金川三礦區礦井通風系統的仿真模擬及優化

薛希忠 孫其龑 冉金強

（金川集團股份有限公司三礦區）

高效、穩定的礦井通風系統是確保礦井安全生產和穩定發展的基礎，不僅對改善井下作業人員工作環境有重大意義，而且對提高礦山經濟效益，實現可持續發展具有深遠影響［1］。受多方因素影響，國內大型礦山開采范圍不斷變大，開拓系統不斷延伸，通風系統變得越來越復雜，多風井復雜通風系統越來越多，通風系統決策、管理難度越來越大。隨著仿真模擬數字技術的不斷發展，應用仿真模擬技術構建通風仿真系統，實現礦井通風系統的可視化、智能化管控已經成為一種趨勢［2］。

本研究以金川三礦區東部貧礦大型多風井通風系統建設為工程實例，應用MVSS 軟件構建仿真模擬系統，進行投產期系統仿真模擬預測和系統優化實踐。

1 金川三礦區通風系統簡介

東部貧礦為金川三礦區改擴建項目。東部貧礦開采工程采用機械化盤區下向分層水平進路膠結充填采礦法，設計年產250 萬t，基建工程量61 萬m3，主要建設項目包括回風井、進風井、52 行副井與輔助斜坡道、50 行主井與下料井、1 350、1 250 m 水平運輸平面、1 438 m 分段工程、1 330 m 分段工程、主溜井工程、150 m3/h 充填系統、地表鍋爐房、地表礦石堆場以及新建道路等。

東部貧礦開采工程建成后，三礦區通風系統形成多風井分區通風網絡：F17以西通風系統、F17以東通風系統和東部貧礦通風系統，前兩部分通風系統形成并聯通風網絡。其中F17以西和F17以東，1 182.5 m以下部分已經形成生產規模，具備完整的通風系統；F17 以東1 182.5 m 以上為東部貧礦新建礦山部分，為新設計建設系統。

（1）F17 以西通風系統。F17 以西礦山采用44 行主井回風，36 行措施井和斜坡道進風，為地表抽出式通風模式。新鮮風流經36 行措施井、主斜坡道進入采場，洗刷工作面后，污風通過脈內預留的充填回風井、1 450～1 350 m 回風井、1 350 m 總回風道，經44行東主井完成外排。

（2）F17 以東通風系統。46 行副井進風，依次經1 150 m、1 050 m 石門巷道、東西人行通風井、分段道、各盤區分層聯絡道進入采場，洗刷工作面后經充填回風井回至1 150 m 水平回風副中段，1 150～1 200 m、1 200～1 250 m 接力回風井，1 250 m 總回風道，經44行東主井外排。

（3）東部貧礦通風系統。該新建區域采用抽壓混合式進行通風，新建52 行副井、進風井、斜坡道進風，主回風風機基站安裝于新建回風井井口，負責將全礦污風抽至地表。

東部貧礦通風系統建成后，三礦區將形成46行、36 行、52 行、東貧進風井、50 行豎井進風，44 行、主回風井回風，F17 以西、F17 以東、東部貧礦三區相對獨立又相互聯通的復雜大型多風井分區通風系統，礦井通風系統愈加復雜，通風調節和管理難度加大，通風系統架構決策亟需高新技術的支持。三礦區通風系統簡圖如圖1所示。

2 通風仿真系統構建

2.1 MVSS軟件簡介

通風仿真模擬軟件采用遼寧工程技術大學開發的MVSS 系統，它在金川礦山得到了推廣，可視化仿真應用廣泛，該系統在金川礦山技術應用成熟，獲得了廣泛認可。MVSS 系統能夠支持礦井中的風流仿真，并能夠實現風流的按需仿真、反風模擬、模擬新掘和報廢巷道、模擬構筑物增減、模擬風機增減和移位，另外還能對礦井的巷道斷面和長度的動態改變進行仿真，支持礦井巷道風速分布評價、通風系統最大通風能力分析、通風網絡角聯結構分析等功能[3-5]。

2.2 仿真系統模擬

將三礦區AutoCAD 平臺上的通風系統圖在風路圖層下描繪成單線圖，將其另存為DXF 格式選擇保存路徑后以“三礦區描圖”命名。運行MVSS，點擊“新建”工具欄，在繪制類菜單中選擇“（DXF）文件生成系統圖”，在文件對話框中選擇“三礦區描圖.DXF”，自動生成三礦區通風仿真系統。

2.3 屬性數據錄入

數據是其構建仿真系統關鍵基礎。在對通風系統進行詳細的數據普查統計的基礎上，錄入的主要數據涵蓋了風機、各類構筑物、巷道以及節點等。巷道數據還涉及到支護類型、巷道長度、密度、風量、風速等。節點數據可外延大氣壓力、坐標等擴充數據。

3 東部貧礦投產初期通風方案模擬

東部貧礦投產初期三礦區產能預計將達到210萬t，其中F17 以西35 萬t/a，F17 以東120 萬t/a，東部貧礦首采分層55 萬t/a。分別按照排塵所需風量、排塵風速所需風量以及柴油設備作業機械臺數每千瓦每分鐘4 m3風量驗算需風量，產能210 萬t 時設計選取礦井最大總通風量為268 m3/s，萬噸耗風量指標為1.27 m3/s。參照金川公司其他兄弟礦山，產能達430×104t/a 的特大型礦山，總通風量為520 m3/s，萬噸耗風量指標為1.21 m3/s，該指標選用合理。

3.1 通風方式和通風方法

東部貧礦投產后，礦區大體分為3 個主采區即F17 以西采區、F17 以東1 182.5 m 以上采區、F17 以東1 182.5 m 以下采區，年產將超300 萬t，礦區整體形成相對獨立又相互聯通的復雜大型多風井分區通風系統。分區通風具有風路短、阻力小、便于管理等優點，結合三礦區生產實際情況，新建回風井風機能力較大，東主井風機工作能力相對不足，實現分區通風后可改善F17 以西、F17 以東1 182.5 m 以下采區的通風狀況。3個采區的通風網絡分別如下。

（1）F17 以西：新鮮風流→36 行措施井→斜坡道→分段聯絡道→分段道→分層聯絡道→分層道→工作面→脈內預留回風小井→回風副中段→1 350 m回風沿脈道→新建回風井→地表。

（2）F17 以東1 182.5 m 以上（東部貧礦部分）：新鮮風流→52 行副井→分段聯絡道→分段道→分層聯絡道→分層道→工作面→脈內預留回風天井→回風副中段→新建回風井→地表。

（3）F17 以東1 182.5 m 以下：新鮮風流→46 及52行副井→1 050 m 石門運輸道→1 050 m 沿脈運輸道→通風行人井→分段道→分層聯絡道→分層道→工作面→脈內預留回風天井→回風副中段→接力回風井→1 250 m總回風道→44行主井→地表。

3.2 風量分配及調節

東部貧礦投產后，44 行主井主要擔負F17 以東1 182.5 m以下采區約100 m3/s的風量需求，考慮到44行提升主井作為回風井，因提升卷揚機影響而無法進行有效密封，井塔漏風量較嚴重，繼續保持主扇目前的高頻率運轉。新建回風井主扇應在較低頻率下運轉。根據回采計劃要求，按采礦盤區、掘進工作面及獨立硐室等所需風量，利用礦井通風仿真系統進行風量分配模擬，在需要控制風流的地點設置風門、調節風窗、空氣幕、密閉墻等模擬構筑物進行調節，按需分風模擬后各主要風流流經巷道風量如表1 所示。模擬通風構筑物調整情況如表2所示，通風動力裝置運轉情況如表3所示。

4 通風系統調整優化及分析

4.1 模擬調整優化

利用三礦區MVSS 系統仿真分析建議，同時結合現場實際，對通風系統進行系統調整優化。

（1）回風井主扇選型及安裝投運。利用仿真系統模擬數據，綜合考慮困難期和容易期系統需求，主扇選擇ANN-2968/1400C 型動葉可調軸流風機，投運后，整體通風系統總風量得到了明顯提升，主要用風點風量和模擬情況下基本一致，仿真系統可靠性得到了驗證。

（2）調整局扇，避免局部風流紊亂。利用通風仿真系統對各風機的開停、移位及相應構筑物匹配做了模擬分析，按照最優方案在現場進行局扇風機開停實測，最終新增1臺、移位1臺、關停3臺，配合風門的安裝調配，解決了局部風流紊亂問題。

（3）調整東貧1 250，1 350，1 450 m 回風副中段構筑物。利用仿真系統模擬分析，對3 個副中段安裝的風門進行了增減、移位，先后拆除4 個風門，移位或新增5 個風門，經調整之后，1 350 m 中段、1 250 m 中段、1 350 m 副中段、1 450 m 副中段均能夠達到理論要求，取得了顯著效果。

4.2 系統關鍵指標分析

對系統進行調整優化后，對通風系統各指標進行計算分析。

（1）有效風量率。各需風點有效風量值和為274 m3/s，回風井回風量362.45 m3/s，有效風量率ηu=75.6%，符合要求。

（2）供需比?；仫L井回風量風量362.45 m3/s，設計礦井總需風量330.86 m3/s，因此供需比為β=1.1，符合要求。

（3）三區阻力分布。風機投運后三礦區東貧礦進風段、用風段、回風段阻力占比分別為10.2%、26.1%、63.7%。三區阻力分布合理，通風管理難度較小。三區阻力分布阻力分布數據統計如表4 所示。

5 結語

（1）以系統參數測量、普查、分析、整理為基礎，應用遼寧工程技術大學MVSS 軟件開發的金川三礦區通風仿真模擬系統，能有效實現礦井通風數據處理、基本人機交互及動態過程模擬，初步實現通風系統可視化、智能化管控。

（2）應用礦井通風仿真系統對新建礦井通風系統進行模擬分析，可對大型多風井礦井通風系統新增主扇風機選型及投運參數決策、通風構筑物及通風動力裝置配置提供量化數據，有利于提高礦井通風系統建設質量。

（3）應用仿真系統對礦井通風系統存在問題進行分析，對整改措施進行數據模擬，可有效改進通風系統管理水平，為礦井通風困難期管理決策提供技術支撐。