基于三維仿真系統延深礦井通風系統優化研究

苑 棟，袁建文，汪光鑫，鐘健民，葉光祥

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000；2.江西滸坑鎢業有限公司，江西 安福 343200）

礦井通風就是將地表新鮮空氣輸送到井下，稀釋并排出有毒、有害氣體和粉塵等，凈化作業面風質，保障井下空氣新鮮。目前，因經濟的迅速發展，物質資料需求不斷增加，金屬礦產資源消耗日漸增多，礦山逐漸轉向深部開采。鎢金屬資源在日常生活及國防工業中發揮重要作用，但因多數鎢礦山開采歷史悠久，淺層資源已開采結束，礦山轉入深部開采。受多方條件影響，部分礦山在深部開拓過程中，井下通風系統上下銜接不到位未能及時優化，使得井下常出現新鮮風量不足、污風循環等影響通風效果的問題[1]，嚴重影響井下作業環境，威脅礦工身體健康，給礦井正常生產造成不利影響[2-3]。

高效、穩定、完善的通風系統，是確保整個礦井安全生產和穩定運行的基礎，對實現礦山可持續發展有深遠意義。因此，本文以某鎢礦山為工程實例，總結延深礦井通風系統在生產過程中存在的共性問題，應用3Dvent軟件進行通風系統研究，改造礦井通風系統工程，改善井下通風效果[4-5]。

1 延深礦井通風系統存在的共性問題

隨著采深延伸，開采范圍擴大，鎢礦山井下通風系統存在諸多共性問題，如通風網絡設置不合理，主扇風機與風網不匹配，構筑物設置不恰當或者不完善等[6]，此類問題的存在，嚴重影響井下作業點通風效果。

1.1 井下通風網絡設置不合理或不完善

井下通風網絡合理規劃和布置是通風系統穩定運行的基礎，但礦井在實際生產中常存在下列通風網路問題，影響井下通風效果。

（1）因井下條件限制，深部中段存在邊采邊探問題，通風網絡缺乏整體布局，風流線路規劃不合理，深部中段風網與上部中段風網銜接性差，易造成整個通風系統新鮮風量不足。

（2）上部中段部分主要風井布置在采區內，因上部中段礦脈回采徹底，造成風井坍塌或被封堵，污風常通過上部中段采空區自由擴散排出到地表，但因采空區密閉不及時或者無法密閉，導致污風流中段反風至副井，造成井下有效風量率偏低。

（3）隨著深部中段作業面的不斷推進、延伸或生產規模擴大，產能的提升，深部中段規劃風網受原風路巷道斷面偏小挾制，風阻大增，為保證深部新鮮風量，勢必要刷大原有的巷道斷面或增大扇風機功率，增加投入成本。

1.2 風機與通風網絡不匹配

井下主扇風機與風網不匹配，常造成井下通風系統風流紊亂、風量不足等現象，從而影響井下通風效果。隨井下作業面的不斷推進、延伸或生產規模擴大，易出現風機通風能力與風網不匹配[7-8]，而產生如下問題。

（1）主扇風機性能與通風網絡不匹配，使得主扇風機運行效率偏低，風壓和風量不滿足井下通風需求。

（2）受深部中段產能提升，主扇風機選型要與當下風網匹配，避免選擇過剩功率風機，容易形成大馬拉小車的局面，先天失配。

（3）風機串聯或并聯作業時，穩定性和可靠性一般會降低，使得井下風流存在一定的波動性。

1.3 風機機站優化不及時

受井下開采范圍擴大，采深不斷延伸，原有設計的主扇風機機站位置設置不合理，或是風機性能衰減，往往造成井下風流難以調控，深部中段風量嚴重不足，作業點新鮮風量不夠等問題。

1.4 井下通風構筑物設置不完善

通風構筑物的合理設置能有效調節井下中段風量分配，滿足中段風量需求，改善通風效果。但在實際生產中，因井下人員、運輸設備、爆破等因素影響，部分通風構筑物缺失或運行不當，從而產生一系列通風問題。

（1）通風構筑物管理不當。受井下設備運行或人員通行影響，通風構筑物（如風門）常處于開啟狀態，導致井下風流調控失效，造成井下風流短路，深部中段風量不足。

（2）井下采空區無法密閉或密閉不嚴，常出現漏風現象，造成風流短路。

（3）風機房風門密閉不嚴，風機內部風流循環，使得井下總風量不足，作業面通風質量差。

（4）回采結束中段常因某些原因，進風井石門處風門管理不當，未及時關閉，造成井下風流短路，影響通風效果。

1.5 自然風壓對井下通風的影響

自然風壓是一種受礦井地形、地溫以及當地氣候條件等因素影響而產生的能量，壓差大小受進回風井高差、井筒內外溫度差異等因素決定。通常情況下進回風井高差越大，風壓作用越大；風井內外溫差越大，風壓作用越大。一般夏季時，自然風壓阻礙礦井通風；而冬季時，自然風壓輔助礦井通風。因此，延深礦井在通風系統優化時，應充分考慮自然風壓對井下通風動力影響，優化通風線路，合理選取主扇風機。冬季時充分利用自然風壓，使其輔助風機做功，降低風機能耗；夏季時采取必要的抵抗自然風壓反作用而造成的井下風流紊亂、風量不足等現象的措施[9]。

2 通風系統優化方法

穩定的礦井通風系統是礦山安全有序高效生產的基礎，定期的通風系統優化是保障礦井風流穩定的前提。因此，科學、高效和合理的通風系統優化方法能使通風系統穩定運行，且在一定程度上，能實現節能減耗、降低通風成本的效果。

2.1 傳統的通風系統優化方法

（1）通風網絡優化。一方面，根據下井中段作業點以及其他需風點位置、中段回風巷位置、主回風井位置、機站設置位置、需風點風量等因素考慮井下通風網絡優化；另一方面，結合井下主要進回通風網絡不同實測點斷面尺寸、風速、風量、風質等參數，采用人工計算和經驗判別法，確定井下通風網絡是否滿足當下通風需要。綜合上述情況及相關參數，規劃礦井整體通風線路，中段間風網線路和采場風網線路等，原有風網布置合理且滿足井下通風，仍繼續利用，如布置不當，重新規劃布置合理的主回風井或中段通風天井，甚至主回風巷等，從而進一步優化完善通風網絡，使其與通風系統相匹配，滿足通風需求。

（2）通風動力優化。一是考慮通風動力系統與風網匹配，隨著作業范圍擴大或采深延伸，通風網絡的改變，首先考慮通風方式變化，結合礦井生產能力，及應用的采礦方法等，選擇合理的通風方式；其次風機機站位置選擇，根據當前回采現狀、通風線路布置、便于管理等因素，確定風機機站位置；二是考慮風機性能，判斷風機性能通常在現場對調查風機的4個基本參數：風量、風壓、功率和單臺主扇效率。根據已測定風機的性能參數，結合井下總需風量和全礦通風阻力，判斷主扇風機風能否滿足當前通風需求，如果不滿足，則可調節葉片安裝角或更換新風機等方法。

（3）通風構筑物優化。通常在實際生產過程中，井下通風構筑常因缺失或管理不當等原因，未能有效調控井下風流。首先回采結束中段進回風路進行及時密閉；其次調節風流的風門或風窗管理到位；最后機站風硐嚴格密閉，機站進出風門密閉嚴實。

2.2 基于3Dvent仿真軟件通風系統優化

3Dvent礦井通風仿真系統軟件，采用Hardy Cross（斯考德—恒斯雷法）算法進行迭代計算，其內置獨特的回路圈劃算法，迭代計算收斂速度快，滿足對大型復雜通風網絡的模擬，性能穩定可靠。實現復雜通風網絡解算，創建風機數據庫，自動計算巷道通風阻力，風機自動選型，通風系統風流調控，串、并聯風機設計等功能[10-11]。可適用于井下多風井、多機站通風系統優化，科學地完成通風系統風網優化、風機優選、機站布置等。

（1）風網優化。根據井下通風網絡，劃分風網節點，采集巷道、風路、風機、機站位置、進回風井原始參數等數據，建立3Dvent系統數據庫文件，風網進行模擬解算時，系統調用原始參數文件，創建井下通風系統模型，模擬井下實際通風現狀，計算并模擬各通風回路的風向、風阻、風量等，根據井下作業區并結合計算風阻，完成風網優選，實現通風系統優化。

（2）風機選型。依據井下需風量，設定風機機站風量，調用原始參數，3Dvent軟件能自動遴選與通風網絡相配的最優風機，并模擬出風機型號；自動計算各時期的井巷阻力，系統快速匹配最優風機型號，解決傳統風機選型困難的問題，極大降低風機選型的原始手工計算量[12]。同時，可驗證原始裝機點風機型號選用是否恰當，以及調節葉片安裝角度或是調整主扇安設位置是否得當，完成通風動力優化。

（3）風流調控。3DVent系統結合中段需風量可調節巷道風量，一是增阻調節，根據巷道斷面和控制風速，適用風窗還是風門，并自動計算出風窗面積，并確定構筑安裝位置；二是增壓調節，系統調用風機數據庫，自動匹配相應輔扇，并給出輔扇型號和相關工作參數，完成井下風流調控。

3 實例研究

3.1 礦山概況

某地下鎢礦山開采年久，現已回采多個中段，全礦主要有3豎井，2條斜井，若干風井，通風系統較為復雜，為滿足規劃產量，現延深三個中段。早期原來的中央進風兩翼回風的通風方式，轉變為目前中央進風單翼回風的通風布置方式，原井下通風系統劃分為東、中、西三個獨立通風區域。隨著上部中段回采結束，東區機站停機，中、西區通風系統在前期改造過程中劃分不明顯。目前因通風系統優化不及時，改造不到位等因素，造成井下通風系統存在諸多問題：

（1）井下總進風量不足。通過調查測定發現：240m中段至289m中段主風井，回風量僅為3.29m3/s，部分中段和井筒出現反風情況。主要原因是井下回風網絡不通暢，原通風系統上部中段回風井設置在采區，回采結束后受到破壞，造成下部中段風流無法正常排出，導致進風量嚴重不足。井下回風網絡阻力較大，因回風井或者回風巷道斷面偏小，尤其是240m中段到289 m中段回風井出口斷面僅3.47 m2。

（2）通風網絡不完善。隨著不斷向深部開拓，井下污風被排到上部289 m中段后，因沒有通達地表風井，而污風無法排到地表，僅靠空區自由擴散，沒有形成有效的通風網絡。又因部分主要中段回風井布置在穿脈或運輸巷內，布置位置不合理，容易造成新鮮風流短路或污風流串聯，例如-160 m中段308穿至-110 m中段307穿通風井。

（3）主扇風機裝置效率不高。井下主扇布置在140 m、90 m和-10 m中段，通過測定發現三臺主扇裝機效率分別為45.3%、54.3%、40.6%，綜合裝機效率為47.4%，低于規定70%，見表1。

表1 主扇測定結果Tab.1 Main fan measurement results

分析原因：通風線路較長，部分中段間通風井斷面較小，井下回風阻力較大，風機服務年限較久，140m中段和90 m中段機站風機服務20多年，風機整體性能下降，實測功率偏低；風硐的風門密合不嚴，存在漏風問題，也降低了風機效率。

（4）井下反風現象明顯。通過調查測定發現：1#主井反風量10.26 m3/s，2#副井反風量1.06 m3/s，3#主井反風量3.24 m3/s；-10 m及以上各中段都存在反風現象，風流從中段流向2#副井，反風風量見表2。

表2 中段反風風量Tab.2 Air reversing volume of the middle section

分析原因：井下回風網絡不暢，尤其是上部中段回風井回風能力受限，同時受井下空區影響，風流短路出現反風現象；受自然風壓影響，井下通風系統受季節性氣候變化影響較大，地面與井下溫差變化造成井筒自然風壓改變，5月底2#副井反風量為1.06m3/s，夏季最為明顯，8月中旬2#副井反風量為7.96 m3/s；主風機能力不足，無法克服整個系統通風阻力，中段負壓不足，造成中段回風能力不足；部分通風構筑物管理不當或者缺失，造成井下反風。

因上述通風系統存在的問題，導致礦井總進風量不足、風網不完善、風機效率偏低、風流反向等現象，造成井下作業面風量不足、粉塵濃度高、需風點環境差，嚴重影響礦工身心健康。

3.2 通風系統優化

結合礦山實際生產情況，制定如下優化方案，解決井下通風難題。

（1）明晰井下通風網絡。首先，提出掘進通達地表風井，在289 m中段掘進通410 m中段風井（見圖1），確保污風排出地表；其次，掘進深部中段-60 m至-10 m中段通風天井，確保深部-60 m以下中段污風進入-10 m中段回風巷；再次，疏通190 m中段至289 m中段主回風井，確保風路暢通；最后，根據回采順序，規劃中段回風線路。

圖1 通風系統圖Fig.1 Mine ventilation

（2）優化通風動力系統。調整機站位置，并更換新主扇風機；將原-10 m中段回風井處風機位置調整在-10 m中段主回風巷處，并將原K40-6-NO.17型號風機更換成DK40-6-NO.18型號風機，滿足深部風量需要，同時可恢復東區機站。

（3）合理設置通風構筑物。上部回采結束中段和主風井石門設置風門或密閉風墻；140 m中段機站風門密閉；結合回采順序，未打算回采備采作業面，及時密閉；強化通風構筑物管理。

根據上述通風系統優化技術方案，應用3Dvent礦井通風系統，進行仿真模擬和風網解算，驗證技術方案的可行性，同時實現風機優選，并模擬井下各風流線路風向、風阻和風量。調用系統解算數據庫，獲取仿真模擬井巷風量數據，給出井筒和主要中段風量，并進行通風評價指標對比，見表3和表4。

從表3和表4可以看出，優化后通風系統統總進風量顯著提高，各項通風指標滿足規程要求，方案施工難度小，且改造環節對生產影響較小。通過應用3Dvent系統優化軟件，有效解決了風機機站布置最佳位置選擇問題，而且能實現風機最優選型，一定程度節約風機能耗，同時提高了井下通風效率，改善井下作業環境。

表3 井筒和中段風量比較Tab.3 Comparison of air volume in wellbore and middle section

表4 通風指標對比Tab.4 Ventilation index comparison

4 結論

（1）應用3Dvent系統對通風系統進行優化研究，實現通風網路三維仿真模擬，計算收斂速度快，性能穩定可靠，能快速計算優化風網、機站位置和風機選型。且能對井下風網進增阻和增壓調節，適應因氣候變化而對井下通風系統的影響，有利于通風系統運行穩定。

（2）合理地設置通風構筑物和高效地管理能夠有效解決井下風流分配，通過調查發現，設置專職通風管理人員的礦井，井下通風構筑設施完備，且能充分發揮調節風流作用；反之，則其作用微乎其微。

（3）針對某鎢礦山通風系統研究表明，基于通風仿真軟件改造后的通風系統，有效解決井下風網設計不合理、風機與風網不匹配、風流紊亂等問題，保障井下通風風流有序性和穩定性，能為今后的通風系統優化提供一定指導意義。