深部礦井通風系統調試優化方案與數值模擬分析

姚銀佩

(長沙礦冶研究院有限責任公司)

某礦山由淺部開采逐漸進入深部開采，隨著開采深度不斷加大，采礦技術條件發生變化，需要采取相應的完善改進措施，及時對通風系統網絡進行調節和優化，改善通風效果，滿足礦山深部安全生產要求[1]。特別是礦山淺部工程結束轉入深部工程的階段性生產轉變，通風線路延伸，阻力增大；礦山開采技術條件變化，風網復雜程度增加；主扇設備仍處于礦山開采前期的設計狀態，葉片安裝角度小，裝置效率低，設備能力不足等。因此，在礦山轉入深部工程后，要對礦井通風系統進行檢測，進行必要的通風系統整體調試和優化，發揮礦井通風系統的潛力，選出一個投入少、效果好、周期短的優化方案，理順通風系統網絡，調整通風系統能力，確保滿足礦井安全生產的需要。

1 工程背景

該地下開采礦山采用斜井開拓，主斜井和回風斜井(平硐)2個井筒通達地表，采礦方法為淺孔留礦采礦法，目前主要開拓中段為130 m、80 m、50 m、30 m中段，130 m中段為主要礦石運輸中段，80 m、50 m中段為生產中段，30 m中段為探礦中段。根據礦山工程設計，礦山設計生產規模為7.0萬t/a，深部通風系統為兩翼對角地表抽出通風方式，通風系統設計風量為28 m3/s，系統阻力550 Pa，主扇型號為K40-6No.15。淺部中段作業結束后，轉入深部工程開采，出現了井下風流風向紊亂，污風串聯嚴重，污風難以及時排出等問題。為此，有必要進行礦山井下通風現狀調查及檢測，總結井下通風系統存在的問題，進行相應的通風風路調試與系統優化，以滿足礦山井下生產通風需求，確保安全生產。

2 通風系統現場檢測與問題分析

2.1 通風系統風量檢測與分析

對通風系統主要節點風量進行現場實測，結果見表1。經分析可得出下列問題[2]:

表1 通風系統主要節點參數測定結果

1)通風系統總進風量為20.64 m3/s，總回風量為22.16 m3/s，系統進回風量基本平衡，但目前的風量未達到通風系統設計的風量。

2)二級斜井反向風流為80 m中段風流進入二級斜井，說明80 m中段風路控制設施不到位，造成污風串聯，也反映了通風網絡不完善。

3)130～170 m回風斜井回風量為16.70 m3/s，比地表回風口回風量小5.46 m3/s，說明315 m至130 m回風段存在漏風，漏風量為5.46 m3/s。若通風系統風量增加，則會進一步增大漏風量，需要查找漏風點并及時封堵。

2.2 主扇風機運轉工況檢測與分析

根據對通風系統主扇運轉工況的試驗與檢測，其檢測值見表2，葉片安裝角度32°時，風機風量為22.16 m3/s，壓力786 Pa；葉片安裝角度>32°時，風機風量為24.10 m3/s，壓力795 Pa。說明增加葉片安裝角度，風機風量和壓力增加不明顯，風機已經發揮最大能力，但電流由60 A增大到80 A，風機運轉功率增加，而風機運轉效率降低，僅為52.85 %。所以，當前主扇風量不能滿足通風系統需求，主扇葉片角度已經為最大安裝角度，風量和壓力基本達到了主扇的最大能力，增加葉片安裝角度，不能提高能力，效率反而降低。

表2 主扇運轉工況參數測定結果

3 風路調試與優化技術方案

3.1 查找封堵漏風點

礦山上部回風線路為利用淺部開采結束中段斜井回風，與淺部中段貫穿點比較多，需要逐一排查。采取砌墻方式封堵漏風點，采用水泥砂漿抹面，并做好回風巷道的疏通和維護工作，保證通風線路暢通[3-4]。

3.2 并聯回風線路

通風系統總線路阻力大，主要原因為主回風平硐巖體比較破碎，后期采用砌碹支護，造成過風斷面減小，增加了阻力；上部主回風線路(標高315～170 m)采用斜井(1#回風斜井、2#回風斜井)回風，通風線路比較長(>400 m)，增大了阻力。

考慮主回風平硐巖性差，刷大斷面支護費用高，工期長等問題，結合現場具體條件，采取上部主回風斜井并聯回風天井降阻的方式[5-6]，具體是在315～170 m中段查找、疏通或新掘錯位回風天井，即315～290 m回風天井、290～250 m回風天井、250～210 m回風天井、210～170 m回風天井，與1#回風斜井、2#回風斜井并聯回風，降低通風系統線路阻力。

3.3 主扇風機優化選型

當前主扇能力難以滿足生產通風需求，必須提高通風系統能力，增加系統風量，可采取以下幾個方案：

1)新購主扇風機。根據礦山井下實際情況，推薦主扇型號為K45-6No.15，其性能參數為：風量29.4～55.7 m3/s，風壓1 101～574 Pa。

2)改造現有的主扇風機。改造后主扇和上述新購風機型號和能力相同。

3)采用串聯主扇通風方式。在130 m回風斜井口串聯1臺30 kW風機，分段克服井下阻力。

4)采用并聯主扇通風方式。在315 m回風平硐一側通地表聯巷處并聯1臺30 kW風機，共同克服井下阻力。

串聯或并聯主扇總裝機功率較大，且安裝施工較為復雜，主扇數量多，通風系統穩定性差；新購或改造主扇方式總裝機功率較小，但新購主扇風機費用較高，并且需要拆除現有風機，安裝新風機，砌筑風機風墻構筑設施。因現有主扇型號K40-6No.15和新主扇型號K45-6No.15為同一機號，所以只需購置風機輪轂、葉片、電動機及底座，在現有風機基礎上直接安裝改造即可滿足要求，無需土建和構筑設施的施工，技術可靠，經濟性好，施工簡單。通過4種方式比較，優先選擇主扇改造方式。

3.4 北部回風輔扇風機選型

礦山深部回風分為南、北兩翼回風，北翼回風通過130 m中段回風巷道與南翼回風系統匯合進入上部回風系統。為平衡兩翼回風系統的阻力，在130 m中段回風巷道安裝輔扇風機增強北翼回風能力[7]。根據風量分配和兩翼阻力差值，推薦輔扇型號為K40-6No.11，其性能參數為：風量7.7～16.7 m3/s，風壓429～93 Pa。

3.5 通風系統優化方案

通過上述通風系統線路調試和優化，礦山通風系統仍為兩翼對角地表抽出通風方式，由主斜井進風，二級斜井和三級斜井進入井下各中段，深部采用南、北兩翼回風方式，北翼回風通過130 m中段回風巷道與南翼回風系統匯合進入上部回風系統，在130 m中段回風巷道增加輔扇K40-6No.11,調節兩翼回風阻力平衡性，上部回風系統采用1#回風斜井、2#回風斜井與淺部中段錯位回風天井并聯方式回風至315 m回風巷道，再由315 m回風平硐口主扇K45-6No.15排出地表。優化后的通風系統網絡示意圖見圖1。

圖1 通風系統網絡示意圖

4 井下通風系統Ventsim數值模擬

4.1 通風系統Ventsim三維模型建立

通風系統Ventsim三維模型建立方法，將各中段CAD圖形中的實測巷道以中線方式保存為dxf格式，再以實體方式導入Ventsim軟件系統中，連接上下中段間井筒，然后設置井巷參數、風機及風門、風窗、風墻等通風構筑設備設施等，形成三維通風系統立體模型[8]。按照上述方式建立的井下通風系統優化方案Ventsim三維仿真模型見圖2。

圖2 通風系統優化方案Ventsim三維仿真模型

4.2 通風系統Ventsim仿真模擬結果

依據通風系統優化方案，315 m中段回風平硐口安裝1臺主扇，型號為K45-6No.15，葉片安裝角度為35°；130 m中段回風巷道安裝1臺輔扇，型號為K40-6No.11，葉片安裝角度為26°。在Ventsim通風系統仿真模型中設置相應型號風機，并模擬運行，主要進、回風井口的風量模擬結果見表3，風機的運轉模擬參數見表4，風機運轉工況點見圖3。

圖3 風機特性曲線與運轉工況點圖

表3 通風系統仿真模擬進、回風風量統計

表4 通風系統仿真模擬風機運轉參數

4.3 仿真模擬結果分析

1)通風系統總進風量為29.7 m3/s，總回風量為30.3 m3/s，滿足通風系統設計風量要求。

2)通風系統主扇風機葉片安裝角度35°時的運轉工況點為風量30.3 m3/s，風壓943.2 Pa，風機運轉效率為80 %，滿足通風系統能力需求，并且留有可調節的空間。

3)通風系統輔扇風機葉片安裝角度26°時的運轉工況點為風量13.7 m3/s，風壓205.8 Pa，風機運轉效率為80 %，滿足通風系統兩翼平衡阻力的要求，并且留有可調節的空間。

4)系統回風量由22.16 m3/s增加到30.3 m3/s，增率為36.7 %；礦井總阻力由786 Pa增加到943.2 Pa，增率為20.0 %，阻力的增率是風量增率的54 %。根據風量與阻力的關系，可以看出并聯線路后阻力降低相對明顯。

5 工程應用效果

礦井通風系統優化方案現場施工完成后，對主、輔風機運轉工況參數進行測定，主要測量工具為熱敏式風速儀、精密數字壓差計等。經現場檢測，主扇風機實際運轉工況為風量30.8 m3/s，風壓990 Pa，風機運轉效率為70.45 %；輔扇風機實際運轉工況為風量14.3 m3/s，風壓198 Pa，風機運轉效率為70.57 %(見表5)。測定數據與設計及模擬數據相吻合，可以滿足生產作業用風量需求。

表5 主輔扇風機實際運轉工況參數

6 結 論

通過對礦山通風系統現狀的調查與數據檢測，分析出井下通風系統進回風線路風量、阻力、主扇參數等存在的問題，提出調試優化方案。利用Ventsim軟件平臺構建了礦山三維通風網絡模型，驗證了方案可行性。工程實施后對風機運行工況參數檢測顯示滿足設計生產要求。

1)在上部回風系統查找封堵漏風點的基礎上，利用錯位天井形成并聯回風線路，有效降低礦井通風阻力。

2)在現有主扇風機K40-6No.15基礎上，改造成優化選型風機K45-6No.15，可以滿足通風系統能力需求。

3)130 m中段回風巷道安裝輔扇風機K40-6No.11，可以達到平衡南、北兩翼回風線路阻力的目的。

4)調試優化方案投資少，工期短，供風量達到礦井通風生產的需要，可為類似礦井通風系統優化改造提供參考。