基于Ventsim系統(tǒng)的礦山多中段通風(fēng)系統(tǒng)改造研究

陳國(guó)芳， 譚熙通， 支學(xué)藝， 袁明昌， 郭順

（江西理工大學(xué),a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 贛州341000）

礦井通風(fēng)是礦井各生產(chǎn)環(huán)節(jié)最基本的一道生產(chǎn)工序，通過(guò)礦用通風(fēng)機(jī)提供新鮮風(fēng)量，稀釋礦井下的有毒有害氣體和粉塵并將其排出，使井下風(fēng)流的質(zhì)量得到保障，為井下工作人員提供良好舒適的工作環(huán)境，防止各種傷害和爆炸事故發(fā)生，在礦井建設(shè)和生產(chǎn)期間始終占據(jù)著十分重要的地位[1].近年來(lái)，我國(guó)許多礦山都擴(kuò)大了生產(chǎn)能力，生產(chǎn)系統(tǒng)不斷延伸，然而其通風(fēng)系統(tǒng)仍多為多年前設(shè)計(jì)，并未隨著生產(chǎn)能力的擴(kuò)大而得到提高，設(shè)計(jì)服務(wù)范圍已不能滿足現(xiàn)有的日常生產(chǎn)，致使井下出現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)質(zhì)合格率偏低、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率偏低、新鮮風(fēng)流進(jìn)入生產(chǎn)中段偏少等問(wèn)題.為保障擴(kuò)能生產(chǎn)后對(duì)已開(kāi)采十余年的復(fù)雜礦山通風(fēng)系統(tǒng)，能滿足生產(chǎn)對(duì)風(fēng)量及通風(fēng)質(zhì)量的需求，并使得在靈活調(diào)控的條件下各中段風(fēng)量能滿足安全作業(yè)需求，必須對(duì)現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，確保礦山井下工作人員在良好的工作環(huán)境生產(chǎn)作業(yè).

Ventsim三維仿真系統(tǒng)可以利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)來(lái)建立礦井三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型[2].依據(jù)礦井設(shè)計(jì)繪制立體的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)巷道的斷面、風(fēng)阻等重要參數(shù)進(jìn)行賦值，通過(guò)風(fēng)流模擬進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算、風(fēng)量分配，同時(shí)可以使風(fēng)流與風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，并從風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取合適的備選風(fēng)機(jī)，然后進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型.通過(guò)多次的風(fēng)流模擬和對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最終的滿意效果[3].而且可以考慮風(fēng)流壓縮性與自然風(fēng)壓的影響，以獲得和現(xiàn)實(shí)情況更加接近的模擬效果[4].在Ventsim系統(tǒng)中，能夠快速對(duì)通風(fēng)調(diào)整方案進(jìn)行模擬和檢驗(yàn)，如風(fēng)機(jī)減速或關(guān)閉、巷道密閉等各種調(diào)節(jié)效果，可以通過(guò)模擬快速展現(xiàn)出來(lái)，從而及時(shí)調(diào)整，避免實(shí)施后出現(xiàn)問(wèn)題而增加費(fèi)用[5-13].

1 提出問(wèn)題

武山銅礦經(jīng)過(guò)地下開(kāi)采10余年，生產(chǎn)中段較多，井下通風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，屬于大型井下開(kāi)采礦山[14-15].礦區(qū)由南、北礦帶組成，南礦帶位于北礦帶上盤，南、北兩礦帶相距400 m.采用豎井和無(wú)軌斜坡道聯(lián)合開(kāi)拓系統(tǒng)的開(kāi)拓方法.采礦方法為下向分層進(jìn)路式充填采礦法和上向水平分層進(jìn)路式充填采礦法[16]，開(kāi)采量為5 000 t/d.武山銅礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)由北礦帶兩翼對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)和南礦帶側(cè)翼對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成，南北大巷連接南北兩個(gè)礦帶.開(kāi)采初期設(shè)計(jì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)范圍為-360 m水平，此通風(fēng)系統(tǒng)完全可以滿足礦山的生產(chǎn)需求.

隨著多年的開(kāi)采，現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了10多年，并且設(shè)計(jì)服務(wù)范圍為-360 m中段，而現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)延伸至-460 m水平，南北礦帶產(chǎn)量分配也發(fā)生變化，由北多南少變?yōu)楸鄙倌隙?，南北礦帶需風(fēng)量需要調(diào)節(jié).現(xiàn)有5個(gè)中段同時(shí)作業(yè)，并且每個(gè)中段有3個(gè)或4個(gè)分層，多中段多分層作業(yè)給風(fēng)量分配帶來(lái)嚴(yán)峻的考驗(yàn).為保證正常安全生產(chǎn)，避免礦山出現(xiàn)事故致企業(yè)進(jìn)行整改或停產(chǎn)，故請(qǐng)專業(yè)技術(shù)人員對(duì)當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià)并及時(shí)進(jìn)行改正，礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及測(cè)定結(jié)果表明，南北礦帶風(fēng)流干擾嚴(yán)重，生產(chǎn)過(guò)程中難以有效控制南北運(yùn)輸巷的風(fēng)流方向和大小；需風(fēng)點(diǎn)多且分散，井下需風(fēng)點(diǎn)多達(dá)78個(gè)，南礦帶的作業(yè)點(diǎn)分散，給風(fēng)流調(diào)控帶來(lái)了困難；風(fēng)機(jī)單級(jí)運(yùn)行效率低，3臺(tái)風(fēng)機(jī)效率平均值為29.9%；風(fēng)速（量）合格率ηq=65%和風(fēng)質(zhì)合格率ηz=51.3%；新鮮風(fēng)流進(jìn)入生產(chǎn)中段偏少，有69.3%的新鮮風(fēng)流沒(méi)有進(jìn)入需風(fēng)點(diǎn)就回到了總回風(fēng)巷由風(fēng)機(jī)排出地表.原有通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在生產(chǎn)需求，故需要解決風(fēng)量分配問(wèn)題，針對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造.

2 改進(jìn)方案

2.1 Ventsim軟件簡(jiǎn)介

Ventsim三維通風(fēng)仿真軟件是當(dāng)下礦井通風(fēng)系統(tǒng)工程應(yīng)用較為先進(jìn)的軟件之一，它的優(yōu)點(diǎn)如下:

1）對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)建模，實(shí)現(xiàn)三維通風(fēng)仿真.

2）仿真模型可實(shí)現(xiàn)進(jìn)行巷道漫游.

3）實(shí)現(xiàn)新開(kāi)采礦山通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、風(fēng)網(wǎng)解算和風(fēng)流模擬.

4）大型礦山通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的變化模擬，優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò).

5）在優(yōu)化基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能分析，確定風(fēng)機(jī)選型.

6）對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)中自然風(fēng)壓進(jìn)行影響分析.

7）可實(shí)現(xiàn)對(duì)深井通風(fēng)系統(tǒng)空氣可壓縮性分析.

8）可直接導(dǎo)入AutoCAD DXF文件生成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖.

2.2 Ventsim通風(fēng)仿真系統(tǒng)建模

首先將武山銅礦通風(fēng)系統(tǒng)的CAD圖繪制為單線圖 (DXF格式)，然后將CAD單線圖導(dǎo)入 Ventsim三維仿真軟件中，通過(guò)兼容，然后在編輯框里選擇實(shí)體巷道，此時(shí)Ventsim軟件就會(huì)將單線圖轉(zhuǎn)換為立體圖，三維通風(fēng)系統(tǒng)模型詳見(jiàn)圖1所示.

2.3 模型與數(shù)據(jù)分析

采區(qū)初期生產(chǎn)掘進(jìn)期間，需風(fēng)點(diǎn)少、風(fēng)量小、通風(fēng)線路短、主扇工況點(diǎn)低，當(dāng)前礦井通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，處在礦井通風(fēng)容易時(shí)期；當(dāng)作業(yè)生產(chǎn)形成工作面之后，到了掘進(jìn)中后期多水平工作面同時(shí)生產(chǎn)作業(yè)，系統(tǒng)復(fù)雜，通風(fēng)阻力最大，線路最長(zhǎng)，需風(fēng)量和主扇負(fù)壓達(dá)到了最大時(shí)期，礦井通風(fēng)系統(tǒng)處于困難時(shí)期.依照金屬非金屬礦山安全規(guī)程要求和礦山實(shí)際需風(fēng)點(diǎn)計(jì)算出全礦總風(fēng)量為264 m3/s.Ventsim三維通風(fēng)仿真軟件建立了武山銅礦通風(fēng)仿真模型，分別模擬了通風(fēng)容易時(shí)期和困難時(shí)期 （到達(dá)-460 m中段）通風(fēng)量分別為291.9 m3/s和268.2 m3/s，表明現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)能夠服務(wù)到-460 m中段.容易時(shí)期和困難時(shí)期主要進(jìn)風(fēng)井巷和回風(fēng)井巷的風(fēng)量情況分別見(jiàn)表1，表3，容易和困難時(shí)期主扇運(yùn)行參數(shù)分別見(jiàn)表2，表4.

圖1 三維通風(fēng)系統(tǒng)模型Fig.1 Three-dimensional ventilation system model

表1 容易時(shí)期回風(fēng)井風(fēng)量分配Table 1 Air volume distribution of return air shaft in easy period

表2 容易時(shí)期主扇運(yùn)行參數(shù)Table 2 Easy time main fan operation parameter

表3 困難時(shí)期回風(fēng)井風(fēng)量分配Table 3 Air distribution of return air shaft in difficult period

表4 困難時(shí)期主扇運(yùn)行參數(shù)Table 4 Operating parameters of main fan in difficult period

改造后，再次對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)DK-Ⅱ-8-№23實(shí)際風(fēng)量為85.81 m3/s，DK-Ⅱ-8-№24風(fēng)量為115.45 m3/s,DK-Ⅱ-8-№25風(fēng)量為97.68 m3/s,主扇DK-Ⅱ-8-№23、DK-Ⅱ-8-№24、DK-Ⅱ-8-№25 在容易時(shí)期的風(fēng)量相對(duì)誤差分別為17.7%，4%，3.6%，在困難時(shí)期的風(fēng)量相對(duì)誤差為24.3%，1%，8.7%，主扇DK-Ⅱ-8-№23在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)誘發(fā)礦井回風(fēng)的不可控因素眾多，工作量大，導(dǎo)致實(shí)際偏差相對(duì)過(guò)大，主扇DK-Ⅱ-8-№24和 DK-Ⅱ-8-№25精度誤差小，但結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件及各量化指標(biāo)綜合分析，模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)精度僅存在細(xì)小誤差，總體細(xì)小不顯著，模擬效果好，據(jù)此確定了模型模擬的可行性.

2.4 礦井風(fēng)流調(diào)控方案

2.4.1 基本情況介紹

根據(jù)2個(gè)礦帶產(chǎn)量分布北少南多的特點(diǎn)，北礦帶需風(fēng)點(diǎn)28個(gè)，南礦帶需風(fēng)點(diǎn)41個(gè)，根據(jù)計(jì)算得出北礦帶總風(fēng)量為100 m3/s，南礦帶總風(fēng)量為164 m3/s.北礦帶為兩翼對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，南礦帶為側(cè)翼對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，其進(jìn)回井和主扇配置見(jiàn)表5～表7.

表5 南北礦帶進(jìn)風(fēng)井Table 5 North and south ore belt ventilation shaft

表6 南北礦帶回風(fēng)井Table 6 North and south ore belt return air shaft

表7 南北礦帶主扇配置Table 7 Configurations,main fan of the northsouth ore belt

2.4.2 南北礦帶風(fēng)量調(diào)節(jié)方案

風(fēng)量分配包括進(jìn)、回風(fēng)網(wǎng)和用風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)量分配,進(jìn)風(fēng)網(wǎng)和回風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)量分配相對(duì)簡(jiǎn)單，進(jìn)風(fēng)按自然分風(fēng)，回風(fēng)都為專用回風(fēng)井[17].用風(fēng)網(wǎng)主要按2個(gè)回采中段和2個(gè)開(kāi)拓中段來(lái)考慮，并且每個(gè)中段分為5個(gè)分層，斜坡道又將每個(gè)分層分成2部分，故用風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)量分配較復(fù)雜.一般風(fēng)量分配主要有按需強(qiáng)制分風(fēng)和自然分風(fēng).按需強(qiáng)制分風(fēng)，風(fēng)量分配均勻，能夠最大限度地滿足生產(chǎn)對(duì)風(fēng)量的需求，有效風(fēng)量率高，但需要輔扇太多，且設(shè)備費(fèi)用較高，管理不方便.自然分風(fēng)，改善了井下的工作環(huán)境，確保井下安全生產(chǎn)，大大減少了通風(fēng)資金投入、有效降低成本.在能夠滿足生產(chǎn)需要的情況下應(yīng)盡量多考慮采用自然分風(fēng).

利用上部生產(chǎn)結(jié)束的南北大巷作為南北礦帶風(fēng)量調(diào)節(jié)的通道，見(jiàn)圖2，調(diào)節(jié)風(fēng)量為44.5 m3/s，利用輔扇調(diào)節(jié)，型號(hào)為K-6-№17，功率75 kW.通風(fēng)容易時(shí)期輔扇安裝在-260 m中段，通風(fēng)困難時(shí)期將輔扇安裝在-360 m中段.根據(jù)南北礦帶產(chǎn)量分布北少南多的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)北礦帶需風(fēng)點(diǎn)28個(gè)及南礦帶需風(fēng)點(diǎn)41個(gè)進(jìn)行測(cè)定，算出全礦需風(fēng)量為73.76 m3/s+121.76 m3/s=195.52 m3/s，該礦采用充填采礦法，風(fēng)量備用系數(shù)取 1.35，全礦風(fēng)量為 1.35×195.52 m3/s=263.952 m3/s，取 264 m3/s,其中北礦帶為 100 m3/s，南礦帶為164 m3/s.利用Ventsim輸入各影響因素所得數(shù)據(jù)模擬測(cè)得北礦帶調(diào)節(jié)后風(fēng)量為127.3 m3/s，南礦帶調(diào)節(jié)后風(fēng)量為164.6 m3/s，滿足測(cè)定算值及調(diào)節(jié)方案.南北礦帶調(diào)節(jié)輔扇基本情況見(jiàn)圖3，南北礦帶風(fēng)量調(diào)節(jié)前后見(jiàn)表8.

圖2 南北礦帶風(fēng)量調(diào)節(jié)方案Fig.2 Air flow regulation scheme in north and south ore belt

圖3 南北礦帶調(diào)節(jié)輔扇Fig.3 Regulating auxiliary fan in north and south ore belt

表8 南北礦帶調(diào)節(jié)風(fēng)量Table 8 Regulated air flow in north-south ore belt

2.4.3 中段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

南礦帶采用上向分層充填采礦法在下盤都設(shè)有1個(gè)充填通風(fēng)溜礦井，該井與分層聯(lián)絡(luò)道貫通，上部與作為回風(fēng)道的分段巷道貫通，壓入式局扇裝在分段鏟運(yùn)道上，污風(fēng)經(jīng)分層聯(lián)絡(luò)道充填通風(fēng)溜礦井排入上部回風(fēng)道.北礦帶采場(chǎng)原采用中段專用回風(fēng)道與采場(chǎng)溜井直接相通，利用溜礦井進(jìn)行回風(fēng)，壓入式局扇安裝在分層聯(lián)絡(luò)道口，新鮮風(fēng)從分段巷道被壓入進(jìn)工作面清洗工作面，污風(fēng)從溜礦井回到上一中段回風(fēng)道.分段獨(dú)頭巷道空氣不流通，粉塵、炮煙、有毒有害氣體、污風(fēng)不能及時(shí)排出，為了保證通風(fēng)及回風(fēng)，在端部形成專用回風(fēng)天井，斷面積為4 m2，長(zhǎng)度為10 m或12.5 m，工程量不大，施工難度小，甚至可以利用端部采場(chǎng)溜井，將其頂部與上中段連通，便可形成中段分段巷道回風(fēng)線路.中段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的基本情況見(jiàn)圖4，改造后中段回風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的基本情況見(jiàn)圖5、圖6.從模擬的結(jié)果來(lái)看，回風(fēng)效果得到了顯著提高.

圖4 原有北帶中段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Existing mid-north belt ventilation network

圖5 北帶中段網(wǎng)絡(luò)改造示意Fig.5 Network reconstruction map of the middle section of the north belt

圖6 北帶中段網(wǎng)絡(luò)改造示意Fig.6 Network reconstruction map of the middle section of the north belt

3 改造實(shí)施效果

礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造方案擬定以后，武山銅礦馬上針對(duì)方案進(jìn)行了落實(shí)，經(jīng)過(guò)一年的施工，改造方案基本完成.對(duì)礦井進(jìn)行了風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓和功率等相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)定.經(jīng)過(guò)分析，軟件仿真的模擬數(shù)據(jù)與測(cè)定數(shù)據(jù)大致相同，誤差較小，考慮到礦井內(nèi)通風(fēng)情況十分復(fù)雜以及測(cè)量時(shí)不可避免的人為誤差的因素，可以認(rèn)為仿真結(jié)果真實(shí)可靠，利用Ventsim軟件優(yōu)化改造后具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表9.

通風(fēng)系統(tǒng)改造后，通過(guò)實(shí)測(cè)，通風(fēng)鑒定主要指標(biāo)明顯提高，基本滿足 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB16423-2006）和《金屬非金屬礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范通風(fēng)系統(tǒng)鑒定指標(biāo)》等規(guī)程[18-20]要求，見(jiàn)表9.

表9 通風(fēng)系統(tǒng)改造前后鑒定指標(biāo)對(duì)比Table 9 Comparison of appraisal indexes before and after ventilation system reconstruction

原通風(fēng)系統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)定數(shù)據(jù)中，3臺(tái)風(fēng)機(jī)裝置效率平均值為29.9%.由表5可知，通過(guò)Ventsim軟件三維仿真模擬，由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)誘發(fā)礦井回風(fēng)的不可控因素眾多，工作量大，只能利用工程類比法憑借經(jīng)驗(yàn)去設(shè)定，將各主要因素導(dǎo)入Ventsim軟件中，各個(gè)參數(shù)的合理性選取憑借經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定，最終進(jìn)行中段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案，模擬測(cè)定DK-Ⅱ-8-№25、DK-Ⅱ-8-№23、DK-Ⅱ-8-№24，3臺(tái)風(fēng)機(jī)在容易時(shí)期和困難時(shí)期效率平均值70.3%，63.5%.對(duì)比分析表5和表9，取模擬測(cè)定風(fēng)機(jī)裝置效率均值66.9%與改造后通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定數(shù)據(jù)65.3%相比較，利用Ventsim軟件得到的模擬效果與實(shí)測(cè)結(jié)果雖然存在細(xì)小誤差，但總體上細(xì)小差異不顯著，回風(fēng)效果明顯提高，優(yōu)化了中段回風(fēng)網(wǎng)絡(luò).

4 結(jié) 論

1）優(yōu)化后的風(fēng)量供需比達(dá)到1.5，滿足了礦山的生產(chǎn)需求.同時(shí)主扇裝置效率由29.9%提高到70.3%，得到明顯提升，提高了礦井通風(fēng)的技術(shù)質(zhì)量.

2）利用南北大巷并結(jié)合輔扇調(diào)節(jié)南北礦帶風(fēng)量，有效解決了生產(chǎn)過(guò)程中難以控制南北運(yùn)輸巷的風(fēng)流方向和大小的問(wèn)題，使通風(fēng)效果得到明顯提升.

3）Ventsim三維仿真系統(tǒng)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造具有重要的指導(dǎo)意義，在方案實(shí)施之前應(yīng)用三維仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬，可以發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，能夠避免盲目施工帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失.