三鑫金銅礦深井復雜通風系統方案優化改造實踐

胡勇 王維 劉豐 楊樂 尤祎 王有奇

摘要：三鑫金銅礦原采用多級機站通風，隨著生產中段下延及增多，存在礦井總風量不足、風機運行效率低、部分中段風流反風及通風困難等問題。通過對總需風量進行校核，有針對性地提出了3種通風系統優化方案，利用Ventsim三維動態仿真模擬軟件解算和定量定性分析比較，選擇了前期井下集中+后期多級機站接力的通風系統方案。按照優選方案組織改造實施后，經過通風測定，總風量、進回風風速都達到了設計要求，有效風量率達81.33 %，主扇運行效率達85 %以上，處于高效率區運行，通風效果明顯改善。

關鍵詞：深部開采;通風系統;多級機站;井下集中;Ventsim三維動態仿真模擬軟件

中圖分類號：TD724文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）04-0025-09doi：10.11792/hj20200406

引 言

隨著地下礦山開采不斷向深部延深，井下通風問題成為制約礦山企業發展的主要問題之一。為解決通風困難，技術人員對不同礦山通風系統進行了優化設計，彭庚等[1]針對多面臨風系統不能滿足生產需求的問題，根據地質條件、深部開采等條件，改進老礦山的通風系統，滿足礦山擴能需求;龔開福等[2]基于無軌設備需風量，利用Ventsim三維動態仿真模擬軟件構建礦山井下通風網絡圖，動態調節風機參數與位置及風門開合程度，達到良好的通風優化效果;陳小竹等[3]通過通風模擬軟件，對井下工作點進行了通風模擬與通風網絡解算;王海寧等[4]利用節點風壓法，對礦井通風網絡進行迭代解算，模擬井下風流狀態，優化通風系統;賴明照等[5]利用仿真模擬軟件對多級機站通風方式模擬研究，提高了多級機站通風方式效率和穩定性;馮福康等[6]針對礦山作業點分散、回風系統不完善等問題，采用Ventsim三維動態仿真模擬軟件進行礦山通風三維模擬，提出了與礦山相適應的通風系統優化方案。

湖北三鑫金銅股份有限公司（下稱“三鑫金銅礦”）位于湖北省大冶市城西4.2 km處，是一家年生產能力99萬t，年產金1.4 t、銅1.3萬t的黃金采選企業。礦區氣候屬于典型的大陸性季風氣候，冬冷夏熱，四季分明，年平均氣溫17.0 ℃，極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-11.3 ℃，相對濕度78 %。三鑫金銅礦是采用多級機站通風技術較早的礦山之一，礦山開發近三十年，一直沿用該技術。隨著礦山深部多個中段逐步投入生產，同時淺部原有老系統閉坑遲緩，井巷錯綜復雜，全系統生產中段多，原有的礦井通風系統對于礦山生產變化適應范圍有限，導致礦井通風風阻增大、井下通風量減小、風機運行效率低。另外，老舊礦井的生產系統向深部延深，礦井通風系統的漏風點增多，現場礦井通風管理困難，造成井下漏風嚴重、井下總風量不足、采場通風條件差、工人作業環境較差。因此，優化現有通風系統，解決三鑫金銅礦井下生產中段風量不足、風流反向、漏風等問題，是目前的當務之急。

對于不同的地質條件、礦山規模，通風參數設計差異巨大，針對三鑫金銅礦漏風嚴重、井下總風量不足、采場通風條件差等問題，根據礦山實際情況，提出3種通風系統優化方案，采用Ventsim三維動態仿真模擬軟件對礦山通風的風量、風速、負壓等參數進行模擬解算，確定采用前期井下集中+后期多級機站接力的通風系統方案。經過現場工業應用，取得了較好的效果。

1 通風系統現狀

1.1 開拓系統

三鑫金銅礦包括雞冠咀和桃花嘴2大礦區，生產規模3 000 t/d，采用豎井開拓方式，目前設有2條主井，1條副井，2條風井，1條充填井。中段高度50 m，中段采用上下盤沿脈+穿脈的環形布置方式，采用輔助斜坡道連接上下作業中段。以-520 m中段為界分為上、下采區，-520 m中段以上為上采區，-570 m至-970 m中段為下采區。老主井負責上采區的礦（廢）石提升;新主井負責下采區的礦（廢）石提升。副井擔負全礦人員、材料和設備的提升任務。

1.2 通風方式及系統

三鑫金銅礦采用副井（凈直徑5.0 m）進風，兩翼的新雞冠咀風井（又稱“30勘探線回風井”，凈直徑4.0 m）和桃花嘴風井（又稱“7勘探線回風井”，凈直徑3.5 m）回風，形成中央進風兩翼回風的中央對角式通風系統。

設計采用“多風機多級機站”抽出式通風方式，風機安裝在井下各中段回風石門處。新鮮風流經過副井進入坑內后，通過石門分別進入雞冠咀和桃花嘴2個礦區，經下盤運輸平巷送至各回采、掘進工作面;污風各自匯聚到上水平中段回風充填平巷和回風石門，然后通過多級機站風機排至30勘探線回風井和7勘探線回風井后排出地表。實際的通風系統見圖1。

1.3 通風系統存在的問題

1）總風量不足。目前井下生產中段10個，共有回采工作面25個，掘進工作面54個，備采工作面12個，獨立回風硐室9個。生產中段多，需風點多且散，多數中段風速合格率不達標。

2）裝機數量多，功率大。現通風系統機站安裝22臺風機，裝機容量1 111 kW。根據風機運行工況檢測結果，機站風機運行效率低、能耗高。

3）部分中段副井車場風流反向。-220 m、-270 m、-720 m、-1 000 m中段副井車場均存在風流反向，嚴重影響新鮮風質量，從而導致作業點勞動環境不佳。

4）系統漏風比較嚴重，局部中段和區域通風困難。

2 通風系統優化

2.1 優化思路

鑒于生產中段存在風量不足問題，需首先對現有系統總需風量進行校核。由于現有通風系統裝機數量多，功率大，機站風機運行效率低，部分中段風流方向紊亂，故需在核定的系統總需風量基礎上，重新制定通風方案，分配系統風量，進一步優化通風網絡，優化風機選型，以降低通風能耗。

軟件方面主要采用Ventsim三維動態仿真模擬軟件高級版。該軟件為礦井通風領域國際公認的行業標準軟件，可在三維開拓系統平臺上，實現礦井通風的整套風流模擬、熱模擬、污染物模擬及通風經濟性分析的功能。

2.2 礦井總需風量計算

根據井下采掘工作面具體分布情況，按照同時回采工作面、掘進工作面、等需風點的個數，根據排塵風量、排塵風速、排炮煙、排柴油設備廢氣需風量予以核算，取值大者參與總需風量計算，并考慮內、外部漏風等因素來核算礦井總需風量。

1）礦井總需風量。其計算公式為：

Q=K1K2（∑Qh+∑Qj+∑Qd+∑Qt）（1）式中：Q為礦井總需風量（m3/s）;K1為外部漏風系數;K2為內部漏風系數;Qh為回采工作面需風量（m3/s）;Qj為掘進工作面需風量（m3/s）;Qd為硐室及裝卸礦點需風量（m3/s）;Qt為備用工作面需風量（m3/s）。

因礦井通地表的井巷較少，采空區采用尾砂和新型尾砂膠結材料充填，礦井漏風比較容易控制，所以內、外部漏風系數分別取1.10，1.15。經計算：Q=244.89 m3/s。因此，礦井總需風量為244.89 m3/s。

2）降溫需風量。三鑫金銅礦為深井礦山，實測風溫數據顯示，-870 m及以下的中段風流溫度均達到28 ℃～31 ℃。故除考慮正常條件通風外，同時也需考慮地溫影響。為降溫而增加的風量可按照式（2）估算：

ΔQi=Qsti-tc[]tc（2）

式中：ΔQi為工作面所需增加風量（m3/s）;Qs為工作面實際風量（m3/s）;ti為工作面末端風流溫度（℃）;tc為工作面允許的最高氣溫，取28 ℃。

考慮現階段及困難時期深部生產中段不同，分別對現階段、困難時期各中段分配正常需風量，在此基礎上計算2個時期的深部中段降溫需風量分別為5.19 m3/s、17.69 m3/s。

2.3 礦井總需風量校核

1）按萬噸耗風量校核礦井總需風量。三鑫金銅礦年生產能力平均約99萬t，可得現階段礦井萬噸耗風量為2.53 m3/s，困難時期礦井萬噸耗風量為2.65 m3/s。滿足大型礦井萬噸耗風量1.2～3.5 m3/s的要求。

2）按井下最大班作業人數校核礦井總需風量。根據規定，按照井下同時工作的最多人數計算礦井總需風量時，供給新鮮風量不得少于4 m3/（min·人），現井下同時工作最多為640人，計算得通風系統礦井總需風量為42.67 m3/s，遠小于250.08 m3/s及262.58 m3/s。因此，計算的礦井總需風量符合安全規程要求。

綜上，核定的通風系統現階段總需風量為250.08 m3/s，困難時期系統總需風量為262.58 m3/s。

2.4 優化方案選擇

根據礦山現有系統生產規模大、生產中段多、通風線路復雜、風流難以控制等特點，同時考慮對雞冠咀礦區和桃花嘴礦區的通風阻力平衡，按照現階段（又稱“前期”，即按照現有生產布局）和后期（指井下生產轉移到深部中段，主要作業區域延深到-570 m中段以下相關中段）進行對比，共提出3種礦井通風系統優化方案：方案Ⅰ，井下多風機多級機站通風系統;方案Ⅱ，全井下集中通風系統;方案Ⅲ，前期井下集中+后期多級機站接力通風系統。

2.4.1 方案Ⅰ

1）風量分配及網絡解算。該方案仍采用現有多風機多級機站通風方式，在井下各中段回風石門處設置機站，地表不設置風機。現階段井下多風機多級機站通風系統方案見圖2。

現階段仍考慮利用-160 m水平18勘探線風機作為Ⅰ級機站向一采區壓風。雞冠咀礦區Ⅱ級機站分別設置在-270 m、-370 m、-470 m、-570 m、-870 m、-920 m、-970 m中段30勘探線回風石門處。桃花嘴礦區Ⅱ級機站分別設置在-370 m、-420 m、-470 m、-520 m、-570 m中段7勘探線回風石門處。根據采掘工作面分布情況及各中段產能貢獻，對雞冠咀礦區和桃花嘴礦區各中段需風量進行分配，現階段2個礦區各級機站風量分配見表1。經解算，現階段各回風石門、-270 m溜井回風巷處裝機風量及負壓見表2。同時，對后期井下通風情況進行調整，后期多級機站布置見圖3。

2）自然風壓計算。礦井自然風壓作為礦井通風動力的重要組成部分，既可以促進主要風機的機械通風，也會在一定條件下阻礙機械通風，甚至會使得礦井風流反向。因此，了解和掌握自然風壓的作用規律，對通風系統優化具有重要意義。

根據自然風壓經驗公式計算得：夏季自然風壓pzs=-63.46 Pa，冬季自然風壓pzw =68.62 Pa。夏季自然風壓為阻力，冬季為動力。因此，計算阻力時自然風壓應按63.46 Pa考慮。

2.4.2 方案Ⅱ

1）風量分配及網絡解算。該方案在-270 m中段30勘探線回風石門和-370 m中段7勘探線回風石門處向下新掘倒段風井與下部相鄰中段回風石門貫通。在30勘探線回風井-270～-370 m井筒段和7勘探線回風井-370～-420 m井筒段設置蓋板封閉。主扇安裝在-270 m中段30勘探線回風井與倒段風井間新掘風機硐室和-370 m中段7勘探線回風井與倒段風井間新掘風機硐室內。現階段及困難時期均通過在中段回風石門處設置風門或調節風窗輔助分風，實現風量調配。調配后各中段分風效果同方案Ⅰ。通風系統見圖4。現階段及困難時期2個裝機點風量及負壓分別見表3、表4。

2）自然風壓計算。自然風壓計算同方案Ⅰ，計算阻力時自然風壓取63.46 Pa。

3）主扇風機選型。根據集中通風風機選型要求，風機選型需按照困難時期風量、負壓選型。根據表3、表4中風量、負壓數據，對方案Ⅱ風機選型進行計算，結果見表5，風機型號及參數見表6。

2.4.3 方案Ⅲ

1）風量分配及網絡解算。該方案主要考慮到解決前期方案Ⅰ存在多級機站裝機點多，以及方案Ⅱ中前期裝機功率大、效率低的問題，結合方案Ⅰ和方案Ⅱ的優點。

前期在-270 m中段30勘探線和-370 m中段7勘探線回風石門處向下新掘倒段風井與下部相鄰中段回風石門貫通。在30勘探線回風井-270 ～-370 m井筒段和7勘探線回風井-370～-420 m井筒段設置蓋板封閉。主扇安裝在-270 m中段30勘探線回風井與倒段風井間新掘風機硐室和-370 m中段7勘探線回風井與倒段風井間新掘風機硐室內。現階段在中段回風石門處設置風門或調節風窗輔助分風，實現風量調配，滿足現階段生產通風需求。根據采掘工作面分布情況及各中段產能貢獻，對雞冠咀礦區和桃花嘴礦區各中段需風量進行分配。經解算，現階段各裝機點風量及負壓見表7。根據表7中風量、負壓數據，結合自然風壓，對方案Ⅲ現階段風機選型進行計算，結果見表8，現階段風機型號及參數見表9。

困難時期則設置二級機站接力。前期在-270 m中段30勘探線回風石門處、-370 m中段7勘探線回風石門處設置的較小功率主扇保持不變，作為Ⅱ級機站接力。深部Ⅰ級機站分別設置在雞冠咀礦區-570 m、-770 m、-820 m、-870 m、-920 m中段30勘探線回風石門處，以及桃花嘴礦區-670 m、-720 m、-770 m中段7勘探線回風石門處。風量分配、風機選型同方案Ⅰ困難時期。

2.4.4 優化方案技術經濟比較

綜合考慮現階段及困難時期通風系統，3個優化方案技術經濟比較見表10。由表10可知：方案Ⅰ可比總投資最大、工期最長，風機臺數多、管理困難。方案Ⅲ總投資雖高于方案Ⅱ，但前期在井下采用主扇集中通風，滿足前期通風要求;節省前期工程及風機設備投資，無需征地，方便通風管理，后期繼續利用前期主扇作為Ⅱ級機站接力;可比年經營費及費用現值最低。故最終推薦采用方案Ⅲ，即前期井下集中+后期多級機站接力通風系統方案。

3 通風系統優化改造及應用

3.1 改造工程

依據通過評審的通風系統優化方案進行施工圖設計。現階段通風系統改造工程包括回風斜坡道、風機硐室、風機變電硐室、中段通風構筑物布置、回風井筒封閉、風門和調節風門等。

1）新掘回風斜坡道。分別在-270 m中段30勘探線回風石門處、-370 m中段7勘探線回風石門處向下新掘回風斜坡道，分別與30勘探線回風井、7勘探線回風井貫通。

2）封閉井筒。分別在30勘探線回風井-270 m中段馬頭門底板平齊的井筒內、7勘探線回風井-370 m中段馬頭門底板平齊的井筒內設置蓋板封閉。雞冠咀礦區-270 m中段下部回風流經30勘探線回風井→1號回風斜坡道→-270 m中段30勘探線風機硐室→30勘探線回風井→地表。桃花嘴礦區-370 m中段下部回風流經7勘探線回風井→2號回風斜坡道→-370 m中段7勘探線風機硐室→7勘探線回風井→地表。

3）新掘風機硐室、風機變電硐室及新增風機。①在-270 m中段30勘探線回風井與1號回風斜坡道間的回風石門段新掘-270 m中段30勘探線風機硐室、風機變電硐室，安裝2臺DK40-6-№22（2×185 kW）型主扇并聯。②在-370 m中段7勘探線回風井與2號回風斜坡道間的回風石門段新掘-370 m中段7勘探線風機硐室、風機變電硐室，安裝1臺DK40-6-№22（2×185 kW）型主扇。③在-270 m中段溜井回風巷內布置1個風機硐室，安裝1臺K40-6-№14（30 kW）型輔扇。

4）風機控制。所裝主、輔扇控制方式采用遠程控制和就地控制，在設備就近控制箱或控制柜上設置選擇開關，進行“遠程”“就地”控制模式切換，并設置“檢修”檔位，便于設備檢修。地面可遠程手動啟停風機。

5）風量調配。現階段在中段回風石門處設置風門或調節風窗輔助分風，實現風量調配。

3.2 改造后通風系統測定效果評價

對三鑫金銅礦井下16個中段和地表7條進回風井的風量、負壓、風溫、風流密度、標高等參數進行了測定。

1）礦井總風量。礦井總風量為242.30 m3/s。通風系統優化設計的現階段總需風量為250.08 m3/s。實測總風量與設計總需風量誤差僅3.1 %，達到設計要求，滿足生產要求。

2）進回風風速。實測各生產中段總進風石門風速均為0.80～2.10 m/s，總回風石門風速為9.40～9.83 m/s，其余各中段回風石門風速均為0.55～4.40 m/s，中段各巷道內風速多為0.30～2.80 m/s，中段各進回風巷道風速均滿足規范要求，且與設計優化值基本吻合。

3）礦井有效風量率。實測礦井有效風量率達81.33 %，大于60 %，滿足規范要求，且優化后礦井有效風量率大大提升。

4）風速合格率。測定礦井風速（風量）合格率為76.32 %，大于60 %，總體合格，滿足規范要求。井下所測定的16個中段中，13個合格，3個不合格。各主要進回風井風速均合格，達到優化目的。

5）風機效率。現場測定的3臺主扇風機效率均在85 %以上，遠高于規范要求的70 %，主扇風機均在高效率區運行。

4 結 論

1）通過通風系統方案的優選評定及井下工程實踐，三鑫金銅礦通風系統優化后井下通風有效風量率、風速合格率、風機效率等都有明顯改善，特別是井下作業中段通風現狀，達到了通風系統優化的預期。

2）現階段采用井下集中抽出式通風方式，井下處于負壓狀態，有效解決了主中段反風及風流紊亂問題，總進風量和總回風量有根本性改善，但必須要嚴格控制漏風，特別是控制新主井及老主井進風量，以確保設計的副井和專用進風井的進風量。

3）井下集中抽出式通風系統，日常管理的重點在于風量的分配與調節，核心在于通風構筑物的管理。風量分配一要控制雞冠咀礦區和桃花嘴礦區的風量分配;二要通過調節風窗增阻調節方式與井下通風風路的改造減阻方式，調節上下中段之間的風量分配;三要隨著采掘作業面與作業中段的變化，及時調節通風網絡，實施動態管理，定期做好通風檢測工作。

總之，通風系統優化管理不是一勞永逸，需要實施動態管理，根據采掘作業面的變化，及時調節通風構筑物的設置位置，不斷根據通風阻力及風量測定結果優化通風網絡，以改善采掘供充支等作業地點的作業環境，確保通風效果。

[參 考 文 獻]

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[6] 馮福康，趙天勇，唐學義，等.秦嶺礦業公司楊砦峪分礦通風系統方案數值模擬優化研究[J].黃金，2020，41（1）：34-40.

Abstract：The previously adopted multi-level station ventilation of Sanxin Gold-Copper Mine encounters insufficient overall shaft air flow，inefficient fan operation，backflow and bad ventilation in certain levels with downward extension and increasing numbers of operation levels.Based on checking of overall airflow demand，the study correspon-dingly put forward 3 ventilation system optimization plans.By quantitative and qualitative analysis and comparison and calculation with Ventsim 3D dynamic simulation software，the ventilation plan of underground centralization in earlier stage+multi-level station relay in late stage is selected.With the implementation of the optimized selection plan，the overall airflow and the air flow rate of inflow and outflow all meet the design requirement according to ventilation verification.The effective airflow rate reaches 81.33 %.The main fan operation efficiency reaches over 85 %，running in high efficiency range.The ventilation is notably improved.

Keywords：deep mining;ventilation system;multi-level station;underground centralization;Ventsim 3D dynamic simulation software