基于Ventsim的某鉛鋅礦不同時期通風(fēng)阻力解算

摘要：井下通風(fēng)系統(tǒng)作為礦山八大系統(tǒng)之一，是安全生產(chǎn)的重中之重，而風(fēng)機(jī)選型則是決定通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行是否流暢的關(guān)鍵所在。針對甘肅某鉛鋅礦井下采空區(qū)較多，采場與開拓工程設(shè)置集中的生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)將原有的“兩翼進(jìn)風(fēng)、中央回風(fēng)”改為“中央進(jìn)風(fēng)、兩翼回風(fēng)”的中央對角式通風(fēng)系統(tǒng)。采用Ventsim仿真軟件建立礦山三維通風(fēng)模型，根據(jù)不同生產(chǎn)中段、生產(chǎn)采場求解不同時期的通風(fēng)阻力，從而為風(fēng)機(jī)選型提供重要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：中央對角式通風(fēng);Ventsim仿真軟件;阻力解算;三維通風(fēng)模型;風(fēng)機(jī)選型

中圖分類號：TD72????????? 文章編號：1001-1277（2022）06-0040-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20220609

引 言

礦井通風(fēng)是礦山生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)，負(fù)責(zé)輸送新鮮風(fēng)流、排出污風(fēng)等任務(wù)，其運(yùn)行狀態(tài)將直接影響礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益[1]。另一方面，風(fēng)機(jī)是通風(fēng)系統(tǒng)的靈魂中樞，直接決定了通風(fēng)的效果是否能達(dá)到或者滿足設(shè)計(jì)需求。因此，如何通過現(xiàn)有礦山資料，計(jì)算不同時期的通風(fēng)阻力，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型是眾多礦山的生產(chǎn)剛需。目前，有研究者發(fā)現(xiàn)通過Ventsim仿真軟件，可以對礦井巷道風(fēng)流的風(fēng)量、風(fēng)速及阻力進(jìn)行模擬，以達(dá)到通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)[2]。其中，聶軍等[3]提出了“三進(jìn)兩回”通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，并基于Ventsim對通風(fēng)優(yōu)化方案進(jìn)行模擬分析，對其優(yōu)化效果進(jìn)行了論證。石乃敏[4]針對某地下礦井深部風(fēng)量小、能耗高、氣溫高等通風(fēng)問題，對通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測量，并建立了該礦山的Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)，對通風(fēng)現(xiàn)狀進(jìn)行了模擬，使這些問題得到有效改善，從而達(dá)到安全生產(chǎn)的要求。本文在甘肅某鉛鋅礦通風(fēng)方式優(yōu)化的基礎(chǔ)上，利用Ventsim仿真軟件對其不同時期的通風(fēng)阻力進(jìn)行驗(yàn)算，從而進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型等，為礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

1.1 原通風(fēng)系統(tǒng)

甘肅某鉛鋅礦地處隴南，由多個老礦山重組而成，由于歷史遺留問題且多年采用空場采礦法開采，致使現(xiàn)有采空區(qū)體積已超280萬m3。而井下采空區(qū)分布雜亂無章，不僅極易造成采空區(qū)冒頂、坍塌等安全事故，且給通風(fēng)系統(tǒng)的貫通帶來巨大挑戰(zhàn)。目前，該鉛鋅礦生產(chǎn)采場主要集中在860 m、890 m、960 m、1 000 m、1 090 m、1 120 m這6個中段，生產(chǎn)能力約100萬t/a。

原通風(fēng)系統(tǒng)主要采用兩翼多路入風(fēng)、中央回風(fēng)的機(jī)械抽出式通風(fēng)方式（見圖1）。主要進(jìn)風(fēng)點(diǎn)為天洛1 150 m平硐之5A斜井和9勘探線斜井、洛壩1 180 m平硐之盲豎井和16#斜井、洛壩3#坑、3#主斜井及沙壩3#斜井，設(shè)計(jì)總進(jìn)風(fēng)量為168 m3/s。污風(fēng)依次通過9#斜井、1 120 m回風(fēng)平巷、回風(fēng)天井、1 162 m回風(fēng)平巷、設(shè)計(jì)1 230 m回風(fēng)斜井到達(dá)地表。采用兩級機(jī)站通風(fēng)，一級機(jī)站設(shè)置在1 230 m總回風(fēng)斜井坑口處，二級機(jī)站采用按需分風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置在1 090 m、1 060 m、1 030 m中段入風(fēng)口處。一級機(jī)站設(shè)置2臺K45-6-NO19型風(fēng)機(jī)并聯(lián)，風(fēng)機(jī)所配電動機(jī)型號為Y355M3-6，功率200 kW;二級機(jī)站在相應(yīng)中段入風(fēng)口各設(shè)置1臺K40-6-NO16型風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)所配電動機(jī)型號為Y280M-6，功率55 kW。但是，經(jīng)過礦井實(shí)際調(diào)查觀測與分析，該鉛鋅礦通風(fēng)系統(tǒng)存在以下問題：

1）參考國內(nèi)同類型礦山生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，100萬t/a的生產(chǎn)規(guī)?？傆蔑L(fēng)量應(yīng)為200 m3/s左右。礦山目前采場個數(shù)僅為30個，其中回采礦塊24個（淺孔留礦采礦法10個、淺孔房柱采礦法4個、中深孔房柱采礦法5個和垂直走向布置分段空場采礦法5個），備采礦塊6個（淺孔留礦采礦法2個、淺孔房柱采礦法2個、中深孔房柱采礦法1個和垂直走向布置分段空場采礦法1個），按照目前的生產(chǎn)規(guī)模，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到產(chǎn)能。以當(dāng)前生產(chǎn)工藝，為滿足100萬t/a產(chǎn)能要求，采場需要將近100個。因此，其風(fēng)量計(jì)算值（168 m3/s）偏小。

2）礦區(qū)面積大、走向長，主要的開拓工程和采場均集中在礦區(qū)中部，采用兩翼多路入風(fēng)、中央回風(fēng)的方式，污風(fēng)極易污染中部采場和巷道，進(jìn)而影響生產(chǎn)作業(yè)安全[5]。

3）礦山采空區(qū)規(guī)模龐大、數(shù)量眾多，漏風(fēng)和風(fēng)量短路現(xiàn)象突出，而回風(fēng)井距離主進(jìn)風(fēng)井（洛壩3#、1#平硐）較近，更易誘發(fā)風(fēng)流短路現(xiàn)象，容易造成兩翼采場風(fēng)量不足。

4）部分中段僅有一條斜井與上部中段貫通（如洛壩1 090 m中段、沙壩918 m中段），實(shí)際生產(chǎn)過程中此斜井既進(jìn)風(fēng)又回風(fēng)，通風(fēng)效果差。

5）兩翼進(jìn)風(fēng)、中央回風(fēng)的通風(fēng)方式一般用于兩翼走向較短的集中礦區(qū)，礦體走向長度超過2 000 m，采用此種通風(fēng)方式通風(fēng)效果較差。

1.2 優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)

針對礦山中部開拓工程與采場較為集中的特點(diǎn)，推薦采用洛壩3#、1#平硐進(jìn)風(fēng)，沙壩3#斜井、虎頭山斜井和天洛1 150 m平硐回風(fēng)的“中央進(jìn)風(fēng)、兩翼回風(fēng)”的中央對角式通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)方式為抽出式，見圖2。

由圖2可知，現(xiàn)有通風(fēng)各中段通風(fēng)線路（以1 090 m中段為例）為：

1）新鮮風(fēng)流由1 180 m平硐→盲副井→1 090 m中段→工作面→污風(fēng)→1#回風(fēng)天井、5A斜井→1 120 m水平→沙壩3#斜井、9A斜井、1 150 m平硐。

2）新鮮風(fēng)流由洛壩3#斜井→1 120 m水平→斜坡道→1 090 m中段→工作面→污風(fēng)→1#回風(fēng)天井、5A斜井→1 120 m水平→沙壩3#斜井、7A斜井、1 150 m平硐。

3）新鮮風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)斜井→1 120 m水平→18#斜井→1 090 m中段→工作面→污風(fēng)→1#回風(fēng)天井、5A斜井→1 120 m水平→沙壩3#斜井、7A斜井、1 150 m平硐。

2 Ventsim 仿真模擬及計(jì)算

2.1 三維通風(fēng)仿真模型建立

以該鉛鋅礦開拓系統(tǒng)及主巷的CAD實(shí)測圖、各個巷道的斷面圖及風(fēng)門設(shè)置資料等作為建模原始數(shù)據(jù)，采用Ventsim仿真軟件進(jìn)行建模（見圖3），步驟如下：

1）在CAD中描出主要進(jìn)、回風(fēng)通道的巷道中心線，并將其連接起來，然后根據(jù)所在水平賦予對應(yīng)的標(biāo)高。

2）將連接好的原始通風(fēng)系統(tǒng)圖層以dxf 格式導(dǎo)入Ventsim系統(tǒng)中，形成初步的三維通風(fēng)系統(tǒng)圖。

3）根據(jù)礦山提供的原始數(shù)據(jù)對每條巷道進(jìn)行參數(shù)輸入，包括各巷道的周長、斷面面積、風(fēng)阻系數(shù)等基本參數(shù)。

4）考慮作業(yè)面分風(fēng)需要，并為減少因負(fù)壓不平衡而產(chǎn)生風(fēng)量分配不合理的現(xiàn)象，擬在各主要需風(fēng)岔口和回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道中設(shè)置測風(fēng)站和活動式調(diào)節(jié)風(fēng)門，根據(jù)實(shí)測差值調(diào)節(jié)風(fēng)量。生產(chǎn)中，隨采掘面轉(zhuǎn)移應(yīng)及時密閉采空區(qū)通道和調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，以減少漏風(fēng)并適應(yīng)作業(yè)面轉(zhuǎn)移時的通風(fēng)需要。

5）在Ventsim仿真軟件中設(shè)置礦井總需風(fēng)量及各中段的按需分配風(fēng)量后，對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算，得出各巷道通風(fēng)阻力、通風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)阻等參數(shù)。

2.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算分析

一般而言，在礦井主扇的整個服務(wù)年限內(nèi)，礦井通風(fēng)總阻力隨著生產(chǎn)中段的下降（即開采深度的增加）而增大。為了使最終選定的礦井主扇在整個服務(wù)年限內(nèi)均能在合理的、較高的效率范圍內(nèi)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)，選擇主扇時必須以最大的礦井通風(fēng)總阻力和最小的礦井通風(fēng)總阻力作為依據(jù)。主扇服務(wù)年限內(nèi)，最大的礦井通風(fēng)總阻力稱為困難時期的通風(fēng)阻力，而最小的礦井通風(fēng)總阻力稱為容易時期的通風(fēng)阻力。進(jìn)行礦井通風(fēng)總阻力計(jì)算的具體做法是：分別計(jì)算每個中段的通風(fēng)線路總摩擦阻力，從而得到最大及最小中段總摩擦阻力。由此，通過Ventsim仿真軟件分別對每個中段的通風(fēng)阻力進(jìn)行解算，其中，860 m中段通風(fēng)解算結(jié)果見圖4。

以860 m中段的1 180 m平硐至沙壩3#斜井通風(fēng)路徑為例，得到該中段該路徑下的通風(fēng)阻力解算結(jié)果，見表1。

采用Ventsim仿真軟件分別對每個中段的通風(fēng)阻力進(jìn)行解算，結(jié)果如下：

1）860 m中段。1 180 m平硐至1 150 m平硐路

徑通風(fēng)的總摩擦阻力為2 120.24 Pa，1 180 m平硐至沙壩3#斜井路徑通風(fēng)的總摩擦阻力為1 983.60 Pa。

2）890 m中段。1 180 m平硐至1 150 m平硐路徑通風(fēng)的總摩擦阻力為2 010.40 Pa，1 180 m平硐至沙壩3#斜井路徑通風(fēng)的總摩擦阻力為1 979.90 Pa。

3）960 m中段。1 180 m平硐至1 150 m平硐路徑通風(fēng)的總摩擦阻力為1 324.55 Pa，1 180 m平硐至沙壩3#斜井路徑通風(fēng)的總摩擦阻力為1 582.30 Pa。

4）1 000 m中段。主斜坡道至1 150 m平硐路徑通風(fēng)的總摩擦阻力為1 906.80 Pa，主斜坡道至沙壩3#斜井路徑通風(fēng)的總摩擦阻力為1 880.00 Pa。

5）1 090 m中段。主斜坡道至1 150 m平硐路徑通風(fēng)的總摩擦阻力為1 314.81 Pa，主斜坡道至沙壩3#斜井路徑通風(fēng)的總摩擦阻力為1 582.40 Pa。

6）1 120 m中段。主斜坡道至1 150 m平硐路徑通風(fēng)的總摩擦阻力為1 298.08 Pa，主斜坡道至沙壩3#斜井路徑通風(fēng)的總摩擦阻力為1 582.30 Pa。

由以上解算結(jié)果可知：通風(fēng)的總摩擦阻力為1 298.08～2 120.24 Pa，因此在風(fēng)機(jī)選擇上必須滿足該風(fēng)壓及礦山需要的風(fēng)量。根據(jù)驗(yàn)算，現(xiàn)有風(fēng)機(jī)型號為K45-6-NO19（見表2），其風(fēng)量、風(fēng)壓均滿足優(yōu)化后的通風(fēng)要求，風(fēng)機(jī)布置在回風(fēng)井井口及進(jìn)風(fēng)井井底，通風(fēng)方式采用抽出式。局部通風(fēng)地點(diǎn)主要有采場、掘進(jìn)、噴錨支護(hù)工作面和各類硐室等。采掘工作面和各類硐室視需風(fēng)量大小和線路長短，采用局扇進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)和輔助通風(fēng)，型號為K40-6-NO16，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

1）甘肅某鉛鋅礦由于歷史遺留問題，導(dǎo)致采空區(qū)密布，井下串風(fēng)、漏風(fēng)情況突出，嚴(yán)重影響了該鉛鋅礦的安全生產(chǎn)?；诖耍瑢ζ渫L(fēng)方式進(jìn)行了優(yōu)化，從“兩翼進(jìn)風(fēng)，中央回風(fēng)”的通風(fēng)方式優(yōu)化為“中央進(jìn)風(fēng)，兩翼回風(fēng)”的中央對角式通風(fēng)系統(tǒng)。

2）基于Ventsim仿真軟件及礦山實(shí)測資料，建立三維通風(fēng)仿真模型，對各生產(chǎn)中段不同回風(fēng)路徑下的通風(fēng)阻力進(jìn)行了解算。根據(jù)解算結(jié)果，通風(fēng)總摩擦阻力為1 298.08～2 120.24 Pa，即容易時期通風(fēng)阻力為1 298.08 Pa，困難時期通風(fēng)阻力為2 120.24 Pa。

3）根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果，對現(xiàn)有風(fēng)機(jī)進(jìn)行了能力校核，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)能夠滿足通風(fēng)系統(tǒng)需求。因此，在充分利用現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上，僅需改變通風(fēng)方式，就能夠有效改善井下通風(fēng)環(huán)境，并減少設(shè)備采購等不必要的投資。

[參 考 文 獻(xiàn)][1] 黃傳寶，盛佳，李向東，等.基于Ventsim系統(tǒng)的多中段通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].采礦技術(shù)，2018，18（5）：63-66.

[2] 王明建，陳健，黃文爭.基于Ventsim仿真系統(tǒng)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化[J].煤，2021，30（1）：51-55.

[3] 聶軍，陳新.基于Ventsim的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用[J].黃金，2021，42（5）：29-34.

[4] 石乃敏.Ventsim軟件在某深部礦體通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].礦業(yè)工程，2018，16（6）：52-56.

[5] 吳超.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2008.

Calculation of ventilation resistance in different periods of a lead-zinc mine based on Ventsim

Shen Yanyuan

（Yiyang Geo-environmental Monitoring Station）

Abstract：As one of the eight mine systems，underground ventilation system is the top priority for safe production，while the selection of fans is the key point to determine whether the ventilation system operates smoothly.In view of the production features such as excessive underground goafs and concentrated layout of stopes and development projects in a lead-zinc mine in Gansu，the original ventilation system "air inlet for two wings and air return for the center" has shifted to "air inlet for the center and air return for two wings" central diagonal type ventilation system by design.Ventsim simulation software was used to establish a three-dimensional ventilation model，which calculated ventilation resistance of different periods based on different production levels and stopes，so as to provide an important theoretical basis for the selection of fans.

Keywords：central diagonal ventilation;Ventsim simulation software;resistance calculation;three-dimensional ventilation model;fan selection

收稿日期：2022-01-20; 修回日期：2022-04-30

作者簡介：申燕元（1988—），女，湖南益陽人，工程師，碩士，從事礦產(chǎn)資源保護(hù)、礦產(chǎn)資源儲量評價及綠色礦山建設(shè)等工作;湖南省益陽市龍洲南路229號，益陽市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，413000;E-mail：451966983@qq.com