礦井通風系統優化設計與應用分析

趙永波

（赤峰柴胡欄子黃金礦業有限公司，內蒙古 赤峰 024039）

礦井通風是礦井安全生產的重要組成部分，合理、穩定、可靠的礦井通風系統是礦井安全生產的基礎。隨著礦井深度和強度的增加，機械化復雜程度增加，井下壓力、有害氣體含量和產氣量增加。同時，礦井的通風管線長、通風阻力大、地溫升高，顯著增加了礦井的空氣需求。為此，必須及時調整金礦礦井的通風系統以滿足要求，安全生產要求，礦井通風系統需要優化改造。

1 礦井通風系統優化存在的問題及目的

礦井通風系統是一個受多種因素限制的線性和非線性復雜系統，通風系統優化是一個定性與定量相結合的系統。礦山規模越來越大，特別是隨著礦山深度和寬度的增加，礦山通風系統的規模也越來越大，復雜性也隨之增加。因此，要對所研究的金礦礦井通風系統進行科學分析尤為重要。將礦井通風系統分離成通風網絡進行計算分析是研究礦井通風的重要方法。

本文旨在通過優化礦山通風系統，解決金礦礦井開采中原有通風系統中存在的順序通風問題、通風構筑物不完善、漏風嚴重及污風滯留等問題和對擴建工程通風系統進行優化選擇，建立合理完善的通風系統網絡。通過運籌學分析，建立優化模型，將復雜的非線性問題轉化為簡單的線性問題進行優化研究，并構建了礦井通風系統評價指標體系，在此基礎上對優化方案進行合理性評價，其目的在于滿足金礦礦山安全生產和使通風費用最小，為礦山選出最優通風方案。

2 礦井通風系統優化研究概述

2.1 通風系統改造的基本要求

礦井中的通風系統的設置需要考慮到多個方面，而從礦井通風系統的整體結構來說，我們可以把礦井通風系統分為兩個部分。這兩個部分主要是礦井的通風機裝置和礦井的風網裝置，這兩個并不能混為一談，在他們兩者之間反而有著明顯的界限，而兩者之間的交界點就是風硐中測壓管的位置安裝問題。通風系統的優化與設計的主要目的就是提高風機的運行效率，而在改造過程中要從不同的條件，不同的角度來考慮，通過采用綜合治理的方式來提高通風系統的適用性。但是在改造過程中，礦井設計人員一定要從離心式風機的調速，通風機的安裝質量來選擇一個適合整個礦井工作正常開展的電機設備，從而有效地降低礦井外部漏風現象，從而保證能夠向礦井中輸送充足的氧氣。

2.2 礦井優化需要遵循的原則

礦井的風網是礦井優化設計中一個非常重要的部分，它不僅是礦井風流的通道，同時也是通風機能量存在的重要場所。在礦井風網的優化設計中，我們需要根據以下幾個方面來進行具體的設計。首先我們需要將風網設計得更加便捷，這樣就可以保證風的流速能夠保持一個比較穩定的狀態，而且對于一些比較老舊的礦井來說，如果及時地關閉一些廢棄的巷道和工作面，就可以減少漏風量。而如果想要通過減少設施的數量來有效地降低通風的阻力，就可以在生產風區的規劃以及總體規劃上來采取一個合理的措施，從而保證各個生產區能夠保持一個相當的通風阻力平衡。除此之外，我們還需要在這個基礎上來達到礦井的回風阻力、用風、進風這三個方面達到一個合適的比例。在調適通風系統時，還可以適當得增加一些并聯風路，而且還可以通過開鑿新的礦井巷來制定出可以縮短風流的相關流程。雖然這些措施都可以優化通風系統，但是設計人員一定要注意的是，在進行設計時一定要嚴格遵循礦井需要供風的原則。

通風構筑物的優化設計不能過于追求完美，而是要遵循適度的原則。通風構筑物的設計會隨著礦井通風系統中構筑物時空的變化而發生變化，特別是風網的變化主要是受通風構筑物數量變化的影響，這會對通風系統的參數帶來較大的影響。從這個角度考慮來說，構筑物的設計和優化會直接影響到風量的分配和風流的控制方面，這就要求設計人員在實際的設計過程中要相應的減少構筑物的數量，通過把數量控制在合理范圍之內，從而降低漏風現象的發生。如果構筑物數量過多，就會導致風流失去控制，帶來更大的安全問題。除此之外，設計人員在對通風系統進行優化設計時還需要考慮到相關的法律法規，一定要嚴格遵循監督部門的要求，保證礦井通風系統的正常運轉。而且，構筑物的位置選擇也具有一定的技巧，設計人員一定要從礦井的地址條件等多個角度思考，從而設計出科學合理的通風系統。

3 礦井通風系統應用分析策略

3.1 階段通風網路優化

該礦的通風網絡相對復雜。為降低風阻、堵漏風、縮短回風管長度，加強了礦井通風系統，及時修復井下巷道，清除巷道內泥沙，降低風阻。沿封閉道路未封閉的舊路障和廢棄道路，以減少空氣泄漏。在發展的中后期，通風系統不再像早期那么簡單。隨著車行道通行點的增加，串聯、并聯和串并聯的增加，金礦運輸通道失效，車行道斷面出現變大，分叉等情況，通風網絡逐漸變得復雜，這是由于通風阻力增加。更多的荒地、下沉、更多的碎片和受損的地雷、密封不良和通風增加導致嚴重的空氣泄漏。

隨著金礦礦山開采的收尾，要加快老區收縮，簡化生產系統，及時關閉礦山、地表下沉區、廢棄和損壞的井筒等發生漏風和側向氣流的地方。簡化和優化通風系統并確保通風系統暢通無阻是通風應始終遵循的原則。調整各中段及各工作面的風量，增加工作面環境的有效風量和充分合格，加強通風控制，在回風接觸等適當位置安裝風門、調節風機等每個中間部分的路徑和障礙。為避免廢水串聯和氣流短路，回風中部124m以上的污水系統巷道及與集水池相連的豎井均封閉，保證高效送風.深入每個工作面的體積，改善地下工作面的空氣狀況。

3.2 通風系統優化的數學模型

礦井通風系統一般不能直接通過自然分風就能滿足各個需風點的要求，必須借助輔扇、通風構筑物的調節，而且調節方案肯定也不是唯一的。通風網絡優化的思想即在多種調節方案中尋找最合理最經濟的方案，包括風量分配的最優化與調節措施的最優化。在保證安全生產的前提下，一個理想的通風系統，應該既能滿足風量的合理分配，又能滿足預先確定的能量消耗和通風費用最小的目標。

通風系統網絡主要可以分成三種∶自然分風網絡、控制型分風網絡和一般型分風網絡。自然分風網絡即在自然通風狀態下對整個礦井進行通風，不加任何調節設施，不消耗任何動力與能量，但是礦井通風系統一般不能直接通過自然分風就能滿足各個需風點的要求，必須通過輔扇、通風構筑物的調節，調節方案肯定也不是唯一的，在多種調節方案中尋找最合理最經濟的方案，就是通風網絡優化的目的。

礦井空氣流動的基本理論是研究礦井空氣宏觀力學參數變化規律和能力轉換關系的重要依據。在礦井通風中的動力有自然風壓和機械風壓，并在通風動力作用下風流流動和變化遵循一定規律。地面大氣從進風井進入礦井，流經各條風道、用風點等，最后由出風井排出地表。在理想狀態下，假定礦井通風系統中的空氣密度不變、無漏風、忽略空氣中水蒸汽等變化，則進入礦井的空氣總量應該等于排出總量，即遵循質量守恒定律。風流在流動的過程中，受到風道阻力，自然風壓和機械風壓克服阻力的整個過程，使風流繼續遵守能量守恒定律，根據熱力學第一定律和能量守恒定律，結合礦井氣流特性，推導出礦井氣流能量方程。

3.3 礦井通風系統評價指標體系建立

礦井通風系統是一個復雜的系統。對礦井通風系統的評價需要選擇合理的評價方法和合適的評價指標。評級過低，無助于通風系統的功能優勢，評級過高易導致技術方案錯誤和管理不善，因此，選擇合理、規范的評級值在通風系統的綜合評估中非常重要。本文基于層次分析決策法，并借助單相關系數法來建立礦井通風系統評價指標。

礦井通風系統評價指標體系建立的技術路線為∶首先，使用層次分析法（AHP）建立指標體系，輸入適當的指標，并創建分層定價結構。然后，層次分析法創建的分層結構采用單一相關系數法來檢驗各個層次的指標。選擇的最后一個指標是要創建的用于評估礦井通風系統的指標系統。

3.4 監測點的最優化布局理論

由于對采礦業的不斷關注和采礦業本身的不斷發展，通風技術的發展越來越密集，對通風系統的需求也越來越大，這直接影響了采礦業的運行。金礦礦山開采工作量的增加，尤其是基站多級通風系統的使用，使得通風系統的運行和通風系統的管理變得復雜。在這種情況下，需要利用計算機網絡技術或其他先進的生產技術來達到優化礦井通風系統設計的目的，以有效優化礦井作業的管理和控制，以及在優化過程中監測點的位置。要合理分析和分布監測點的位置和數量，確保監測點提供的信息能夠滿足通風系統正常運行的要求，真實反映通風系統在運行過程中的運行狀態。

4 通風系統優化后注意的問題

通風系統優化后還應注意如下問題。

（1）在安裝輔助風機的每個中心段安裝擋風板，并做好密封工作，以提高輔助風機的效率。

（2）隧道工作面采用局部風機通風，必須按規定設置帶局部風機的推入式和拉出式通風，將新風直接引導至工作平臺，方便臟物疏散。空氣和提高工作面通風效果。

（3）及時清除主油槽回風側壁造成的堵塞，并定期檢查維護，確保回風暢通。

（4）根據需要，安裝必要的通風結構，做好密封工作，加強結構管理，減少漏風。同時在回風道中上部設有調節窗，可根據需要的風量進行調節。

（5）對于長距離單頭開挖，多臺局部風機串聯，將新鮮空氣引向工作面，抽取臟風，或在巷道上安裝縱向風障，阻擋進風和回風，保證風速和風量速度工作面，風量符合要求。

（6）規劃井下工作施工的布局，并使用后退式來定位的工作地點。在空間關系上，在多個中間段操作時，保證上中工作面在下中工作面之前，依次減少污染。

5 總結

礦井通風網絡理論是礦井通風理論的重要組成部分，將礦井通風系統簡單轉換為通風網絡，用于計算和分析風網，是研究礦井通風優化的重要工具。這種描述方法，使得運籌學理論可以運用與礦井通風系統的分析和設計中去，建立通風系統評價指標，對優化方案進行評價分析。