yè)面；+1320 m及以下中段均為開拓中段.該礦在+1400 m中段147~151線之間、+1460 m中段142~143線之間設(shè)置了風門，其它中段沒有通風構(gòu)筑設(shè)施.主扇安裝在147線風井口風機硐室內(nèi).

1.2 礦井通風系統(tǒng)的測定

為了了解礦井的通風系統(tǒng)，需要對主扇、需風點、回風巷道等進行測定.測定的主要內(nèi)容有：井巷斷面積、風速測定、風機裝置風壓的測定、電機輸入功率的測定、大氣壓、溫度等[9-12].測風點的應(yīng)布置在地表及各中段主要進風巷、各個作業(yè)點、各中段主要回風巷、其他能夠反映風量分配意義的地方.通過測定檢查各主要通風井巷的風速、風質(zhì)是否符合規(guī)定，確定漏風點的漏風量等，為通風系統(tǒng)優(yōu)化改造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1.3 礦井通風系統(tǒng)的評價及分析

通過對礦井通風系統(tǒng)的現(xiàn)狀調(diào)查及測定結(jié)果進行評價和分析得知該金屬礦主要存在以下問題：

1）礦山主通風機與現(xiàn)有的生產(chǎn)能力不匹配.原因是該礦年生產(chǎn)能力從原設(shè)計產(chǎn)量的21.5萬t提高到現(xiàn)有的30萬t，主通風機供風不足.

2）礦井風量、風質(zhì)合格率低，內(nèi)部風流短路嚴重，采場通風條件差.這是由井下作業(yè)點串聯(lián)較多，井下局扇安裝方式不合理造成的.

3）通風構(gòu)筑設(shè)施不完善，導(dǎo)致風量分配不合理，漏風嚴重，風量供需比達不到要求.

4）礦井主通風機裝置效率不高，僅有43.56%，達不到風機裝置效率不得小于60%的要求.主要是風機與現(xiàn)有的通風網(wǎng)絡(luò)不匹配造成的.

5）局部區(qū)域污風循環(huán).各個中段均有空區(qū)及天井與上下貫通，污風串聯(lián)嚴重；局部通風工作面多數(shù)為污風循環(huán)；各作業(yè)區(qū)段未設(shè)置風流調(diào)控設(shè)施，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)角聯(lián)，風流紊亂；新鮮風流與污風混合.

2 礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案的擬定

對該金屬礦山的礦井通風系統(tǒng)進行調(diào)查、測定，發(fā)現(xiàn)該礦井通風系統(tǒng)存在的通風網(wǎng)絡(luò)不合理、供風量不足、通風構(gòu)筑設(shè)施不完善等問題.這將會導(dǎo)致井下通風系統(tǒng)能耗較大，通風效果差，不僅造成經(jīng)濟損失，還危害井下作業(yè)人員的健康.針對這些問題提出了三種礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案.

方案一.封閉+1666 m、+1616 m窿口及147線原回風井地表井口，僅利用+1566 m及+1516 m窿口進風，主扇安裝在151線總回風井口地表風機房.新鮮風流由+1566 m及+1516 m窿口進入，經(jīng)過1#及2#盲斜井到達+1400 m中段運輸巷道，然后通過3#及4#盲斜井進入各作業(yè)中段，污風由155線回風井收集后經(jīng)由+1400 m中段回風巷到達151線回風井，最后由安裝在地表風機房的主扇排出地表.

方案二.封閉+1666 m、+1616 m窿口及147線原回風井與+1400 m中段相連處，利用+1566 m、+1516 m窿口進風及147線風井經(jīng)+1460 m中段進風，主扇安裝在151線總回風井口地表風機房.新鮮風流由+1566 m、+1516 m窿口及147線風井（經(jīng)由+1460 m中段）進入，經(jīng)過1#及2#盲斜井到達+1400 m中段運輸巷道，然后通過3#及4#盲斜井進入各作業(yè)中段，污風由155線回風井收集后經(jīng)由+1400 m中段回風巷到達151線回風井，最后由安裝在地表風機房的主扇排出地表.

方案三.封閉+1666 m及+1616 m窿口，利用+1566 m、+1516 m窿口進風及147線原回風井經(jīng)+1400 m中段及+1460 m中段進風，主扇安裝在151線總回風井口地表風機房.新鮮風流由+1566 m、+1516 m窿口及147線風井（經(jīng)由+1460 m中段及+1400 m中段）進入，經(jīng)過1#及2#盲斜井到達+1400 m中段運輸巷道，然后通過3#及4#盲斜井進入各作業(yè)中段，污風由155線回風井收集后經(jīng)由+1400 m中段回風巷到達151線回風井，最后由安裝在地表風機房的主扇排出地表.礦井通風

系統(tǒng)立體圖如圖1所示.

對于井下的作業(yè)中段存在的風流短路、風流反向、風流不能按需分配等現(xiàn)象，在相關(guān)巷道中設(shè)置風門、風墻等構(gòu)筑設(shè)施，加強風流控制.

圖1 礦井通風系統(tǒng)立體圖

3 Ventsim系統(tǒng)在礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造中的應(yīng)用

Ventsim三維通風仿真系統(tǒng)是通風領(lǐng)域最為先進的軟件系統(tǒng)之一[13-16]，它具有以下功能：

1）新建礦山通風網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計、解算和風流動態(tài)模擬；

2）生產(chǎn)礦井風流動態(tài)模擬；

3）任意風路固定風量、固定風壓、網(wǎng)絡(luò)風流按需分配仿真；

4）模擬新掘和廢棄井巷后風網(wǎng)系統(tǒng)的變化；

5）模擬風門、風窗、密閉等通風構(gòu)筑物設(shè)置和風量調(diào)節(jié)效果;

6）輔助進行短期和長期通風系統(tǒng)規(guī)劃；

7）在風網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上進行風機選型，風機運行工況點分析；

8）支持對主輔扇、局扇選型和多級機站聯(lián)合運轉(zhuǎn)分析；

9）主要風路經(jīng)濟斷面選型、風網(wǎng)通風經(jīng)濟性和通風能力分析，風網(wǎng)全局優(yōu)化；

10）串聯(lián)通風和污風循環(huán)預(yù)測；

11）基于生產(chǎn)礦山需求，可將礦山通風實時監(jiān)控系統(tǒng)與三維通風仿真系統(tǒng)進行整合，提供基于實時數(shù)據(jù)的礦山通風動態(tài)管理和調(diào)節(jié)系統(tǒng).

3.1 Ventsim系統(tǒng)通風網(wǎng)絡(luò)解算原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入

將CAD圖形中的實測圖紙以.dxf格式導(dǎo)入Ventsim系統(tǒng)中，形成初步的三維通風系統(tǒng)圖.根據(jù)通風系統(tǒng)測定及計算獲得的原始數(shù)據(jù)對每條巷道進行參數(shù)輸入，得到各巷道的周長、斷面積、風阻系數(shù)等基本參數(shù).如圖2所示.

圖2 風路數(shù)據(jù)輸入

3.2 風流的動態(tài)模擬

基礎(chǔ)參數(shù)輸入后，就會形成三維礦井通風系統(tǒng)圖，在工具欄里對風路進行“綁定與簡化”避免風流斷開不能模擬和使得風流更為簡潔.通過運行“風流模擬”，檢查風網(wǎng)運行是否正常.接著賦予系統(tǒng)通過計算得到的礦井總需風量及各中段的按需分配風量，主要進風巷道采用自然分風模式進行分配.在這過程中需適當?shù)卦谀承┫锏涝O(shè)置構(gòu)筑設(shè)施進行風量調(diào)節(jié).

通風系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)解算，得出各巷道通風阻力、通風風量、風阻等參數(shù)，確定需要優(yōu)化調(diào)節(jié)的巷道分支，以達到通風系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計目標.

3.3 三種通風方案的技術(shù)與經(jīng)濟的綜合比較

3.3.1 技術(shù)性比較

礦井的等積孔是反映井巷(或礦井)通風難易程度的一個重要指標，以平方米表示.通常根據(jù)礦井等積孔值或礦井風阻值大小(即按礦井通風難易程度)將其分為三級，即大阻力礦（A<1）、中阻力礦（1< A<2）、小阻力礦（A>2）.等級孔愈大，通風愈容易.反之亦然.

運用Ventsim軟件對設(shè)計方案的通風網(wǎng)絡(luò)進行模擬，解算礦井通風摩擦阻力，考慮局部阻力所占份額而乘以1.2系數(shù)后即可得全礦通風阻力，各個方案供風量、通風阻力參數(shù)匯總結(jié)果見表1.

表1 參數(shù)比較

通過計算得到方案一、方案二、方案三礦井通風的等積孔分別為1.71 m2、1.77 m2及2.00 m2.上述結(jié)果說明，方案三等積孔最大，礦井通風阻力最小，方案一等積孔最小，礦井通風阻力最大.

3.3.2 主扇的經(jīng)濟性比較

礦井主扇是礦井通風的主要動力，它是高能耗的機器.因其功率大，且常年連續(xù)運轉(zhuǎn)，是礦山的用電大戶.所以對主扇進行經(jīng)濟合理的選擇對礦山的節(jié)能降耗有重要意義[17].

對該礦山礦井的自然風壓進行計算得知容易時期為+166.43 Pa，困難時期為-24.23 Pa.負號說明自然風壓的方向與礦井通風機造成的風流方向是相反的，即該礦高溫季節(jié)的礦井自然風壓是阻礙主扇工作的.故主扇選型時，必須考慮自然風壓的作用.

在主扇選型過程中，根據(jù)礦井通風容易時期和困難時期所計算出的風量與風壓數(shù)據(jù)（表2）選出合適的風機，然后利用全礦總風阻R，在H～Q特性曲線上畫出工作風阻R曲線，最后確定風機工況點和葉片安裝角.

表2 風量與風壓數(shù)據(jù)

根據(jù)Ventsim系統(tǒng)通風網(wǎng)絡(luò)解算選取合適的主扇型號，通風系統(tǒng)方案一及方案二均選擇DK45-8-N021；方案三選擇DK45-8-N020.三種方案所選主扇的工況點及參數(shù)見表3、表4及表5.

表3 方案一風機的工況點及參數(shù)

表4 方案二風機的工況點及參數(shù)

表5 方案三風機的工況點及參數(shù)

對于通風方案一，在容易時期風機功率為201.5 kW，電機軸功率為212.1 kW，年通風電耗成本為134.4萬元；在困難時期風機功率為283.4 kW，電機軸功率為298.3 kW，年通風電耗成本為214.8萬元.對于通風方案二，在通風容易時期風機功率為186.0 kW，電機軸功率為195.8 kW，年通風電耗成本為124.1萬元；在通風困難時期風機，功率為239.2 kW，電機軸功率為251.8 kW，年通風電耗成本為159.5萬元.對于通風方案三，在通風容易時期風機功率為159.1 kW，電機軸功率為167.5 kW，年通風電耗成本為106.1萬元；在通風困難時期風機功率為190.3 kW，電機軸功率為200.3 kW，年通風電耗成本為126.9萬元.

3.4 優(yōu)化改造方案的確定

運用Ventsim軟件系統(tǒng)對三個優(yōu)化改造方案的通風阻力進行模擬計算，得知方案三的通風阻力最小，通風最容易.同時方案三選用的風機在正常運行的條件下，能夠滿足從通風容易時期直到+1200 m中段開采結(jié)束前的通風困難時期的通風阻力的要求，并始終保證滿足礦井需風量的要求，主扇的效率較高，且通風成本最低.所以方案三為最佳方案.

4 方案實施效果

改造方案實施后，對礦山礦井通風系統(tǒng)進行測定，比較礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化前后通風系統(tǒng)評價指標，見表6.

表6 優(yōu)化前后通風系統(tǒng)評價指標對比/%

由表6得知：主扇的供風量能夠滿足礦井的需風量要求；通風構(gòu)筑物的設(shè)立減少了+1360 m以上中段的漏風，保障下部中段風量的需求，實現(xiàn)了風量的按需分配；作業(yè)點的風速、風量等相關(guān)參數(shù)滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》[2]的要求.

5 結(jié)論

1）優(yōu)化后的風量供需比達到1.37，可以滿足礦井的需風量要求，同時主扇的裝置效率明顯提高，這樣即改善了井下作業(yè)環(huán)境，又提高的礦井通風的技術(shù)質(zhì)量.

2）修補已壞的風門、風窗，在相關(guān)巷道設(shè)置通風構(gòu)筑設(shè)施，避免的風流短路，實現(xiàn)風量的按需分配.對各個中段與采空區(qū)相連部位的封閉有效的杜絕污風串聯(lián)、污風循環(huán)、污風與新鮮風流混合.但隨著生產(chǎn)的不斷進行，要對構(gòu)筑設(shè)施不斷調(diào)控，加強通風管理，確保通風安全.

3）Ventsim軟件系統(tǒng)能夠?qū)μ岢龅母脑旆桨缚焖俚倪M行風網(wǎng)結(jié)算、仿真模擬風量的按需分配，通風預(yù)先模擬各個方案的通風效果選擇合理的改造方案，同時可以幫助礦井通風管理人員發(fā)現(xiàn)問題和優(yōu)化通風網(wǎng)絡(luò)，減少人力和物力的消耗.

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Optimization of metal mine ventilation system based on Ventsim software

WAN Sanming1a,LIU Zuwen1b,ZHU Yichun1b,ZHAN Jun1a,CHEN Zuyun1a,ZHOU Jianrong2
(1a.School of Resources and Environmental Engineering,1b.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China;2.Jiangxi Ganzhou Yaosheng Industry Development Co.Ltd,Ganzhou 341321,China）

Aiming at the problems existing in the ventilation system of a mine,such as unreasonable ventilation network,insufficient total air input of mine,incomplete ventilation structure,three technological reformation schemes for the optimization of the ventilation system are proposed.With the help of the Ventsim system,the three-dimensional model for ventilation is established to calculate the data of mine ventilation system.By comparing the economic and technological effects of the three technological reformation schemes,the best reformation scheme is chosen to reduce the consumption of manpower and material resources.

mine ventilation system;Ventsim system;three-dimensional model for ventilation;calculation

X936；TD72

A

2014-05-22

國家自然科學(xué)基金資助項目（51464016）；江西省自然科學(xué)基金資助項目（2009GZC0035）

萬三明（1989-），男，碩士研究生，主要從事安全科學(xué)與工程等方面的研究，E-mail:wansanming19891104@163.com.

劉祖文（1969-），男，教授，主要從事水處理工藝和噪聲控制等方面的研究，E-mail:liu_zwfm@sohu.com.

2095-3046(2014)05-0012-05

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.05.003