基于Ventsim的深井采矿热环境分析*

赵小稚，崔 嵛，王敬志

(1.山东理工大学，山东 淄博 255091;2.招远市曹家洼金矿，山东 招远 265415)

1 引言

随着矿产资源的不断开发，我国的浅表矿床及开采技术条件相对简单的矿床储量不断消耗，迫使大多数矿山转入深部或复杂矿床的开采[1]。我国采矿界一般认为，开采深度在600～2000m为深井开采[2]，开采深度超过2000m的称为超深矿井。深井开采中，突出的一个问题是井下热环境恶化。矿井热环境是指地下采掘空间中的微气候(温度、湿度、风速和热辐射)对人体散热的综合影响与作用，人们习惯把恶劣的热环境称为热害。随着矿井开采深度和范围的逐渐增加，各种热源(围岩冷却、空气压缩、氧化过程、机械设备做功等)的放热作用、扩散过程和其它原因，使井下温度越来越高，高温矿井数目日益增多，而且危害程度也日趋严重[3]。另一方面，随着开采范围和深度的增加，矿井通风网路也越来越复杂。尤其是同时存在高温热害与矿井延伸等因素的矿井，其矿井通风网路极其复杂[4]。因此，应用计算机仿真技术分析深井开采通风系统及其热环境将更为科学准确，也是十分必要的。

早在1953年，Scott和Hinsley采用计算机解决矿井通风网路解算问题，这是借助计算机技术解决矿井通风问题的开端。涉及矿井通风系统应用领域的计算机技术随着计算机及计算技术的发展而得到了很大的发展。目前，国际上很有影响的矿井通风系统仿真软件有 VentPC2000，MinTeeh 和 DataMine[5]以及Ventsim等。在国内，有代表性的是有关高校开发研制的MVSS矿井通风仿真系统，在多家矿山矿井通风系统优化改造和设计中得到了应用。

曹家洼金矿于1989年11月投产，为采选联合企业，目前正在开采的小尹格庄矿段开采深度超过800m，现有－450～－600共6个中段作业，其中－570、－600中段的风温接近30℃，个别作业面风温甚至达到32℃。因此，该矿已出现一定程度的高温热害状况，致使工人的劳动条件趋于恶化，劳动生产效率降低，这已成为制约该矿安全高效开采的一个亟待解决的问题。本文将应用Ventsim三维矿井通风仿真系统分析曹家洼金矿深部开采的热环境，同时提出矿井通风系统通风降温方案。

2 Ventsim三维通风仿真系统

Ventsim三维通风仿真系统以其良好的可视化效果和简单易学的特点，逐渐成为矿井通风设计和通风管理最强有力的工具，是集通风三维仿真、井下环境模拟分析于一体，可以同时对通风系统进行三维显示、通风解算、风机选型、热模拟、污染物模拟及经济性分析的综合模拟软件[6]。

该系统考虑的热参数主要包括围岩和地下水的热量和湿度、不同种类岩石的热性质、点源热量、线源热量、柴油机热量以及矿石的氧化作用产生的热量、空气自动压缩产生的热量、空气的制冷和局部降温，井下随深度、温度和通风压力变化而变化的空气密度、考虑空气密度变化的自然风压、诸如除尘水雾的人工加湿、饱和空气的压缩等因素[7]。

3 井下热环境分析

3.1 井下热参数的确定

图1 曹家洼金矿开拓系统示意图

曹家洼金矿小尹格庄矿段内主要断裂为招平断裂带，矿体赋存于主裂面以下50m范围内;构造带自上而下分别为碎裂岩、糜棱岩、断层泥、绢英岩、绢英岩化花岗质碎裂岩、钾化碎裂状花岗岩等。小尹格庄矿段所处构造破碎带富水性差，补给条件差，属水文地质条件简单的矿床。曹家洼金矿所在的招远市属于暖温带季风型大陆型半湿润气候区，多年(1971～2000年)平均气温为12℃，最热月平均气温22℃。

根据地温测量所得数据及当地地热特性[8]并参考《地热资源评价方法》(DZ40－85)，用于井下热环境分析所用的热参数有:恒温带岩温20℃，地温梯度1.82℃/100m，岩石综合导热系数2.59W/m℃，围岩比热容839J/kg℃，岩石密度2.81kg/m3，围岩潮湿系数0.17，围岩散热性0.941。

将上述参数录入Ventsim三维通风仿真系统工程环境数据库。

3.2 曹家洼金矿热环境现状

曹家洼金矿开拓系统见图1，小尹格庄矿段设计开采深度达－660m。原有通风系统为中央对角式通风，1号、2号竖井进风，1号斜井回风。1号竖井进风经2号斜井，由－265中段措施巷到达3号竖井大巷;2号竖井进风经－265m南大巷进入3号竖井大巷，然后通过3号竖井送入小尹格庄矿段各中段;其中－450中段、－510中段由－480中段进风，－570中段由－600中段进风。污风经由6号、5号斜井和－265m回风道通过2号斜井、－85中段回风措施巷，由1号斜井排到地表。整个系统安装有5台37kW通风机，分别安装在－480、－510、－540中段回风端斜井石门和－265m回风道及－85中段回风措施巷中。

经测定分析，原有通风系统存在风流路线紊乱，污风串联严重，用风地点风量小，风机安装位置不合理等问题。

将矿井通风系统图(CAD格式)绘制成单线图(DXF格式)，然后将单线图导入Ventsim系统，建立矿井通风二维视图。输入完风路的标高、断面尺寸等基本参数，Ventsim软件会自动生成矿井通风系统三维视图，在已设定矿井大气物理参数和热参数的基础上，通过运行“热模拟”，即可获得井下热环境的仿真分析结果。

原有通风系统中－450～－600m各中段的热环境分析结果见表1。

表1 原通风系统深部开采中段热环境分析结果表

分析结果说明，－450、－570副中段缺少直接进风而循环风严重，整个中段的风温较高;由于风路不合理，造成－600中段无风，风温升高。井下热环境仿真分析的结果与实际测量的数据基本相符。

3.3 通风降温方案

对于深部开采矿井，为了改善其热环境和通风质量，依其热害和空气污染的严重程度，一般按如下顺序来考虑治理措施:(1)加大风量，强化通风。(2)隔绝热源。(3)局部制冷。(4)集中制冷。(5)个体防护。采用增加风量的方法是高温矿井最简捷、也是最经济的降温手段之一。增加风量可以大大降低空气的含热量，具有两个优点:一是减少环境对单位风量的加热量，为进一步降低围岩的放热强度创造条件，以降低风流的温度;二是提高风速，改善井下气候条件，增加工人的舒适感。随着流过巷道的风量增加，从矿岩中放出的氧化热和其它热源放出的热量，分散在更大数量的空气中，使风流温度降低[9]。

从曹家洼金矿通风系统的实际情况分析，作业中段范围内的开采通风系统优化以优化通风网路，合理布置风机，加大作业区域风量的技术方法为主。为此，提出了用风段分区回风侧多级机站通风系统。具体做法是(参见图1)，保持通风系统整体为中央对角式不变，针对矿井多中段同时作业的特点，将－480～－660m7个作业中段划分为两个通风分区，－480、－510、－540和 －570为第一分区，其中－480、－510和－540由－540进风、－570由－600进风，总回风由设置在－480的主扇直接排入5号斜井。第二分区－600、－630、－660中段统一从－660进风，总回风由安装在－570的主扇排入6号斜井，经由－510北翼的巷道进入5号斜井排走。形成2台主扇对5号斜井的并联运转。

考虑到井下进风段行人运输频繁，为了避免行人运输与通风之间的相互影响，选择在通风系统的回风侧取多级机站抽出式通风方式。Ⅲ级机站由－480主扇和－570主扇组成，2台主扇分别对作业区域的两个通风分区作抽出式通风;Ⅳ级机站主扇安装在－55m总回风道内。

用风段两通风分区相对独立，通风阻力也相对较低，风量大幅增加，有利于深部开采通风降温;另外，系统的回风侧布置机站不影响矿井生产的行人运输。

3.4 通风降温方案的热环境分析

针对曹家洼金矿深部采矿通风降温方案的热环境，应用Ventsim软件进行模拟分析，图2表现了分析模型的一部分，其结果与实测数据列于表2中。

图2 曹家洼金矿热模拟模型局部示意图

表2 通风降温方案热环境分析结果表

模拟结果表明，所制定的通风系统方案降温明显。从方案实际实施的情况看，曹家洼金矿小尹格庄矿段的总进风量比原系统增加了42%，达到了通风降温的预期目标，同时避免了污风串联和循环风，收到了良好的通风效果。

4 结语

(1)随着经济社会发展与矿产资源需求的增长，深井采矿的矿山越来越多，尤其是金属矿山。能否有效解决深井采矿中热环境趋于恶化的问题，是地下矿开采不断向更大深度发展的一个关键制约因素。深井采矿的热环境具有复杂性和动态性的特点，用计算机仿真技术分析研究这类问题具有科学准确的优点。

(2)Ventsim三维通风仿真系统以其良好的可视化效果和科学实用的特点，对矿井通风进行网络解算和系统动态模拟，以及井下热环境、污染物迁移等的仿真分析，为矿井通风专业人员优化通风系统、防范通风事故、实现通风系统数字化管理，提供了一个十分先进实用的方法和工具。

(3)基于Ventsim三维通风仿真系统的应用，为解决曹家洼金矿深部开采存在一定程度热害的问题所提出的通风降温方案，增风显著，降温明显，收到了很好的通风效果。

[1]胡汉华.金属矿山热害控制技术研究[D].长沙:中南大学，2007.

[2]姚香.关于深部开采技术的探讨[J].黄金，1998(2):17－20.

[3]岑衍强，侯祺综.矿内热环境工程[M].武汉:武汉工业大学出版社，1989.

[4]田洪建，王树刚.矿井通风网络多功能模拟可视化的实现[J].煤矿安全，2008(4):42－44.

[5]林增勇.矿井通风可视化系统研究与应用[D].武汉:中国地质大学，2008.

[6]冯伟，朱方平，刘全义.三维仿真软件Ventsim在矿井热害控制中的应用[J].西安科技大学学报，2011(6):776－779.

[7]McPherson M J.Subsurface ventilation engineering[M].England:Springer，1993.

[8]吴立进.山东省地热资源特征及其分区研究[D].青岛:山东科技大学，2008.

[9]王文，桂祥友，王国君.矿井热害的治理[J].矿业安全与环保，2002(3):31－33.