基于Ventsim的獨(dú)頭掘進(jìn)面局部通風(fēng)技術(shù)研究

于 濤， 董國強(qiáng)， 陸宇超

（1. 山東國環(huán)固廢創(chuàng)新科技中心有限公司，山東 煙臺(tái) 265400； 2. 招金礦業(yè)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 265400； 3. 招金礦業(yè)股份有限公司大尹格莊金礦，山東 煙臺(tái) 265400）

國內(nèi)外對(duì)煤礦、 非煤礦山及隧道工程等獨(dú)頭掘進(jìn)局部通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究， 研究方向主要集中在局部通風(fēng)方式設(shè)計(jì)、 局扇和風(fēng)筒選型計(jì)算、 局部制冷降溫、 數(shù)值模擬等方面［1-3］。

在局部通風(fēng)方式設(shè)計(jì)方面， 焦志遠(yuǎn)等［1］在對(duì)轉(zhuǎn)龍灣煤礦掘進(jìn)面進(jìn)行6 種局部通風(fēng)方式分析比較后， 選擇了單巷單機(jī)通風(fēng)技術(shù)， 同時(shí)創(chuàng)新使用了拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)筒； 李雨成等［4］在對(duì)金川龍首礦原有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)了輔助斜坡道鉆孔通風(fēng)方案和風(fēng)庫中轉(zhuǎn)優(yōu)化方案， 工作面風(fēng)量提高了1 倍； 李海亮［5］對(duì)加設(shè)中轉(zhuǎn)風(fēng)室接力通風(fēng)延長巷道掘進(jìn)通風(fēng)距離的作業(yè)方法進(jìn)行了介紹， 并詳細(xì)論述了中轉(zhuǎn)風(fēng)室的施工工藝； 閆滿志等［6］通過對(duì)司家營田興鐵礦東北回風(fēng)井-375 m 水平沿脈巷和斜坡道盲掘兩個(gè)獨(dú)頭掘進(jìn)工作面通風(fēng)狀況進(jìn)行分析， 將原有通風(fēng)方式調(diào)整為分階段間隔抽壓混合式通風(fēng)系統(tǒng)， 并進(jìn)行了分析演算； 李新［7］結(jié)合某隧道施工項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)情況， 通過對(duì)壓入式、 抽出式、壓抽混合式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較， 選擇使用一站式壓入通風(fēng)方式， 通風(fēng)設(shè)備選用大直徑風(fēng)筒和多級(jí)隧道施工通風(fēng)機(jī)， 滿足了施工通風(fēng)需求。

在局扇和風(fēng)筒選型計(jì)算方面， 楊廷剛等［8］以排炮煙和排塵風(fēng)速核算干堰塘鍶礦掘進(jìn)面風(fēng)量， 根據(jù)局扇安設(shè)位置及風(fēng)筒參數(shù)計(jì)算通風(fēng)阻力， 對(duì)照風(fēng)量和通風(fēng)阻力來進(jìn)行局扇選型； 李浩蕩等［9］研究了大柳塔煤礦超長距離局部通風(fēng)的關(guān)鍵技術(shù)， 通過對(duì)局部通風(fēng)機(jī)采取合理選型、 減阻、 減漏等措施解決了通風(fēng)供需矛盾。

在局部制冷降溫方面， 羅勇東等［10］采用礦井空壓式制冷空調(diào)系統(tǒng)和雙層隔熱風(fēng)筒解決某硫鐵礦的高溫掘進(jìn)問題， 掘進(jìn)作業(yè)區(qū)風(fēng)流最高溫度由34.7 ℃降至26 ℃； 王明斌等［11］利用井下低溫涌水地質(zhì)特點(diǎn)及熱交換原理， 在三山島金礦設(shè)計(jì)了2套換熱系統(tǒng)和長距離送風(fēng)風(fēng)筒加移動(dòng)空冷器的送風(fēng)方式。

在數(shù)值模擬方面， 鄔長福等［12］利用Fluent軟件模擬了獨(dú)頭巷道風(fēng)筒出口距工作面不同距離時(shí)的風(fēng)流特性； 郭對(duì)明等［13］借助Fluent軟件構(gòu)建掘進(jìn)巷道三維模型， 優(yōu)選深井掘進(jìn)巷道的最佳局部通風(fēng)參數(shù)； 張瑞明［14］等運(yùn)用Comsol 對(duì)夏甸金礦-652 m水平掘進(jìn)巷道進(jìn)行通風(fēng)降溫試驗(yàn)?zāi)M， 分析掘進(jìn)巷道風(fēng)速與溫度的關(guān)聯(lián)性。

Ventsim 是一款通風(fēng)模擬軟件， 用于評(píng)估和優(yōu)化地下礦井、 地鐵隧道等空間的通風(fēng)系統(tǒng)。該軟件可以模擬關(guān)鍵參數(shù)， 如空氣流動(dòng)、 溫度分布和有害氣體擴(kuò)散， 具備風(fēng)網(wǎng)解算、 風(fēng)機(jī)選型、 熱模擬、污染物模擬、 火災(zāi)模擬、 經(jīng)濟(jì)性分析等功能， 能夠幫助用戶設(shè)計(jì)更安全、 高效的通風(fēng)方案。

Ventsim 具有直觀的界面和便捷的使用功能，支持多種圖形和數(shù)據(jù)輸出格式， 可方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和報(bào)告編制［15］。此外， Ventsim 超級(jí)版具備風(fēng)筒計(jì)算功能， 借助Ventsim 軟件風(fēng)筒計(jì)算器功能可實(shí)現(xiàn)風(fēng)筒和局扇的快速選型和匹配。風(fēng)筒計(jì)算器提供了6 種不同的選項(xiàng)： 風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒長度、 風(fēng)機(jī)與風(fēng)量、 功率與風(fēng)筒長度、 功率與風(fēng)量、 風(fēng)壓與風(fēng)筒長度、 風(fēng)量與風(fēng)筒長度。每種選項(xiàng)對(duì)應(yīng)不同類型數(shù)據(jù)輸入， 可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行模擬計(jì)算。特別是對(duì)于大型礦井來說， 由于掘進(jìn)工作面較多，通過合理設(shè)計(jì)， 降低能耗， 可以顯著減少礦井的運(yùn)行成本和能源消耗。大尹格莊金礦同時(shí)開采中段數(shù)量較多， 達(dá)8 個(gè)以上， 通風(fēng)系統(tǒng)較復(fù)雜， 目前最大開采深度約900 m， 最大開拓深度約1050 m， 長距離獨(dú)頭掘進(jìn)距離可達(dá)1000 m。為優(yōu)化礦井深部通風(fēng)系統(tǒng)， 借助Ventsim 軟件構(gòu)建了整體三維通風(fēng)模型， 可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案的模擬分析， 但在局部通風(fēng)管理方面較欠缺［15］。該礦獨(dú)頭掘進(jìn)局扇的配備主要有11 kW（1 臺(tái)）、 22 kW（1 臺(tái)）、 30 kW（1 臺(tái)）、 30 kW（2 臺(tái)）4 種方式。在具體型號(hào)選擇上沒有進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析， 在局部通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取， 大體劃分為3 類： 一是 100 m 以內(nèi)， 選取1 臺(tái)11 kW 軸流風(fēng)機(jī)并配備直徑為450 mm的風(fēng)筒； 二是 100~500 m， 選取1臺(tái)22 kW或1臺(tái)30 kW 軸流風(fēng)機(jī)并分別配備直徑為750 mm， 800 mm 的風(fēng)筒； 三是500 m 以上， 選取2 臺(tái)30 kW 軸流風(fēng)機(jī)并配備直徑800 mm 的風(fēng)筒。在礦井通風(fēng)管理上有必要對(duì)局部通風(fēng)管理進(jìn)行優(yōu)化， 形成配套的管理模式， 實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。

1 現(xiàn)有局扇及配套風(fēng)筒通風(fēng)能力分析

將礦山現(xiàn)有的4 種局扇風(fēng)機(jī)特性參數(shù)導(dǎo)入風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫， 利用風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒長度選項(xiàng)， 結(jié)合現(xiàn)有配套風(fēng)筒參數(shù)進(jìn)行輸送能力分析。輸入?yún)?shù)包括：風(fēng)機(jī)類型、 風(fēng)筒長度、 風(fēng)機(jī)效率、 風(fēng)筒名稱、 外形、 風(fēng)筒尺寸、 摩擦系數(shù)、 彎曲次數(shù)、 空氣密度、漏風(fēng)阻力、 風(fēng)筒狀況； 輸出結(jié)果包括： 風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率、 入口靜壓、 入口風(fēng)量、 出口風(fēng)量。傳統(tǒng)的風(fēng)筒漏風(fēng)情況用漏風(fēng)率表示， 在風(fēng)筒計(jì)算器中按漏風(fēng)孔隙大小表示， 漏風(fēng)孔隙間隔設(shè)置為100 m， 風(fēng)筒完整性大體分為極差、 平均、 優(yōu)秀， 不同類型風(fēng)筒對(duì)應(yīng)同等級(jí)漏風(fēng)情況時(shí)孔隙大小均有差別， 可根據(jù)風(fēng)筒維護(hù)及接頭情況調(diào)節(jié)數(shù)值范圍。該礦在-676 m 以上淺部開采工程中設(shè)計(jì)獨(dú)頭掘進(jìn)面需風(fēng)量為2.5 m3/s， 普通型局扇效率為90%， 對(duì)旋局扇效率為83%， 利用軟件的風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒長度功能， 可得到礦山現(xiàn)有局扇及配套風(fēng)筒在僅有1 個(gè)直角彎頭時(shí)能夠滿足淺部區(qū)域最低風(fēng)量要求的通風(fēng)距離的結(jié)論。結(jié)合表1 數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際直角彎頭數(shù)量可對(duì)現(xiàn)有選型經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整， 來進(jìn)一步降低通風(fēng)能耗。

表1 礦山現(xiàn)有局扇及配套風(fēng)筒通風(fēng)能力分析表Table 1 Analysis of ventilation capacity of existing local fans and supporting air ducts in mine

2 較長距離掘進(jìn)面局部通風(fēng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)礦井深部較長距離掘進(jìn)局部通風(fēng)管理難度大的問題， 對(duì)4個(gè)具有代表性的掘進(jìn)面進(jìn)行局部通風(fēng)分析與設(shè)計(jì)， 掘進(jìn)面掘進(jìn)參數(shù)見表2。

表2 掘進(jìn)面參數(shù)Table 2 Excavation face parameters

2.1 掘進(jìn)面需風(fēng)量計(jì)算

1）按作業(yè)面同時(shí)作業(yè)人數(shù)最多的工況計(jì)算需風(fēng)量，如式（1）所示：

式中，Q人為單位時(shí)間內(nèi)個(gè)人需風(fēng)量， 取4 m3/min；N為作業(yè)面同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)， 按6人計(jì)（地質(zhì)技術(shù)員1人、 測(cè)量技術(shù)員1 人、 采礦技術(shù)員1 人、 掘進(jìn)面隊(duì)長1人、 排險(xiǎn)工2人）。

2）按作業(yè)面對(duì)風(fēng)速的要求計(jì)算需風(fēng)量： -676 m以上作業(yè)面， 最低風(fēng)速要求為0.25 m/s， -676 m 以下采深超過800 m（地表標(biāo)高138 m）， 按高溫作業(yè)面計(jì)算， 最低風(fēng)速要求為0.5 m/s。-556 m 水平大巷、 -616~-676 m斜坡道需風(fēng)量為3.19 m3/s； -796 m水平大巷、 -796~-900 m斜坡道需風(fēng)量為6.38 m3/s。

3）按作業(yè)面柴油設(shè)備條件計(jì)算需風(fēng)量： 當(dāng)掘進(jìn)距離小于100 m 時(shí)， 作業(yè)面鏟運(yùn)設(shè)備為2 m3柴油鏟運(yùn)機(jī)， 型號(hào)為鏟旺WJ-3， 功率133 kW； 當(dāng)掘進(jìn)距離大于100 m 時(shí)， 配備1 輛運(yùn)礦卡車在掘進(jìn)頭附近的回車巷道內(nèi)協(xié)助鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)， 型號(hào)為UQ-8， 功率為81 kW。僅通過鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)輸?shù)男栾L(fēng)量計(jì)算如式（2）所示：

式中，Q柴為單位時(shí)間柴油設(shè)備功率需風(fēng)量， 取4 m3/（min·kW）；P鏟為作業(yè)面同時(shí)作業(yè)的柴油設(shè)備功率， kW；K為鏟運(yùn)機(jī)利用系數(shù)， 取0.55。鏟運(yùn)機(jī)和卡車協(xié)同作業(yè)需風(fēng)量計(jì)算如式（3）所示：

式中，K1為鏟運(yùn)機(jī)利用系數(shù)， 取0.15；P卡為運(yùn)礦卡車設(shè)備功率， kW；K2為運(yùn)礦卡車?yán)孟禂?shù)，取0.55。

綜上， -556 m 水平大巷、 -616~-676 m 斜坡道鏟運(yùn)機(jī)和卡車協(xié)同作業(yè)時(shí)需風(fēng)量為4.3 m3/s， 鏟運(yùn)機(jī)單獨(dú)作業(yè)時(shí)需風(fēng)量為4.9 m3/s； -796 m 水平大巷、 -796~-900 m斜坡道需風(fēng)量均為6.4 m3/s。

2.2 局扇和風(fēng)筒選型匹配

以往局扇選型的過程是先計(jì)算出需風(fēng)量后通過風(fēng)筒漏風(fēng)率計(jì)算出局扇通風(fēng)量， 再通過計(jì)算風(fēng)筒局部阻力和摩擦阻力得到局扇全壓， 最終根據(jù)風(fēng)量和全壓要求對(duì)比風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫選型［8］。其計(jì)算過程復(fù)雜， 工作量大， 尤其是掘進(jìn)面數(shù)量多時(shí)， 問題尤其突出。因此， 在結(jié)合礦山現(xiàn)有局部通風(fēng)硬件設(shè)施條件的基礎(chǔ)上， 借助Ventsim 軟件風(fēng)筒計(jì)算器對(duì)4個(gè)掘進(jìn)面進(jìn)行局部通風(fēng)設(shè)計(jì)， 利用軟件的風(fēng)量與風(fēng)筒長度功能進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型， 利用軟件的風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒長度功能進(jìn)行通風(fēng)能力詳細(xì)論證。受該礦的巷道斷面及采礦作業(yè)方式影響， 風(fēng)筒直徑不應(yīng)超過1 m， 且局部通風(fēng)方式僅考慮采用壓入式。軟件的風(fēng)量與風(fēng)筒長度功能計(jì)算界面見圖1， 局扇及風(fēng)筒匹配結(jié)果見表3。

圖1 風(fēng)量與風(fēng)筒長度功能計(jì)算界面Fig.1 Function calculation interface for air volume and air tube length

表3 局扇及風(fēng)筒匹配結(jié)果Table 3 Matching results of local fans and air ducts

3 Ventsim模擬驗(yàn)證分析

3.1 驗(yàn)證分析

風(fēng)筒計(jì)算器功能可實(shí)現(xiàn)局扇和風(fēng)筒的快速選型， 但其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用存在一定差值。其主要原因有兩點(diǎn)： 一是， 由于風(fēng)筒計(jì)算器中巷道轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的局部阻力用直角彎頭數(shù)量表示， 且只能為整數(shù)， 無法體現(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)彎角度的影響； 二是， 由于風(fēng)筒計(jì)算器未考慮巷道高差產(chǎn)生的勢(shì)能及風(fēng)筒所在巷道的阻力情況。因此， 對(duì)于已經(jīng)建立礦井三維通風(fēng)模型的礦山， 在利用風(fēng)筒計(jì)算器進(jìn)行局部通風(fēng)方案設(shè)計(jì)后， 可在三維模型中對(duì)擬施工的巷道進(jìn)行局部通風(fēng)模擬來進(jìn)一步驗(yàn)證分析， 在模擬時(shí)既要考慮風(fēng)流模擬， 也要考慮熱模擬。該礦已通過Ventsim 軟件構(gòu)建了整體三維通風(fēng)模型， 地溫梯度約2.2 ℃/100 m， 設(shè)置風(fēng)流可壓縮， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在模型中添加內(nèi)燃設(shè)備、 機(jī)電設(shè)備等主要熱源， 根據(jù)局扇及風(fēng)筒選型在模型中添加對(duì)應(yīng)設(shè)備和通風(fēng)構(gòu)筑物等， 局部通風(fēng)方式暫時(shí)只選擇壓入式， 仿真模擬結(jié)果見表4。

表4 仿真模擬結(jié)果Table 4 Simulation results

模擬結(jié)果風(fēng)量分析。初步選型方案的各掘進(jìn)面風(fēng)量基本能夠滿足計(jì)算風(fēng)量要求， 但風(fēng)量值與風(fēng)筒計(jì)算器計(jì)算結(jié)果有一定偏差， 最大差值為0.4 m3/s， 最小差值為0， 平均差值為0.2 m3/s。差值大小主要受轉(zhuǎn)彎局部阻力和勢(shì)能的影響， 例如-796~-900 m斜坡道各階段差值均較大， 主要是有2個(gè)巷道轉(zhuǎn)彎角度為50°， 局部阻力大于設(shè)置的2 個(gè)直角彎頭， 同時(shí)巷道平均坡度為9°， 高差導(dǎo)致勢(shì)能阻力較大， 兩項(xiàng)因素疊加后導(dǎo)致差值進(jìn)一步增大；-616~-676 m 斜坡道同樣存在較大高差， 但其轉(zhuǎn)彎角度為鈍角， 在風(fēng)筒計(jì)算器中設(shè)置為直角彎頭， 因此互相抵消后差值較小。

模擬結(jié)果作業(yè)環(huán)境溫度分析。除-556 m 水平掘進(jìn)面外， 其他掘進(jìn)面溫度均超過27 ℃， 但不超過30 ℃。此外， 人員連續(xù)作業(yè)不應(yīng)超過2 h， 應(yīng)合理安排作業(yè)工序， 提高作業(yè)效率， 盡量使用空調(diào)車， 改善工人作業(yè)環(huán)境。在向-900 m 以下進(jìn)行開拓掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)考慮改進(jìn)通風(fēng)方式、 引進(jìn)制冷設(shè)備等。

3.2 局部通風(fēng)設(shè)計(jì)選型優(yōu)化方法

利用風(fēng)筒計(jì)算器功能得到的局部通風(fēng)設(shè)計(jì)方案基本能夠滿足設(shè)計(jì)通風(fēng)需求， 沒有建立三維通風(fēng)模型的礦山可借助該工具進(jìn)行局部通風(fēng)方案設(shè)計(jì)， 同時(shí)可根據(jù)實(shí)際巷道轉(zhuǎn)彎角度、 高差及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)量測(cè)定結(jié)果對(duì)風(fēng)筒通風(fēng)距離進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。若礦山已建立了三維通風(fēng)模型， 可在模型中進(jìn)行模擬驗(yàn)證分析， 根據(jù)模擬結(jié)果獲得更加精確的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)， 在局部的實(shí)際通風(fēng)管理中， 風(fēng)筒懸掛和接頭質(zhì)量對(duì)通風(fēng)效果也有較大影響， 風(fēng)筒懸掛質(zhì)量直接關(guān)系到通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，接頭質(zhì)量對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和氣密性非常關(guān)鍵。因此， 在實(shí)際操作中， 需要重視風(fēng)筒的懸掛質(zhì)量和接頭的處置方式， 并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況適當(dāng)評(píng)估其對(duì)局部通風(fēng)的影響， 進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

4 結(jié) 論

1）借助Ventsim 軟件風(fēng)筒計(jì)算器中的風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒長度功能對(duì)該礦現(xiàn)有局扇和風(fēng)筒選型進(jìn)行了通風(fēng)能力分析， 結(jié)果表明在有1個(gè)直角彎頭時(shí)能夠滿足淺部區(qū)域最低風(fēng)量要求的通風(fēng)距離。

2）在優(yōu)化較長距離掘進(jìn)面需風(fēng)量計(jì)算的基礎(chǔ)上， 利用軟件的風(fēng)量與風(fēng)筒長度功能進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型， 利用軟件的風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒長度功能進(jìn)行通風(fēng)能力詳細(xì)論證， 得到4個(gè)掘進(jìn)面各掘進(jìn)階段的局扇和風(fēng)筒初步優(yōu)選結(jié)果。

3）在礦井三維通風(fēng)模型中對(duì)初步優(yōu)選結(jié)果進(jìn)行風(fēng)量驗(yàn)證分析， 初步優(yōu)選方案基本滿足需風(fēng)量要求。 模擬值與風(fēng)筒計(jì)算器計(jì)算結(jié)果存在一定偏差， 最大差值為0.4 m3/s， 最小差值為0 m3/s， 平均差值為0.2 m3/s， 差值大小主要受轉(zhuǎn)彎局部阻力和勢(shì)能影響。

4）為提高風(fēng)筒計(jì)算器的選型優(yōu)化精確度， 沒有建立三維通風(fēng)模型的礦山可根據(jù)實(shí)際巷道轉(zhuǎn)彎角度、 高差及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)量測(cè)定結(jié)果對(duì)通風(fēng)距離進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整， 已建立三維通風(fēng)模型的礦山可在模型中進(jìn)行模擬驗(yàn)證分析。