Ventsim系統(tǒng)在礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用

李 茂 王 靜

(1.招金礦業(yè)股份有限公司，山東 煙臺 265400；2.煙臺黃金職業(yè)學院地質(zhì)與測量工程系，山東 煙臺 265400)

0 引言

隨著開采范圍增大，某礦山通風系統(tǒng)已不能滿足當前生產(chǎn)需求，通風系統(tǒng)存在礦井風量不足、通風效率降低、通風設(shè)備老化等問題。針對該礦通風系統(tǒng)問題，研究在現(xiàn)場測定的基礎(chǔ)上，深入剖析通風系統(tǒng)各項問題，結(jié)合礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀和規(guī)劃需求，對礦山通風系統(tǒng)提出優(yōu)化改造技術(shù)方案，從而合理分配礦井通風風量、重新配置主要風機、優(yōu)化構(gòu)筑物設(shè)置等。通過Ventsim系統(tǒng)建立礦井通風系統(tǒng)三維模型，對礦井通風設(shè)計、風機選型和通風過程進行動態(tài)模擬，實現(xiàn)通風系統(tǒng)實時監(jiān)測，并通過通風系統(tǒng)模擬解算驗證優(yōu)化改造方案的可行性，為礦山通風系統(tǒng)改造提供了指導(dǎo)依據(jù)，有效解決礦井通風系統(tǒng)中存在的各項問題[1-2]。

1 工程背景

礦山主礦體由南區(qū)1號礦體和北區(qū)2號礦體構(gòu)成，統(tǒng)稱為南采區(qū)、北采區(qū)，采用上向水平分層充填采礦法和上向進路分層充填采礦法進行開采。礦井共有6條地表井和一條斜坡道，采用對角抽出式通風(見圖1),分別由副井和北風井進風、由主井和輔助斜坡道輔助進風，由72線風井、南風井和99線風井回風。礦井開拓設(shè)計分為兩期，分期建設(shè)分期驗收投入使用。一期開采南采區(qū)-616 m以上礦體和北采區(qū)-676 m以上礦體，主要有-496、-556、-616、-676 m四個生產(chǎn)中段，現(xiàn)已完成主體工程驗收；二期開采范圍為-796 m以上礦體，目前處于基建期。

圖1 礦井通風系統(tǒng)圖

2 通風系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

為全面客觀地評估該礦通風系統(tǒng)，首先對礦井通風系統(tǒng)進行冬季和夏季兩次測定,綜合分析和評價井下通風系統(tǒng)狀況。測定內(nèi)容包括：巷道的斷面面積、風速、溫度、濕度、大氣壓力等參數(shù)；不同支護方式的巷道摩擦阻力系數(shù)，豎井及天井的摩擦阻力系數(shù)，局部阻力損失；井下主要扇風機工況及效率；工作面風速、斷面面積、溫度、濕度及CO濃度等。根據(jù)測定結(jié)果分析出目前的通風系統(tǒng)主要存在如下問題：

1)測定結(jié)果表明，冬季總回風227.42 m3/s，夏季187.98 m3/s，均未滿足設(shè)計風量228 m3/s的設(shè)計要求。同時，礦井總進、回風量差異較大，通風系統(tǒng)存在漏風和循環(huán)風。

2)冬季和夏季測得的4臺主扇風機全壓效率最高僅50.19%，最低為12.07%，均低于GB16423-2020《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求的70%。除-496 m中段風機以外，其他3臺主扇風機服務(wù)年限均超過10年，風機葉片破損嚴重，風機老化是導(dǎo)致這三臺風機效率低的主要原因。-496 m中段主扇風機電機長期在22 Hz頻率下運轉(zhuǎn)，直接導(dǎo)致-496 m中段主扇風機全壓效率低于70%，說明該風機選型與通風網(wǎng)絡(luò)不匹配。

3)99線風井-496 m主扇風機與-796 m主扇風機正壓區(qū)作用范圍重合，出風口風流互頂，造成不必要的功率消耗，導(dǎo)致主扇風機效率低。

4)井下22 kW輔扇多達22臺，風量調(diào)節(jié)完全依靠輔扇，不僅造成通風系統(tǒng)能量消耗增加，且大量22 kW輔扇對主系統(tǒng)設(shè)計風流造成干擾，使得部分區(qū)域風流反向，造成大面積風流循環(huán)。

5)通風構(gòu)筑物設(shè)置合理性有待提高，且構(gòu)筑物管理不到位，部分風墻、風簾存在顯著漏風。礦井通風構(gòu)筑物中只有2處為調(diào)節(jié)風窗，其他均為密閉風門，各中段及分層風量調(diào)節(jié)完全依靠輔扇。

6)工作面風量(風速)合格率29.27%，工作面氣溫合格率26.83%，均不滿足規(guī)程要求。尤其是-676 m以下深部作業(yè)面溫度高，均超過GB16423-2020《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》的27 ℃。

3 通風系統(tǒng)模型建立

3.1 Ventsim系統(tǒng)介紹

研究引入了Ventsim通風軟件幫助解決該礦通風系統(tǒng)問題，制定合理的優(yōu)化改造方案。Ventsim通風軟件[3-8]是一款當今世界上主流的通風模擬軟件，在通風系統(tǒng)優(yōu)化、通風管理方面具有無可比擬的效率和精準度。軟件通過建立礦井通風系統(tǒng)三維立體模型，將整個礦井通風系統(tǒng)直觀的展現(xiàn)出來，動態(tài)顯示風流方向、風量、風速等參數(shù)，模型建成后可作為礦山企業(yè)通風系統(tǒng)管理和調(diào)整的決策分析平臺，可有效的幫助礦山企業(yè)進行科學的通風系統(tǒng)管理和調(diào)整，及時預(yù)測和發(fā)現(xiàn)通風系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，合理節(jié)約通風成本。其具有以下功能特點：幫助新建礦山進行通風系統(tǒng)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)解算和風流動態(tài)模擬；進行生產(chǎn)礦井風流動態(tài)模擬；任意風路固定風量、固定風壓、網(wǎng)絡(luò)風流按需分配仿真；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；在風網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上進行風機選型，分析風機運行工況點，風機調(diào)速、反風模擬；支持對主輔扇、局扇選型和多級機站聯(lián)合運轉(zhuǎn)分析；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；模擬新掘和廢棄井巷后風網(wǎng)系統(tǒng)的變化；模擬煙霧、粉塵、有害氣體擴散路徑和濃度，輔助進行災(zāi)害預(yù)案制定和緊急情況處理等。

3.2 Ventsim系統(tǒng)模型建立

根據(jù)礦井通風系統(tǒng)圖，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，建立某礦山通風系統(tǒng)三維可視化模型，實現(xiàn)了礦井風流、風機運行和通風構(gòu)筑物等動態(tài)模擬。模型共建立1 867條分支和1 604個節(jié)點，裝備主扇風機4臺(分別位于南風井-380 m中段回風巷、72線風井-380 m中段回風巷、99線風井-496 m中段回風巷和99線風井-796 m中段回風巷)、輔助扇風機22臺、風門107個和風窗2個，風路總長度75 100.3 m。通風系統(tǒng)三維可視化模型見圖2。

圖2 通風系統(tǒng)三維可視化模型示意圖

3.3 礦井通風系統(tǒng)實時監(jiān)測技術(shù)

該礦在數(shù)字礦山建設(shè)中，實現(xiàn)了對井下CO、CO2、NO2、溫度、濕度等井下環(huán)境數(shù)據(jù)及礦井主扇風機運行狀態(tài)的監(jiān)測。在建立礦井通風系統(tǒng)三維可視化模型基礎(chǔ)上，整合井下實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)井下環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)在Ventsim三維可視化模型中的實時顯示。礦井通風系統(tǒng)實時監(jiān)測共布置131個傳感器，將傳感器數(shù)據(jù)映射到對應(yīng)的風路編號，使傳感器數(shù)據(jù)實時顯示并參與到模擬中，實現(xiàn)通風系統(tǒng)的實時監(jiān)測及風流動態(tài)模擬(見圖3)。

(a)數(shù)據(jù)列映射 (b)風路位置映射

4 優(yōu)化方案

按照該礦生產(chǎn)規(guī)劃和方案優(yōu)化要求，提出通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案。此次通風系統(tǒng)優(yōu)化主要服務(wù)中段為-676 m以上開采中段，南采區(qū)-496、-556、-616 m中段及分段和北采區(qū)-496、-556、-616、-676 m中段及分段，經(jīng)風量核算確定該礦井所需實際風量為228 m3/s。按照“四進三回”的通風方式進行優(yōu)化設(shè)計，其改造工程如下。

4.1 72線回風井井筒斷面優(yōu)化

在72線風井回風線路上，井口至-210 m段井筒凈直徑3.5 m，-210 m至-380 m段井筒凈直徑2.0 m。由于兩段井筒斷面不同，在通風過程中造成風流能量損失，礦井通風阻力較大，同時考慮到南采區(qū)中長期生產(chǎn)需求，應(yīng)刷大-210 m至-380 m段斷面，減小礦井通風阻力。通過Ventsim軟件對優(yōu)化參數(shù)進行模擬，將-210 m至-380 m段井筒直徑由當前的2.0 m分別擴大至3.0 m、3.5m 和4.0 m，分析不同斷面尺寸下風阻的變化情況，模擬結(jié)果見表1。

表1 不同斷面尺寸風阻模擬結(jié)果

由表1可知，隨著斷面尺寸增加，風阻急劇下降，但斷面尺寸選擇過大，則會造成降阻效果降低和經(jīng)濟上的浪費。因此，從經(jīng)濟技術(shù)層面分析，將72線風井-210 m至-380 m段井筒直徑刷大至3.5 m，風阻由1.0012 N·s2/m8降低為0.0613 N·s2/m8，風阻降低了98.4%，效果顯著。同時，該斷面直徑與72線風井-210 m至井口段斷面尺寸取得一致，可保證合理的基建費用。當72線風井筒斷面直徑擴大為3.5 m時，與南風井共同承擔南采區(qū)回風任務(wù)，能夠滿足南采區(qū)生產(chǎn)工作所需風量。

4.2 風機選型

根據(jù)通風系統(tǒng)測定結(jié)果可知，現(xiàn)有井下主扇風機存在性能老化、與現(xiàn)有通風網(wǎng)絡(luò)不匹配及風機效率低等問題。在不改變礦井通風設(shè)計中井下主扇風機位置的前提下，重新匹配井下主扇風機。優(yōu)化后風機位置、型號及參數(shù)見表2。

表2 優(yōu)化后風機位置、型號及參數(shù)

其中，99線風井-496 m中段風機未重新匹配，僅調(diào)節(jié)了風機頻率。對風機選型優(yōu)化后的風量計算得到，南采區(qū)總回風量達到101.6 m3/s，北采區(qū)總回風量達到140.2 m3/s，滿足此次規(guī)劃礦井通風系統(tǒng)生產(chǎn)所需風量。與此同時，移除南采區(qū)用于風量調(diào)節(jié)的所有輔扇，依靠風窗或者風門進行風量調(diào)節(jié)，可以有效解決污風循環(huán)問題決，也減少不必要的能源浪費。

4.3 通風構(gòu)筑物設(shè)置

為保證風流與設(shè)計路線一致，需添加相應(yīng)的通風構(gòu)筑物，新增構(gòu)筑物分布見表3。

表3 新增通風構(gòu)筑物分布

4.4 方案實施效果

通風系統(tǒng)優(yōu)化方案確定后，利用Ventsim軟件進行通風系統(tǒng)模擬解算:①根據(jù)模擬解算得到該礦井總進、回風量為236.5 m3/s，與設(shè)計風量基本一致，滿足該礦用風需求。②礦井主要風筒、井巷風速校核結(jié)果均滿足安全規(guī)程要求。③南采區(qū)有效風量為71.7 m3/s，主要扇風機風量為100.2 m3/s，北采區(qū)有效風量為112.7 m3/s，主要扇風機風量為141.5 m3/s。按照全礦有效風量率等于礦井通風系統(tǒng)中的有效風量與主扇風機風量的百分比得出，優(yōu)化后礦山通風系統(tǒng)有效風量率為76.29%，較優(yōu)化前提高了14.20%，符合相關(guān)規(guī)定。④優(yōu)化后滿足需風量的工作面?zhèn)€數(shù)79個，實際工作面?zhèn)€數(shù)(即需風點總數(shù))為84個，風量合格率為94.04%，較優(yōu)化前提高了近3倍。

5 結(jié)語

利用Ventsim軟件建立了某礦山井下通風系統(tǒng)三維可視化模型，對礦井通風系統(tǒng)進行全面動態(tài)模擬，實現(xiàn)了通風系統(tǒng)實時監(jiān)測。對優(yōu)化改造方案進行了通風效果模擬解算，驗證了優(yōu)化改造方案的可行性，有效解決了通風系統(tǒng)存在的問題。考慮到該礦二期的采掘生產(chǎn)任務(wù)在礦井深部開展，為盡可能降低礦井深部熱害，應(yīng)盡量縮短進風路線，在確定通風方案時可利用Ventsim對各個通風方案進行預(yù)先模擬，對各方案通風效果對比分析，確定最佳方案，確保通風達到更好的效果。