基于Ventsim的礦井通風系統優化及應用

聶軍 陳新

摘要：隨著淺部資源開采殆盡，高峰礦業公司已由淺部轉入深部開采。以高峰礦業公司通風系統為研究背景，在實地調研和全面勘測其通風系統的基礎上，有針對性地提出了“三進兩回”通風系統優化方案，并基于Ventsim仿真模擬軟件對通風優化方案進行模擬分析。結果表明：“三進兩回”通風系統優化方案能達到優化設計要求，礦井進風量明顯提高，回風量由59 m3/s增大到79 m3/s，風機運行效率達79.2 %，優化效果較好，可作為高峰礦業公司通風系統優化的基礎方案。

關鍵詞：深井開采;Ventsim軟件;仿真模擬;通風系統;通風網絡

中圖分類號：TD724文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2021）05-0029-06?? doi：10.11792/hj20210506

引 言

礦井通風優化研究是通風管理工作和礦井設計過程中的一項重要任務和內容，建立一個滿足生產要求的合理通風系統，是井下生產安全、提高經濟效益的有效保障。礦井通風系統優化要能夠達到改善井下作業環境，提高通風系統的有效性，節能、經濟的目的[1-2]。

廣西華錫集團高峰礦業有限責任公司（下稱“高峰礦業公司”）自1990年開始主要開采-79 m標高以上的100號礦體、1號礦體和100-1、100-2等礦體，其中100號礦體為主采礦體。經過多年生產和建設，現已形成斜井-豎井聯合開拓方式，采用機械化上向水平分層充填采礦法開采，采、選生產能力已達1 000 t/d。

由于淺部資源已經枯竭，目前高峰礦業公司開始轉入深部開采，開采深度達723.5 m，主采礦體為105號礦體。根據105號礦體現狀調查的各民窿井巷分布情況，結合現有開拓系統，綜合分析現有民采井巷與100號礦體開采系統的關系，以盡量利用已有工程為原則，將可利用工程與現有系統進行有機結合，減少105號礦體開發的基建工程量，加快開發進程。同時，為充分利用礦山已實施的詳查工程，向下延伸開拓105號礦體，新形成的開拓系統與上部現有的100號礦體開采系統進行合理銜接，共同完成105號礦體開采的接力提升任務。目前礦區生產提升由主提升系統、副提升系統聯合完成，提升能力尚有富余。

高峰礦業公司作為一個歷史悠久的礦山企業，井下通風系統十分雜亂，而且由于民采盜采猖獗，造成系統漏風、短路，成為井下安全生產的瓶頸問題。由于通風效果差，井下眾多主要巷道溫度超過了30 ℃，部分巷道溫度甚至達到33 ℃以上，工人長期在高溫環境下作業，對身心健康和高效生產都有極大的影響。因此，有必要對高峰礦業公司的井下通風系統進行全面的分析和優化，采用成熟的理論分析和先進的計算機通風軟件模擬等手段，優化通風系統，科學合理地布局全新的、安全穩定的井下通風網絡。

1 通風系統優化原則

1）從礦山具體條件出發，根據礦井開拓方式、采礦方法、礦井生產能力和礦區地形地貌等因素，確定合理的通風系統。

2）減少礦井內部漏風、提高有效風量率、形成完整的中段通風網絡和采場通風網絡是建立完善的礦井通風系統的重要措施。

3）在保證正常、良好通風效果的前提下，盡量降低通風費用。通風系統以不開拓通達地表的新進風井和回風井為宜，盡量利用現有的通風井巷，以減少專用通風井巷的工程量和工程費用。

4）由于主井運輸、行人頻繁，進風很難控制，進風路線較長，造成風流到達深部時溫度已經變高，風流質量受到一定污染。因此，設計將主井進風作為輔助進風系統，深部中段依靠專用進風斜井進風，以滿足深部生產通風降溫需求。

5）實行機械通風，遇礦井火災等災害時實現反風，設計使用新一代高效節能通風機械設備。

6）根據礦山氣候條件變化和自然通風規律，充分利用自然通風的有效作用，控制自然通風的有害影響。

7）礦井通風系統運行穩定可靠，管理方便。

2 通風系統優化方案

根據高峰礦業公司通風系統的實際工程條件，確定其通風系統的優化方案為“三進兩回”，即豎井+主斜井、田角鋅窿、下拉甲窿為進風井，其中下拉甲窿設計為深部專用主進風井;黃瓜洞回風斜井、恒源窿為回風井，各用風中段回風巷末端安裝風機作為一級機站回風。原100號回風系統50 m、250 m和450 m風機站分別作為二級機站、三級機站和四級機站回風。恒源窿回風斜井為深部回風井，118 m回風中段安裝主扇進行抽出式回風?；仫L方面可大致分為2個相對獨立的回風系統。通風系統優化方案風路如圖1所示。

系統進風路線：①新鮮風流→豎井+主斜井→盲斜井+主斜坡道→3#、4#和11#盲斜井→5#、6#、7#盲斜井→中段平巷→工作面。②新鮮風流→田角鋅窿→-60 m中段→5#、6#、7#盲斜井→中段平巷→工作面。③新鮮風流→516 m平窿→盲斜井→191 m水平盲斜井→-21 m中段→-50 m 1#盲斜井、-22～-166 m盲斜井、-103 m 1#盲斜井和-166～-200 m盲斜井→中段平巷→工作面。

系統回風路線：①污風→回風斜井→-103 m主回風巷→-100～205 m回風斜井（原龍山窿斜井）→回風天井→回風斜井（250～450 m）→450 m回風平巷→黃瓜洞回風斜井→地表。②污風→南、北回風立井→-100 m北回風巷→-110～118 m回風斜井→118 m回風機站→2#、3#回風斜井→恒源窿回風巷→地表。

3 Ventsim仿真模擬及分析

從20世紀中葉開始國內外眾多科研工作者對于數字化礦井通風管理軟件進行了深入、持續研究，并取得了豐碩的科研成果。目前，應用較為流行的是澳大利亞Chasm公司開發的三維可視化礦井通風模擬軟件Ventsim。該軟件以其方便的建模，合理的風路模擬、風機選型，以及功能多樣的火災等災變模擬而得到廣泛應用。Ventsim仿真模擬軟件依據風量平衡定律等原理，采用Hardy-Cross迭代算法求解通風網絡，對變化復雜的礦井通風系統進行動態控制，建立通風系統模型[3]。

3.1 生產前期

封閉原華星窿回風斜井及與其相關的118 m風機站回風巷，防止發生污風循環。對-103 m北到118 m風機站回風斜井刷大斷面到11 m2，加大回風能力。其他回風系統不做調整。進風方面刷大下拉甲窿窿口及相關斜井斷面到11 m2，增大深部進風量。對模擬中出現的循環風流，通過密閉等方法解決，最終模擬達到預期效果，具體結果如表1所示。

礦井風阻特性曲線如圖2所示，模擬風機運行情況如表2所示。

分析優化結果可知：礦井總進風量為157.3 m3/s，相比原通風系統進風量118.5 m3/s有較大增加，并且接近礦井總需風量165.1 m3/s，同時下拉甲窿進風量達到70.7 m3/s，田角鋅窿進風量達到19.8 m3/s，深部總進風量達到90.5 m3/s，相比原通風系統深部進風量57.4 m3/s增大33.1 m3/s，深部總進風量增大較

多，能有效解決深部供風不足問題。風機數量減少，裝機總功率由原來的2 020 kW下降到1 410 kW，方便了風機管理，節約了通風電費。礦井總風阻為0.063 53 N·s2/m8，小于0.353 N·s2/m8。礦井總等積孔為4.72 m2，大于2 m2，礦井為通風容易礦井。

3.2 生產后期

在生產前期的基礎上對模型做出調整，增加創建-250 m～-400 m中段模型，延伸7#盲斜井至-400 m中段，增加-200 m～-400 m中段8#盲斜井為人行運輸斜井。在-103 m～-200 m中段南北走向巷道兩端設置風門或風墻，在中段進風口設置風門限制風流流量，以保證風流向深部輸送。污風由南北回風天井匯入上部回風中段，分別經黃瓜洞回風斜井及恒源窿回風斜井排出地表。對模擬中出現的循環風流，通過密閉等方法解決，最終模擬達到預期效果，具體結果如表3所示。

礦井風阻特性曲線如圖3所示，模擬風機運行情況如表4所示。

分析優化結果可知：礦井總進風量為160.7 m3/s，相比原通風系統進風量118.5 m3/s有較大增加，并且接近礦井總需風量165.1 m3/s，同時下拉甲窿進風量達到64.3 m3/s，田角鋅窿進風量達到26.4 m3/s，深部總進風量達到90.7 m3/s，相比原通風系統深部進風量57.4 m3/s增大33.3 m3/s，深部總進風量增大較多，能有效解決深部供風不足問題。風機數量減少，裝機總功率由原來的2 020 kW下降到1 590 kW，方便了風機管理，節約了通風電費。礦井總風阻為0.081 40 N·s2/m8，小于0.353 N·s2/m8。礦井總等積孔為4.17 m2，大于2 m2，礦井為通風容易礦井。

4 通風系統優化應用效果

基于Ventsim三維仿真模擬，通過對通風網絡的調整，在風流路線、通風構筑物、巷道風阻和風機等方面對高峰礦業公司通風系統進行了優化，礦井進風量得到顯著提高，在滿足淺部100號礦體用風需求的前提下，深部進風量增加，有效改善了深部作業面工作環境。

4.1 100號礦體

100號礦體通風網絡改造優化旨在滿足各中段用風需求的條件下將新鮮風流向深部輸送，盡量減少風流流經提升斜井，引導風流通過斜坡道、人行主巷和人行運輸斜井。本文僅以400 m中段為例展示優化應用效果。400 m中段原通風網絡如圖4所示，優化后通風網絡如圖5所示。

由圖4、圖5對比可知：經過通風系統優化，400 m中段總進風量由31.0 m3/s降為17.0 m3/s。將豎井馬頭門柵格門換為鋼制風門后，豎井進風由8.2 m3/s降為2.2 m3/s;2#盲斜井聯道新增鋼制風門后，1#和2#盲斜井總出風量由22.6 m3/s降為4.4 m3/s，斜坡道出風量由8.4 m3/s增加到12.5 m3/s。以上措施有效減少了400 m中段進風量，有利于富余風流向深部輸送，2#盲斜井進風量驟減，有效防止了風流被污染，斜坡道進風量得到增加。水泵房附近由于風機的錯誤安置，致使出現循環風現象，通過將風機反向，循環風消失。

4.2 主通風機

通風系統優化中恒源窿回風斜井為深部回風井，118 m回風中段安裝主扇進行抽出式回風?；仫L方面可大致分為2個相對獨立的回風系統，原100號回風系統不做大的改動，將118 m風機站多回風井、多風機并聯重新設計為少回風井、主扇抽出式回風。通風系統優化前后118 m風機站風機布置情況如圖6所示。

由圖6可知：118 m風機站原回風部共連接4條回風斜井，分別為連接恒源窿口的2#和3#回風斜井，連接華星窿口的1#和4#回風井。每條回風井分別安裝SD-No14（2×110 kW）型風機，由于4#風機長期處于關閉狀態，造成污風循環，存在安全隱患。通風系統優化方案采用主扇抽出式回風方式，為了減少多條民窿斜井漏風和難以管理的問題，決定優化回風路徑，對華星窿回風斜井進行密閉，采用恒源窿作為回風井;安裝DK45-6-No20（2×250 kW）型高風壓風機代替原布置風機;-60～118 m風機站1#回風斜井原過風斷面較小，造成風阻偏大，設計將其斷面積由8.4 m2擴大到11.3 m2，風阻由0.135 27 N·s2/m8降為0.067 87 N·s2/m8?；仫L量由原來的59 m3/s增大到79 m3/s，主扇全壓3 694.8 Pa，風機運行效率79.2 %，優化效果較好。118 m風機站主扇運行情況如圖7所示。

5 結 論

1）通過對高峰礦業公司通風系統進行全面勘測，針對通風系統存在的問題提出“三進兩回”通風系統優化方案：豎井+主斜井、田角鋅窿、下拉甲窿為進風井，其中下拉甲窿設計為深部專用主進風井;黃瓜洞回風斜井、恒源窿為回風井，各用風中段回風巷末端安裝風機作為一級機站回風。100號礦體回風系統50 m、250 m和450 m風機站分別作為二級機站、三級機站和四級機站回風。恒源窿回風斜井為深部回風井，118 m回風中段安裝主扇進行抽出式回風。

2）基于Ventsim通風系統仿真模擬軟件對高峰礦業公司通風系統優化方案進行模擬分析，結果表明該優化方案能達到優化設計要求，可作為高峰礦業公司通風系統優化的基礎方案。

[參考文獻]

[1] 聶軍，陳新，侯俊.基于Ventsim的礦井通風風量模擬研究[J].黃金，2019，40（2）：29-32.

[2] 樊曉明.礦井通風系統優化設計探討[J].科技致富向導，2014（6）：132.

[3] 馮福康，嚴鵬，王宜勇，等.海溝金礦采空區漏風調查及治理[J].黃金，2017，38（7）：26-29.

Optimization and application of mine ventilation system based on Ventsim

Nie Jun1，Chen Xin2

（1.China Nonferrous Metal Construction Co.，Ltd.;2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：With the depletion of shallow resources，Gaofeng mining company has transferred from shallow to deep mining.Taking the ventilation system of Gaofeng mining company as the research background，on the basis of field survey and comprehensive investigation on its ventilation system，the "three-in-two-return" ventilation system optimization scheme is put forward.The ventilation optimization scheme is simulated and analyzed based on the Ventsim simulation software.The results show that the "three-in-two-return" ventilation system optimization scheme can meet the optimization design requirements，the intake air volume of the mine is obviously increased，the return air volume is increased from 59 m3/s to 79 m3/s，and the fan operation efficiency is up to 79.2 %.The optimization effect is good.The scheme can be used as the basic scheme for ventilation system optimization of Gaofeng mining company.

Keywords：deep mining;Ventsim software;analogue simulation;ventilation system;ventilation network

收稿日期：2020-10-10; 修回日期：2021-01-20

基金項目：“十三五”國家重點研發計劃項目（2017YFC0602902）;中南大學中央高校基本科研業務費專項資金（2016zzts096）

作者簡介：聶 軍（1988—），男，重慶人，工程師，碩士，從事采礦工藝研究工作;北京市朝陽區安定路10號中國有色大廈南樓1102，中國有色金屬建設股份有限公司，100029;E-mail：xfcycsu@126.com

通信作者，E-mail：chenxin_ck@csu.edu.cn，15116336263