基于Ventsim的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用

聶軍 陳新

摘要：隨著淺部資源開采殆盡，高峰礦業(yè)公司已由淺部轉(zhuǎn)入深部開采。以高峰礦業(yè)公司通風(fēng)系統(tǒng)為研究背景，在實(shí)地調(diào)研和全面勘測(cè)其通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地提出了“三進(jìn)兩回”通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，并基于Ventsim仿真模擬軟件對(duì)通風(fēng)優(yōu)化方案進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：“三進(jìn)兩回”通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案能達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，礦井進(jìn)風(fēng)量明顯提高，回風(fēng)量由59 m3/s增大到79 m3/s，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率達(dá)79.2 %，優(yōu)化效果較好，可作為高峰礦業(yè)公司通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)方案。

關(guān)鍵詞：深井開采;Ventsim軟件;仿真模擬;通風(fēng)系統(tǒng);通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TD724文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-1277（2021）05-0029-06?? doi：10.11792/hj20210506

引 言

礦井通風(fēng)優(yōu)化研究是通風(fēng)管理工作和礦井設(shè)計(jì)過(guò)程中的一項(xiàng)重要任務(wù)和內(nèi)容，建立一個(gè)滿足生產(chǎn)要求的合理通風(fēng)系統(tǒng)，是井下生產(chǎn)安全、提高經(jīng)濟(jì)效益的有效保障。礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化要能夠達(dá)到改善井下作業(yè)環(huán)境，提高通風(fēng)系統(tǒng)的有效性，節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的目的[1-2]。

廣西華錫集團(tuán)高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司（下稱“高峰礦業(yè)公司”）自1990年開始主要開采-79 m標(biāo)高以上的100號(hào)礦體、1號(hào)礦體和100-1、100-2等礦體，其中100號(hào)礦體為主采礦體。經(jīng)過(guò)多年生產(chǎn)和建設(shè)，現(xiàn)已形成斜井-豎井聯(lián)合開拓方式，采用機(jī)械化上向水平分層充填采礦法開采，采、選生產(chǎn)能力已達(dá)1 000 t/d。

由于淺部資源已經(jīng)枯竭，目前高峰礦業(yè)公司開始轉(zhuǎn)入深部開采，開采深度達(dá)723.5 m，主采礦體為105號(hào)礦體。根據(jù)105號(hào)礦體現(xiàn)狀調(diào)查的各民窿井巷分布情況，結(jié)合現(xiàn)有開拓系統(tǒng)，綜合分析現(xiàn)有民采井巷與100號(hào)礦體開采系統(tǒng)的關(guān)系，以盡量利用已有工程為原則，將可利用工程與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，減少105號(hào)礦體開發(fā)的基建工程量，加快開發(fā)進(jìn)程。同時(shí)，為充分利用礦山已實(shí)施的詳查工程，向下延伸開拓105號(hào)礦體，新形成的開拓系統(tǒng)與上部現(xiàn)有的100號(hào)礦體開采系統(tǒng)進(jìn)行合理銜接，共同完成105號(hào)礦體開采的接力提升任務(wù)。目前礦區(qū)生產(chǎn)提升由主提升系統(tǒng)、副提升系統(tǒng)聯(lián)合完成，提升能力尚有富余。

高峰礦業(yè)公司作為一個(gè)歷史悠久的礦山企業(yè)，井下通風(fēng)系統(tǒng)十分雜亂，而且由于民采盜采猖獗，造成系統(tǒng)漏風(fēng)、短路，成為井下安全生產(chǎn)的瓶頸問題。由于通風(fēng)效果差，井下眾多主要巷道溫度超過(guò)了30 ℃，部分巷道溫度甚至達(dá)到33 ℃以上，工人長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下作業(yè)，對(duì)身心健康和高效生產(chǎn)都有極大的影響。因此，有必要對(duì)高峰礦業(yè)公司的井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析和優(yōu)化，采用成熟的理論分析和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)通風(fēng)軟件模擬等手段，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，科學(xué)合理地布局全新的、安全穩(wěn)定的井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。

1 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化原則

1）從礦山具體條件出發(fā)，根據(jù)礦井開拓方式、采礦方法、礦井生產(chǎn)能力和礦區(qū)地形地貌等因素，確定合理的通風(fēng)系統(tǒng)。

2）減少礦井內(nèi)部漏風(fēng)、提高有效風(fēng)量率、形成完整的中段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和采場(chǎng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是建立完善的礦井通風(fēng)系統(tǒng)的重要措施。

3）在保證正常、良好通風(fēng)效果的前提下，盡量降低通風(fēng)費(fèi)用。通風(fēng)系統(tǒng)以不開拓通達(dá)地表的新進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井為宜，盡量利用現(xiàn)有的通風(fēng)井巷，以減少專用通風(fēng)井巷的工程量和工程費(fèi)用。

4）由于主井運(yùn)輸、行人頻繁，進(jìn)風(fēng)很難控制，進(jìn)風(fēng)路線較長(zhǎng)，造成風(fēng)流到達(dá)深部時(shí)溫度已經(jīng)變高，風(fēng)流質(zhì)量受到一定污染。因此，設(shè)計(jì)將主井進(jìn)風(fēng)作為輔助進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)，深部中段依靠專用進(jìn)風(fēng)斜井進(jìn)風(fēng)，以滿足深部生產(chǎn)通風(fēng)降溫需求。

5）實(shí)行機(jī)械通風(fēng)，遇礦井火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)，設(shè)計(jì)使用新一代高效節(jié)能通風(fēng)機(jī)械設(shè)備。

6）根據(jù)礦山氣候條件變化和自然通風(fēng)規(guī)律，充分利用自然通風(fēng)的有效作用，控制自然通風(fēng)的有害影響。

7）礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，管理方便。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

根據(jù)高峰礦業(yè)公司通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際工程條件，確定其通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案為“三進(jìn)兩回”，即豎井+主斜井、田角鋅窿、下拉甲窿為進(jìn)風(fēng)井，其中下拉甲窿設(shè)計(jì)為深部專用主進(jìn)風(fēng)井;黃瓜洞回風(fēng)斜井、恒源窿為回風(fēng)井，各用風(fēng)中段回風(fēng)巷末端安裝風(fēng)機(jī)作為一級(jí)機(jī)站回風(fēng)。原100號(hào)回風(fēng)系統(tǒng)50 m、250 m和450 m風(fēng)機(jī)站分別作為二級(jí)機(jī)站、三級(jí)機(jī)站和四級(jí)機(jī)站回風(fēng)。恒源窿回風(fēng)斜井為深部回風(fēng)井，118 m回風(fēng)中段安裝主扇進(jìn)行抽出式回風(fēng)?；仫L(fēng)方面可大致分為2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的回風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案風(fēng)路如圖1所示。

系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)路線：①新鮮風(fēng)流→豎井+主斜井→盲斜井+主斜坡道→3#、4#和11#盲斜井→5#、6#、7#盲斜井→中段平巷→工作面。②新鮮風(fēng)流→田角鋅窿→-60 m中段→5#、6#、7#盲斜井→中段平巷→工作面。③新鮮風(fēng)流→516 m平窿→盲斜井→191 m水平盲斜井→-21 m中段→-50 m 1#盲斜井、-22～-166 m盲斜井、-103 m 1#盲斜井和-166～-200 m盲斜井→中段平巷→工作面。

系統(tǒng)回風(fēng)路線：①污風(fēng)→回風(fēng)斜井→-103 m主回風(fēng)巷→-100～205 m回風(fēng)斜井（原龍山窿斜井）→回風(fēng)天井→回風(fēng)斜井（250～450 m）→450 m回風(fēng)平巷→黃瓜洞回風(fēng)斜井→地表。②污風(fēng)→南、北回風(fēng)立井→-100 m北回風(fēng)巷→-110～118 m回風(fēng)斜井→118 m回風(fēng)機(jī)站→2#、3#回風(fēng)斜井→恒源窿回風(fēng)巷→地表。

3 Ventsim仿真模擬及分析

從20世紀(jì)中葉開始國(guó)內(nèi)外眾多科研工作者對(duì)于數(shù)字化礦井通風(fēng)管理軟件進(jìn)行了深入、持續(xù)研究，并取得了豐碩的科研成果。目前，應(yīng)用較為流行的是澳大利亞Chasm公司開發(fā)的三維可視化礦井通風(fēng)模擬軟件Ventsim。該軟件以其方便的建模，合理的風(fēng)路模擬、風(fēng)機(jī)選型，以及功能多樣的火災(zāi)等災(zāi)變模擬而得到廣泛應(yīng)用。Ventsim仿真模擬軟件依據(jù)風(fēng)量平衡定律等原理，采用Hardy-Cross迭代算法求解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)變化復(fù)雜的礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，建立通風(fēng)系統(tǒng)模型[3]。

3.1 生產(chǎn)前期

封閉原華星窿回風(fēng)斜井及與其相關(guān)的118 m風(fēng)機(jī)站回風(fēng)巷，防止發(fā)生污風(fēng)循環(huán)。對(duì)-103 m北到118 m風(fēng)機(jī)站回風(fēng)斜井刷大斷面到11 m2，加大回風(fēng)能力。其他回風(fēng)系統(tǒng)不做調(diào)整。進(jìn)風(fēng)方面刷大下拉甲窿窿口及相關(guān)斜井?dāng)嗝娴?1 m2，增大深部進(jìn)風(fēng)量。對(duì)模擬中出現(xiàn)的循環(huán)風(fēng)流，通過(guò)密閉等方法解決，最終模擬達(dá)到預(yù)期效果，具體結(jié)果如表1所示。

礦井風(fēng)阻特性曲線如圖2所示，模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況如表2所示。

分析優(yōu)化結(jié)果可知：礦井總進(jìn)風(fēng)量為157.3 m3/s，相比原通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量118.5 m3/s有較大增加，并且接近礦井總需風(fēng)量165.1 m3/s，同時(shí)下拉甲窿進(jìn)風(fēng)量達(dá)到70.7 m3/s，田角鋅窿進(jìn)風(fēng)量達(dá)到19.8 m3/s，深部總進(jìn)風(fēng)量達(dá)到90.5 m3/s，相比原通風(fēng)系統(tǒng)深部進(jìn)風(fēng)量57.4 m3/s增大33.1 m3/s，深部總進(jìn)風(fēng)量增大較

多，能有效解決深部供風(fēng)不足問題。風(fēng)機(jī)數(shù)量減少，裝機(jī)總功率由原來(lái)的2 020 kW下降到1 410 kW，方便了風(fēng)機(jī)管理，節(jié)約了通風(fēng)電費(fèi)。礦井總風(fēng)阻為0.063 53 N·s2/m8，小于0.353 N·s2/m8。礦井總等積孔為4.72 m2，大于2 m2，礦井為通風(fēng)容易礦井。

3.2 生產(chǎn)后期

在生產(chǎn)前期的基礎(chǔ)上對(duì)模型做出調(diào)整，增加創(chuàng)建-250 m～-400 m中段模型，延伸7#盲斜井至-400 m中段，增加-200 m～-400 m中段8#盲斜井為人行運(yùn)輸斜井。在-103 m～-200 m中段南北走向巷道兩端設(shè)置風(fēng)門或風(fēng)墻，在中段進(jìn)風(fēng)口設(shè)置風(fēng)門限制風(fēng)流流量，以保證風(fēng)流向深部輸送。污風(fēng)由南北回風(fēng)天井匯入上部回風(fēng)中段，分別經(jīng)黃瓜洞回風(fēng)斜井及恒源窿回風(fēng)斜井排出地表。對(duì)模擬中出現(xiàn)的循環(huán)風(fēng)流，通過(guò)密閉等方法解決，最終模擬達(dá)到預(yù)期效果，具體結(jié)果如表3所示。

礦井風(fēng)阻特性曲線如圖3所示，模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況如表4所示。

分析優(yōu)化結(jié)果可知：礦井總進(jìn)風(fēng)量為160.7 m3/s，相比原通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量118.5 m3/s有較大增加，并且接近礦井總需風(fēng)量165.1 m3/s，同時(shí)下拉甲窿進(jìn)風(fēng)量達(dá)到64.3 m3/s，田角鋅窿進(jìn)風(fēng)量達(dá)到26.4 m3/s，深部總進(jìn)風(fēng)量達(dá)到90.7 m3/s，相比原通風(fēng)系統(tǒng)深部進(jìn)風(fēng)量57.4 m3/s增大33.3 m3/s，深部總進(jìn)風(fēng)量增大較多，能有效解決深部供風(fēng)不足問題。風(fēng)機(jī)數(shù)量減少，裝機(jī)總功率由原來(lái)的2 020 kW下降到1 590 kW，方便了風(fēng)機(jī)管理，節(jié)約了通風(fēng)電費(fèi)。礦井總風(fēng)阻為0.081 40 N·s2/m8，小于0.353 N·s2/m8。礦井總等積孔為4.17 m2，大于2 m2，礦井為通風(fēng)容易礦井。

4 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用效果

基于Ventsim三維仿真模擬，通過(guò)對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整，在風(fēng)流路線、通風(fēng)構(gòu)筑物、巷道風(fēng)阻和風(fēng)機(jī)等方面對(duì)高峰礦業(yè)公司通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，礦井進(jìn)風(fēng)量得到顯著提高，在滿足淺部100號(hào)礦體用風(fēng)需求的前提下，深部進(jìn)風(fēng)量增加，有效改善了深部作業(yè)面工作環(huán)境。

4.1 100號(hào)礦體

100號(hào)礦體通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)改造優(yōu)化旨在滿足各中段用風(fēng)需求的條件下將新鮮風(fēng)流向深部輸送，盡量減少風(fēng)流流經(jīng)提升斜井，引導(dǎo)風(fēng)流通過(guò)斜坡道、人行主巷和人行運(yùn)輸斜井。本文僅以400 m中段為例展示優(yōu)化應(yīng)用效果。400 m中段原通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，優(yōu)化后通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

由圖4、圖5對(duì)比可知：經(jīng)過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，400 m中段總進(jìn)風(fēng)量由31.0 m3/s降為17.0 m3/s。將豎井馬頭門柵格門換為鋼制風(fēng)門后，豎井進(jìn)風(fēng)由8.2 m3/s降為2.2 m3/s;2#盲斜井聯(lián)道新增鋼制風(fēng)門后，1#和2#盲斜井總出風(fēng)量由22.6 m3/s降為4.4 m3/s，斜坡道出風(fēng)量由8.4 m3/s增加到12.5 m3/s。以上措施有效減少了400 m中段進(jìn)風(fēng)量，有利于富余風(fēng)流向深部輸送，2#盲斜井進(jìn)風(fēng)量驟減，有效防止了風(fēng)流被污染，斜坡道進(jìn)風(fēng)量得到增加。水泵房附近由于風(fēng)機(jī)的錯(cuò)誤安置，致使出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)現(xiàn)象，通過(guò)將風(fēng)機(jī)反向，循環(huán)風(fēng)消失。

4.2 主通風(fēng)機(jī)

通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化中恒源窿回風(fēng)斜井為深部回風(fēng)井，118 m回風(fēng)中段安裝主扇進(jìn)行抽出式回風(fēng)?；仫L(fēng)方面可大致分為2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的回風(fēng)系統(tǒng)，原100號(hào)回風(fēng)系統(tǒng)不做大的改動(dòng)，將118 m風(fēng)機(jī)站多回風(fēng)井、多風(fēng)機(jī)并聯(lián)重新設(shè)計(jì)為少回風(fēng)井、主扇抽出式回風(fēng)。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化前后118 m風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)布置情況如圖6所示。

由圖6可知：118 m風(fēng)機(jī)站原回風(fēng)部共連接4條回風(fēng)斜井，分別為連接恒源窿口的2#和3#回風(fēng)斜井，連接華星窿口的1#和4#回風(fēng)井。每條回風(fēng)井分別安裝SD-No14（2×110 kW）型風(fēng)機(jī)，由于4#風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處于關(guān)閉狀態(tài)，造成污風(fēng)循環(huán)，存在安全隱患。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案采用主扇抽出式回風(fēng)方式，為了減少多條民窿斜井漏風(fēng)和難以管理的問題，決定優(yōu)化回風(fēng)路徑，對(duì)華星窿回風(fēng)斜井進(jìn)行密閉，采用恒源窿作為回風(fēng)井;安裝DK45-6-No20（2×250 kW）型高風(fēng)壓風(fēng)機(jī)代替原布置風(fēng)機(jī);-60～118 m風(fēng)機(jī)站1#回風(fēng)斜井原過(guò)風(fēng)斷面較小，造成風(fēng)阻偏大，設(shè)計(jì)將其斷面積由8.4 m2擴(kuò)大到11.3 m2，風(fēng)阻由0.135 27 N·s2/m8降為0.067 87 N·s2/m8?；仫L(fēng)量由原來(lái)的59 m3/s增大到79 m3/s，主扇全壓3 694.8 Pa，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率79.2 %，優(yōu)化效果較好。118 m風(fēng)機(jī)站主扇運(yùn)行情況如圖7所示。

5 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)高峰礦業(yè)公司通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面勘測(cè)，針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題提出“三進(jìn)兩回”通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案：豎井+主斜井、田角鋅窿、下拉甲窿為進(jìn)風(fēng)井，其中下拉甲窿設(shè)計(jì)為深部專用主進(jìn)風(fēng)井;黃瓜洞回風(fēng)斜井、恒源窿為回風(fēng)井，各用風(fēng)中段回風(fēng)巷末端安裝風(fēng)機(jī)作為一級(jí)機(jī)站回風(fēng)。100號(hào)礦體回風(fēng)系統(tǒng)50 m、250 m和450 m風(fēng)機(jī)站分別作為二級(jí)機(jī)站、三級(jí)機(jī)站和四級(jí)機(jī)站回風(fēng)。恒源窿回風(fēng)斜井為深部回風(fēng)井，118 m回風(fēng)中段安裝主扇進(jìn)行抽出式回風(fēng)。

2）基于Ventsim通風(fēng)系統(tǒng)仿真模擬軟件對(duì)高峰礦業(yè)公司通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明該優(yōu)化方案能達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，可作為高峰礦業(yè)公司通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)方案。

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Optimization and application of mine ventilation system based on Ventsim

Nie Jun1，Chen Xin2

（1.China Nonferrous Metal Construction Co.，Ltd.;2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：With the depletion of shallow resources，Gaofeng mining company has transferred from shallow to deep mining.Taking the ventilation system of Gaofeng mining company as the research background，on the basis of field survey and comprehensive investigation on its ventilation system，the "three-in-two-return" ventilation system optimization scheme is put forward.The ventilation optimization scheme is simulated and analyzed based on the Ventsim simulation software.The results show that the "three-in-two-return" ventilation system optimization scheme can meet the optimization design requirements，the intake air volume of the mine is obviously increased，the return air volume is increased from 59 m3/s to 79 m3/s，and the fan operation efficiency is up to 79.2 %.The optimization effect is good.The scheme can be used as the basic scheme for ventilation system optimization of Gaofeng mining company.

Keywords：deep mining;Ventsim software;analogue simulation;ventilation system;ventilation network

收稿日期：2020-10-10; 修回日期：2021-01-20

基金項(xiàng)目：“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0602902）;中南大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2016zzts096）

作者簡(jiǎn)介：聶 軍（1988—），男，重慶人，工程師，碩士，從事采礦工藝研究工作;北京市朝陽(yáng)區(qū)安定路10號(hào)中國(guó)有色大廈南樓1102，中國(guó)有色金屬建設(shè)股份有限公司，100029;E-mail：xfcycsu@126.com

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