凡口鉛鋅礦深部通風系統測定與三維仿真優化研究

摘要：為改善凡口鉛鋅礦深井通風條件，對深部通風系統進行了風量、風阻的測定與需風量的計算，深部通風系統總進風量為330.38 m³/s，總回風量為345.95 m³/s；礦井深部總風阻為0.012 3 N·s²/m⁸。為解決其深部各中段及各工作面之間風量分配不合理、通風線路長且阻力大的問題，提出了4種優化方案并進行了三維仿真模擬。結果表明：深部通風系統的優化改造應選擇“增加進、回風措施井+設置多級機站”的方案，既能夠實現不同中段、采場風流的按需分配，也能夠增加進入各個中段及分段采場的風量，適應未來生產需求。

關鍵詞：深部開采；礦井通風；風量測定；通風阻力；Ventsim數值模擬

中圖分類號：TD853 文章編號：1001-1277（2024）02-0014-07

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240203

引 言

隨著國民經濟的快速發展，國內各類型礦山也在不斷擴大開采規模與延伸開采深度以提升產量^［1］。對于地下礦山，隨著礦山開采規模與開采深度的不斷增加，面臨的安全問題在很大程度上制約著礦山生產。因此，解決安全問題，提升礦山安全能力已成為礦山工作的重中之重^［2-4］。礦井通風的根本目的是將數量充足、質量合格的新鮮風流送入井下各作業點，以滿足各作業點的用風要求^［5］。礦山通風系統作為礦山安全生產的重要保障，其在向井下輸送新鮮空氣，排除有毒有害氣體，營造良好的工作環境等方面起著不可替代的作用^［6-8］；在發生災害時，通風系統又是控制、縮小、消除災害必不可少的一種手段；合理的通風系統，還可以起到節能作用，節省成本，提高企業效益。因此，加強有關礦山通風系統的研究對于礦山的安全生產具有重要意義。

當礦山開采規模較小或生產布局較為簡單時，風流的按需調控也較為簡單；而隨著礦山開采規模與開采深度的逐漸增加，其生產布局與通風網絡也越來越復雜，風流的按需調控也隨之變得越來越困難^［9-10］。事實上，如何依據實際生產需要對風流進行及時有效調控已經成為很多大中型礦山通風中亟須解決的問題^［11-13］。部分礦山開采深度已接近或超過1 km，這對井下通風系統提出了更高的要求，如何解決好通風問題，直接關系到井下工作人員的高效作業和生產安全。

中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦（下稱“凡口鉛鋅礦”）經過幾十年的開采，深部盤區作業點數量逐漸增多，生產區域變更也愈加頻繁，在對凡口鉛鋅礦深部盤區風流進行調控時不僅要考慮同一作業點處于不同生產階段時需風量發生變化的情況，更要考慮作業點發生變化時需風量發生變化的情況。目前，凡口鉛鋅礦在井下安置了大量局扇與臨時風墻，通過人工開閉局扇與拆砌風墻的方式對風流進行調控，此種風流調控方式在實際使用中不僅需要投入大量的人力物力，而且對風流的調控也無法滿足作業點經常發生變化的情況。因此，施工新的通風構筑物輔以風流調控技術或手段實現對風流的及時、合理調控已成為凡口鉛鋅礦通風工作的重點。

1 凡口鉛鋅礦深部通風系統

凡口鉛鋅礦采用中央進風、兩翼對角抽出式的通風系統，其新鮮風流經由新、老副井，大斜坡道，小斜井等井巷進入，洗刷工作面后產生的污風經東風井及新、老南回風井由主扇抽出至地表。

凡口鉛鋅礦深部盤區目前共有4個作業中段（-500 m、-550 m、-600 m、-650 m），3個服務性硐室中段（-680 m、-710 m、-750 m），深部各中段作業點分布較為分散，通風線路長。其中，較長中段巷道沿走向長度可達2 000多m。

凡口鉛鋅礦深部各中段采用平行雙巷式通風，即新鮮風流經各中段主巷、無軌巷進入，然后經采場穿脈進入各采掘工作面，洗刷工作面產生的污風經采場回風天井進入上一中段回風巷，最后經各回風井排出地表。

采場通風網絡基本采用本中段或分段平巷進風，經采場至上中段專用回風巷回風，在各采場通風天井的穿脈靠中段回風巷一側均設有采場調節風窗，用于調節和控制各采場的風量，改善各采場的作業環境，以達到最佳空氣條件。

通過現場調查，凡口鉛鋅礦深部通風系統存在以下問題：

1）深部熱害嚴重且熱源情況復雜，井下部分巷道、采場溫度已達到30 ℃以上，工人勞動條件差；隨著VCR法爆破及機械化大、小臺車采礦量不斷加大，部分中段供風量無法滿足生產與降溫需求。

2）通風系統龐大且復雜，深部-500 m、-550 m、-600 m和-650 m中段生產作業面多、作業點集中，人員密集，局部生產實際需風量大且通風效果不佳，深部通風系統局部調整難以滿足需求。

3）通風線路長、阻力大，礦井用風部分網絡結構不合理，風流可控性差，單純通過通風系統來調大深部盤區通風量無法實現。

為改善凡口鉛鋅礦深井勞動條件，滿足現有與未來工藝需求，通風系統的升級改造已經變得刻不容緩。

2 通風系統測定

2.1 風速（風量）測定

為全面了解井下各用風地點的風速和風量、考察通風點排塵風速能否滿足要求、發現通風系統存在問題、計算深井區域通風阻力，對深井區域風量進行測定。在礦井深部整體通風系統中，通過測定-455 m、-500 m、-550 m、-600 m、-650 m中段進、回風量，可間接確定礦井深部通風系統總進、回風量。

風量測定采用側身法，因測風員的站立減少了過風斷面面積約0.4 m²，使實測風速偏大^［14］，因此需采用校正系數對真實風速進行校正，校正系數K為：

式中：S為巷道斷面面積（m²）。

測定過程采用九點法，將風速儀正對風流，在所測巷道的全斷面上均勻移動風速儀，移動線路如圖1所示。

測點布置于礦井深部整體通風系統：在礦井深部的新副井、盲副井、大斜坡道、獅嶺南小斜坡道處布置進風測點，在礦井深部中段南、北回風井和老南盲風井處布置回風測點。其中，豎井的風量測值可通過測量-455 m、-500 m、-550 m、-600 m、-650 m中段馬頭門的風量測值間接確定。

同時，在深部盤區各中段的主要進、回風井，運輸巷道，主巷，穿脈，分段平巷，采場進路及溜井聯道等聯道的三通節點、中段與其他中段的聯絡斜巷/井等處布置測點，并測量其斷面用于模擬。

通風系統測定結果如表1所示。凡口鉛鋅礦深部通風系統總進風量為330.38 m³/s，總回風量為345.95 m³/s。深部通風系統回風量大于進風量，說明礦井存在漏風情況；同時，深部回風量偏小，這也是造成深部工作面通風困難，高溫的主要原因。

2.2 通風阻力測算

對通風系統阻力分布計算是通風系統設計優化的關鍵之一，掌握礦井通風阻力大小和分布狀況是進行礦井通風科學管理、風量調節和通風設計優化的根本依據^［15］。通風阻力測算需要在通風系統網絡圖上選定路線，再對選定的通風網絡路線各分段的通風阻力進行測定。凡口鉛鋅礦深部各中段生產狀況、井巷復雜程度大致相似，本次研究以具有代表性的-550 m、-600 m中段采場為例，從各中段進風口到回風口選擇1條最能反映該段通風阻力的連續風路，觀察凡口鉛鋅礦深部通風阻力情況。凡口鉛鋅礦深部通風路線為新副井→水平主巷→大斜坡道→分段平巷→采場→回風巷→回風井，測定路線的選擇根據礦山實際預先確定：

1）-550 m中段209^#S采場測定回風路線：①地表新副井口→②-500 m新副井馬頭門→③-500 m水平主巷→④大斜坡道→⑤-550 m二分段平巷→⑥209^#S采場→⑦15-WN1-1^#天井→⑧-500 m中段回風巷→⑨深部北回風井→B10地表。

2）-600 m中段0^#N采場測定回風路線：①地表新副井口→②-550 m新副井馬頭門→③-550 m水平主巷→④大斜坡道→⑤-600 m三分段平巷→⑥0^#N VCR采場→⑦-550 m中段回風巷→⑧深部北回風井→⑨地表。

本次測定針對深部中段新副井馬頭門至回風井底區段通風阻力，所以無需考慮自然風壓的影響。采用氣壓計基點測定法，兩個測點之間通風阻力按照式（2）計算。在通風阻力測量的基礎上，確定選定路線上各巷道分支的風阻參數和摩擦阻力系數，各巷道分支的風阻、摩擦阻力系數按照式（3）、式（4）計算^［14］。

式中：h_ij為井巷i，j兩測點間通風阻力（Pa）；p_i，p_j為井巷i，j兩測點基點校正氣壓計的讀數（Pa）；ρ_i，ρ_j為井巷i，j兩測點空氣密度（kg/m³）；v_i，v_j為井巷i，j兩測點風速（m/s）；g為重力加速度（m/s²）；Z_i，Z_j為井巷i，j兩測點標高（m）；R_ij為井巷i，j兩測點間風阻（N·s²/m⁸）；Q_ij為井巷i，j兩測點間斷面風量（m³/s）；α_ij為井巷i，j兩測點間摩擦阻力系數；S為井巷i，j兩測點間斷面面積（m³）；l_ij為井巷i，j兩測點間長度（m）；P為井巷i，j兩測點間斷面周界長度（m）。

通風阻力測算結果如表2所示，通過通風阻力測算得知：凡口鉛鋅礦深部盤區-550 m中段209^#S采場回風通風阻力約為1 660.566 Pa。其中，新副井馬頭門至回風井底區段回風通風阻力約為630.80 Pa；-600 m中段0^#N采場回風通風阻力約為1 571.57 Pa，新副井馬頭門至回風井底區段回風通風阻力約為568.44 Pa。由于各中段生產狀況、井巷復雜程度大致相似，該結果表明，凡口鉛鋅礦深部通風系統狀態較困難，風流合理分配困難，兩次測量采場有效風量僅4.52 m³/s、5.62 m³/s。為使深部作業正常運行，通風滿足作業要求，凡口鉛鋅礦井下設置了大量輔扇和局扇，造成浪費。

根據表2，進、回風井產生通風阻力大小約為總路線的2/3，其原因是進風井（主要是新副井）和回風井風量較大、風流到達深部路線較長。風流從新副井馬頭門到回風井路線長約2 000 m（-550 m中段209^#S采場回風路線長2 088.5 m、-600 m中段0^#N采場回風路線長1 964.6 m），產生了較大通風阻力，大大增加了通風的困難程度，使風流難以到達深部盤區。而采取加大主扇功率克服阻力，能源利用率低。為減輕主扇負擔、提升通風效率，可將進回風井、回風巷內壁修整光滑以減小摩擦阻力系數，從而達到減小通風阻力的效果；還可在進、回風路線上安裝多級機站，以增大深部中段壓差。

凡口鉛鋅礦深部通風網絡異常復雜，在礦井通風網絡中，風流按各分支風路風阻值大小自然分配，由于現有規劃路線較長，礦井需風點眾多，風流難以沿著預定的路線流動，導致井下深部斜坡道、溜井串風嚴重；即使沿著既定路線的風流，也可能受到巷道漏風的影響，風流到采場時，卻無風可用，工作環境也無法得到改善。

2.3 深部盤區需風量計算

深部盤區需風量是通風調控的重要基礎，凡口鉛鋅礦深部盤區總需風量應為深部各采掘工作面、服務性硐室、出礦巷等需風量及礦井漏風量之和。計算深部盤區總需風量需要首先確定井下深部盤區采掘工作面、出礦巷及各類輔助硐室的情況及數量，根據各類型單個工作面及硐室的需風量，繼而計算出各類工作面及硐室的總需風量，還應考慮礦井風量備用。

凡口鉛鋅礦深部盤區各中段作業點及風量分配情況如表3所示。風量備用系數是考慮到礦井有難以避免的漏風，同時也包含風量調整不及時和生產不均衡等因素而設立大于1的系數，考慮實際漏風比較嚴重的情況，此處取1.25。計算結果表明，為滿足井下最多工作人數需風要求，凡口鉛鋅礦深部盤區總需風量為328.89 m³/s，萬噸風量比為3.97。通過與實際測得的深部盤區進風量進行比較，在沒有串風、無效風的情況下，凡口鉛鋅礦深部總進風量（330.38 m³/s）可恰好滿足井下生產作業需求。

為便于生產作業管理，凡口鉛鋅礦深部盤區采場較為集中，如表3所示，需風較多的中段為-550 m中段和-600 m中段，如-550 m中段需風量達到100.86 m³/s，根據表1風量測定結果，井下兩中段實際進風量遠遠滿足不了生產作業需求，只能通過溜井或斜坡道串風從其他中段提供。而-455 m中段和-650 m中段實際進風量遠大于中段需風量，造成少許風量以無效風形式浪費，最終導致深部盤區生產作業點風量不足。作業點風量不足的根本原因在于井下構筑物調風方式及中段風量分配不合理，導致風流未按照預定通風風流方式流動，唯有根據各中段生產實際需風量合理規劃構筑物調風方式，才能夠滿足需求。

3 基于Ventsim的通風系統模擬

3.1 模型建立與校驗

通風系統仿真模擬是解決錯綜復雜通風網絡風量分配調節困難的有效手段之一，能夠大大提升通風系統優化、通風構筑物設計、日常通風管理方案提出和效果檢驗的效率^［16-17］。為實現通風網絡的快速調節、通風系統的可視化和動態模擬，在對凡口鉛鋅礦深部巷道的通風阻力完成測定、掌握礦井深部通風系統基礎參數的基礎上，建立了基于Ventsim的礦井深部通風三維仿真系統（如圖2所示），并開展模型驗證與通風系統優化模擬。

通過Ventsim數值模擬及通風網絡解算，凡口鉛鋅礦深部-550 m、-600 m中段新副井馬頭門至北回風井底區段回風通風阻力約為629.24 Pa、575.75 Pa，與測算得到的深部中段通風阻力基本相同，說明了模擬結果的可靠性。礦井通風仿真系統數據如表4所示。其中，礦井深部通風系統外部漏風率為10.76 %，對于有提升設備的凡口鉛鋅礦來講，屬于外部漏風較小礦井，符合礦山安全規程。通過對模擬結果進行分析，發現存在循環風、串風和深部風流混亂的情況，井巷數量多且分布錯綜復雜等諸多問題。礦井深部風阻特性曲線如圖3所示，總風阻為0.012 3 N·s²/m⁸，與實際測量數據大致相符。

3.2 深部通風系統問題分析

通過實地測算、Ventsim數值模擬，不僅驗證了勘查中確定的深部通風問題的準確性，而且進一步發現了深部通風存在的問題：

1）深部通風存在通風阻力大，主扇對深部通風作用力不足，深部盤區中段進風點與回風點間壓差普遍小于通風阻力。

2）深部盤區風量在各中段之間、同中段各工作面之間分配不合理。

3）深部通風存在通風路線過長，通風阻力增大的同時導致柴油機設備運行油煙污染新鮮風源。

4）存在溜井倒礦粉塵返出至分段平巷、斜坡道與溜井串風、部分分段平巷口反風現象。

4 深部通風系統優化

根據上述調查計算與仿真結果，為增風降阻、提高風流分配能力，在增強深部進、回風管理與完善局部通風構筑物的基礎上，擬定以下4種通風系統優化方案：①增加進風措施井+設置多級機站；②增加回風措施井并設置多級機站；③增加進風措施井+回風措施井；④增加進、回風措施井并設置多級機站。

根據需風點位置確定各方案中進風措施井分別位于-500 m中段N2^#穿脈、-550 m中段N3^#N穿脈、-600 m中段N2^#N穿脈、-650 m中段N2^#穿脈；回風措施井分別位于各中段的S2^#穿脈。新增回風措施井通風模擬示意圖如圖4所示。

各方案的進風量模擬結果如表5所示，各方案不同中段進風量與需風量的比值如圖5所示，理論上，進風量/需風量的值應不小于100 %。

根據表5、圖5：“增加進風措施井并設置多級機站”方案中-455 m中段進風量、“增加回風措施井并設置多級機站”方案中-600 m中段進風量均不足需風量的75 %，“增加進風措施井+回風措施井”方案中-455 m中段進風量大于需風量的150 %。“增加進、回風措施井+設置多級機站”時，各中段進風量略高于生產通風需求。

模擬結果還表明：只增加進風措施井能夠實現部分中段內采場風流的主動分配，無法實現中段與中段之間的風流分配；只增加回風措施井能夠降低回風段的通風阻力，增大采場的進風量，但對于不同中段之間、同中段不同采場之間的風流均無法有效調控。

“增加進風措施井+回風措施井”方案對于調控中段間風流效果較差，其原因在于未設置多級機站，風流調節方式仍屬于被動調節，距離生產對于風量的需求有一定差距。

“增加進、回風措施井+設置多級機站”方案具有很強的風流主動調控能力，一方面能夠實現不同中段、采場風流的按需分配；另一方面能夠增加進入各個中段及分段采場的風速及風量，減少無效風，并且對未來需風量的變化也具備較強適應能力。

綜上，對于凡口鉛鋅礦深部通風系統的改造初步選擇“增加進、回風措施井+設置多級機站”的方案。然而該方案的工程量及資金投入均高于其他3組方案，可以將該方案分兩步來進行：第一步是新增進、回風措施井，首先解決深部盤區進風量不足、有效風量率低的問題，在一定程度上實現風流的按需分配。其進、回風措施井的施工順序應當根據凡口鉛鋅礦的實際生產情況進行，如針對采場較多的中段可以優先施工。第二步是設置多級機站，實現對于中段間或者中段內風流的精準調控，使深部盤區的風流能夠適應凡口鉛鋅礦以后的生產變化。

5 結 論

為改善凡口鉛鋅礦深井通風條件，對深部通風系統風量、風阻、需風量進行了測定與計算，針對其通風系統存在問題提出優化方案并進行了優選，主要結論如下：

1）凡口鉛鋅礦深部通風系統總進風量為330.38 m³/s，總回風量為345.95 m³/s；進、回風井產生通風阻力大小近總路線通風阻力的2/3；為滿足井下最多工作人數需風要求，凡口鉛鋅礦深部總的需風量為328.89 m³/s。

2）礦井通風仿真系統數據表明，深部通風系統外部漏風率為10.76 %，屬于外部漏風較小礦井；礦井深部總風阻為0.012 3 N·s²/m⁸。深部通風線路長、通風阻力大、各中段及各工作面之間風量分配不合理問題突出。

3）凡口鉛鋅礦深部通風系統的優化改造應選擇“增加進、回風措施井+設置多級機站”的方案，既能夠實現不同中段、采場風流的按需分配，也能夠增加進入各個中段及分段采場的風量，適應未來生產需求。

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Study on measurement and 3D simulation optimization of deep ventilation system in Fankou Lead-Zinc Mine

Luo Zhihua¹，Dai Han²，Chen Xin³

（1.Fankou Lead-Zinc Mine，Zhongjin Lingnan Non-ferrous Metals Co.，Ltd.; 2.Chambishi Copper Mine，NFC Africa Mining PLC; 3.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：In order to improve the deep ventilation conditions at Fankou Lead-Zinc Mine，the air volume and resistance were measured and the air volume demand was calculated.The total air inlet and return of the deep ventilation system were 330.38 m³/s and 345.95 m³/s，respectively.The total air resistance in the deep panel is 0.012 3 N·s²/m⁸.In order to solve the problems of unreasonable distribution of air volume，lengthy ventilation lines，and high resistance among deep levels and working faces，4 optimization schemes are proposed and simulated in 3D.The results show that the optimization and transformation of the deep ventilation system should choose the scheme of \"adding air inlet and return shafts amp; setting multi-stage ventilators\"，which can not only realize on-demand air flow in different levels and stopes.It can also increase the air volume that enters each level and sublevel stope to meet future production needs.

Keywords：deep mining;mine ventilation;air volume measurement;air resistance;Ventsim numerical simulation