基于Ventsim系统的矿山多中段通风系统改造研究

陈国芳， 谭熙通， 支学艺， 袁明昌， 郭顺

（江西理工大学,a.资源与环境工程学院；b.江西省矿业工程重点实验室,江西 赣州341000）

矿井通风是矿井各生产环节最基本的一道生产工序，通过矿用通风机提供新鲜风量，稀释矿井下的有毒有害气体和粉尘并将其排出，使井下风流的质量得到保障，为井下工作人员提供良好舒适的工作环境，防止各种伤害和爆炸事故发生，在矿井建设和生产期间始终占据着十分重要的地位[1].近年来，我国许多矿山都扩大了生产能力，生产系统不断延伸，然而其通风系统仍多为多年前设计，并未随着生产能力的扩大而得到提高，设计服务范围已不能满足现有的日常生产，致使井下出现风速风质合格率偏低、风机的运行效率偏低、新鲜风流进入生产中段偏少等问题.为保障扩能生产后对已开采十余年的复杂矿山通风系统，能满足生产对风量及通风质量的需求，并使得在灵活调控的条件下各中段风量能满足安全作业需求，必须对现有的通风系统进行优化改造，确保矿山井下工作人员在良好的工作环境生产作业.

Ventsim三维仿真系统可以利用计算机图形系统来建立矿井三维通风网络模型[2].依据矿井设计绘制立体的通风网络，并对巷道的断面、风阻等重要参数进行赋值，通过风流模拟进行风网解算、风量分配，同时可以使风流与风机动态运转，并从风机数据库中选取合适的备选风机，然后进行风机选型.通过多次的风流模拟和对网络进行调整，以达到最终的满意效果[3].而且可以考虑风流压缩性与自然风压的影响，以获得和现实情况更加接近的模拟效果[4].在Ventsim系统中，能够快速对通风调整方案进行模拟和检验，如风机减速或关闭、巷道密闭等各种调节效果，可以通过模拟快速展现出来，从而及时调整，避免实施后出现问题而增加费用[5-13].

1 提出问题

武山铜矿经过地下开采10余年，生产中段较多，井下通风系统较为复杂，属于大型井下开采矿山[14-15].矿区由南、北矿带组成，南矿带位于北矿带上盘，南、北两矿带相距400 m.采用竖井和无轨斜坡道联合开拓系统的开拓方法.采矿方法为下向分层进路式充填采矿法和上向水平分层进路式充填采矿法[16]，开采量为5 000 t/d.武山铜矿矿井通风系统由北矿带两翼对角抽出式通风系统和南矿带侧翼对角抽出式通风系统构成，南北大巷连接南北两个矿带.开采初期设计矿井通风系统服务范围为-360 m水平，此通风系统完全可以满足矿山的生产需求.

随着多年的开采，现通风系统已经运行了10多年，并且设计服务范围为-360 m中段，而现有生产系统延伸至-460 m水平，南北矿带产量分配也发生变化，由北多南少变为北少南多，南北矿带需风量需要调节.现有5个中段同时作业，并且每个中段有3个或4个分层，多中段多分层作业给风量分配带来严峻的考验.为保证正常安全生产，避免矿山出现事故致企业进行整改或停产，故请专业技术人员对当前通风系统进行现状评价并及时进行改正，矿区通风系统通过现场调查及测定结果表明，南北矿带风流干扰严重，生产过程中难以有效控制南北运输巷的风流方向和大小；需风点多且分散，井下需风点多达78个，南矿带的作业点分散，给风流调控带来了困难；风机单级运行效率低，3台风机效率平均值为29.9%；风速（量）合格率ηq=65%和风质合格率ηz=51.3%；新鲜风流进入生产中段偏少，有69.3%的新鲜风流没有进入需风点就回到了总回风巷由风机排出地表.原有通风系统已经不能够满足现在生产需求，故需要解决风量分配问题，针对矿山通风系统进行优化改造.

2 改进方案

2.1 Ventsim软件简介

Ventsim三维通风仿真软件是当下矿井通风系统工程应用较为先进的软件之一，它的优点如下:

1）对通风系统建模，实现三维通风仿真.

2）仿真模型可实现进行巷道漫游.

3）实现新开采矿山通风网络设计、风网解算和风流模拟.

4）大型矿山通风网络系统的变化模拟，优化通风网络.

5）在优化基础上进行风机性能分析，确定风机选型.

6）对通风系统中自然风压进行影响分析.

7）可实现对深井通风系统空气可压缩性分析.

8）可直接导入AutoCAD DXF文件生成通风网络图.

2.2 Ventsim通风仿真系统建模

首先将武山铜矿通风系统的CAD图绘制为单线图 (DXF格式)，然后将CAD单线图导入 Ventsim三维仿真软件中，通过兼容，然后在编辑框里选择实体巷道，此时Ventsim软件就会将单线图转换为立体图，三维通风系统模型详见图1所示.

2.3 模型与数据分析

采区初期生产掘进期间，需风点少、风量小、通风线路短、主扇工况点低，当前矿井通风系统简单，处在矿井通风容易时期；当作业生产形成工作面之后，到了掘进中后期多水平工作面同时生产作业，系统复杂，通风阻力最大，线路最长，需风量和主扇负压达到了最大时期，矿井通风系统处于困难时期.依照金属非金属矿山安全规程要求和矿山实际需风点计算出全矿总风量为264 m3/s.Ventsim三维通风仿真软件建立了武山铜矿通风仿真模型，分别模拟了通风容易时期和困难时期 （到达-460 m中段）通风量分别为291.9 m3/s和268.2 m3/s，表明现有通风系统能够服务到-460 m中段.容易时期和困难时期主要进风井巷和回风井巷的风量情况分别见表1，表3，容易和困难时期主扇运行参数分别见表2，表4.

图1 三维通风系统模型Fig.1 Three-dimensional ventilation system model

表1 容易时期回风井风量分配Table 1 Air volume distribution of return air shaft in easy period

表2 容易时期主扇运行参数Table 2 Easy time main fan operation parameter

表3 困难时期回风井风量分配Table 3 Air distribution of return air shaft in difficult period

表4 困难时期主扇运行参数Table 4 Operating parameters of main fan in difficult period

改造后，再次对风机进行测定发现DK-Ⅱ-8-№23实际风量为85.81 m3/s，DK-Ⅱ-8-№24风量为115.45 m3/s,DK-Ⅱ-8-№25风量为97.68 m3/s,主扇DK-Ⅱ-8-№23、DK-Ⅱ-8-№24、DK-Ⅱ-8-№25 在容易时期的风量相对误差分别为17.7%，4%，3.6%，在困难时期的风量相对误差为24.3%，1%，8.7%，主扇DK-Ⅱ-8-№23在现场实测时现场诱发矿井回风的不可控因素众多，工作量大，导致实际偏差相对过大，主扇DK-Ⅱ-8-№24和 DK-Ⅱ-8-№25精度误差小，但结合现场条件及各量化指标综合分析，模型与现场实测精度仅存在细小误差，总体细小不显著，模拟效果好，据此确定了模型模拟的可行性.

2.4 矿井风流调控方案

2.4.1 基本情况介绍

根据2个矿带产量分布北少南多的特点，北矿带需风点28个，南矿带需风点41个，根据计算得出北矿带总风量为100 m3/s，南矿带总风量为164 m3/s.北矿带为两翼对角抽出式通风系统，南矿带为侧翼对角抽出式通风系统，其进回井和主扇配置见表5～表7.

表5 南北矿带进风井Table 5 North and south ore belt ventilation shaft

表6 南北矿带回风井Table 6 North and south ore belt return air shaft

表7 南北矿带主扇配置Table 7 Configurations,main fan of the northsouth ore belt

2.4.2 南北矿带风量调节方案

风量分配包括进、回风网和用风网的风量分配,进风网和回风网的风量分配相对简单，进风按自然分风，回风都为专用回风井[17].用风网主要按2个回采中段和2个开拓中段来考虑，并且每个中段分为5个分层，斜坡道又将每个分层分成2部分，故用风网的风量分配较复杂.一般风量分配主要有按需强制分风和自然分风.按需强制分风，风量分配均匀，能够最大限度地满足生产对风量的需求，有效风量率高，但需要辅扇太多，且设备费用较高，管理不方便.自然分风，改善了井下的工作环境，确保井下安全生产，大大减少了通风资金投入、有效降低成本.在能够满足生产需要的情况下应尽量多考虑采用自然分风.

利用上部生产结束的南北大巷作为南北矿带风量调节的通道，见图2，调节风量为44.5 m3/s，利用辅扇调节，型号为K-6-№17，功率75 kW.通风容易时期辅扇安装在-260 m中段，通风困难时期将辅扇安装在-360 m中段.根据南北矿带产量分布北少南多的特点，现场针对北矿带需风点28个及南矿带需风点41个进行测定，算出全矿需风量为73.76 m3/s+121.76 m3/s=195.52 m3/s，该矿采用充填采矿法，风量备用系数取 1.35，全矿风量为 1.35×195.52 m3/s=263.952 m3/s，取 264 m3/s,其中北矿带为 100 m3/s，南矿带为164 m3/s.利用Ventsim输入各影响因素所得数据模拟测得北矿带调节后风量为127.3 m3/s，南矿带调节后风量为164.6 m3/s，满足测定算值及调节方案.南北矿带调节辅扇基本情况见图3，南北矿带风量调节前后见表8.

图2 南北矿带风量调节方案Fig.2 Air flow regulation scheme in north and south ore belt

图3 南北矿带调节辅扇Fig.3 Regulating auxiliary fan in north and south ore belt

表8 南北矿带调节风量Table 8 Regulated air flow in north-south ore belt

2.4.3 中段通风网络优化方案

南矿带采用上向分层充填采矿法在下盘都设有1个充填通风溜矿井，该井与分层联络道贯通，上部与作为回风道的分段巷道贯通，压入式局扇装在分段铲运道上，污风经分层联络道充填通风溜矿井排入上部回风道.北矿带采场原采用中段专用回风道与采场溜井直接相通，利用溜矿井进行回风，压入式局扇安装在分层联络道口，新鲜风从分段巷道被压入进工作面清洗工作面，污风从溜矿井回到上一中段回风道.分段独头巷道空气不流通，粉尘、炮烟、有毒有害气体、污风不能及时排出，为了保证通风及回风，在端部形成专用回风天井，断面积为4 m2，长度为10 m或12.5 m，工程量不大，施工难度小，甚至可以利用端部采场溜井，将其顶部与上中段连通，便可形成中段分段巷道回风线路.中段通风网络的基本情况见图4，改造后中段回风网络的基本情况见图5、图6.从模拟的结果来看，回风效果得到了显著提高.

图4 原有北带中段通风网络Fig.4 Existing mid-north belt ventilation network

图5 北带中段网络改造示意Fig.5 Network reconstruction map of the middle section of the north belt

图6 北带中段网络改造示意Fig.6 Network reconstruction map of the middle section of the north belt

3 改造实施效果

矿井通风系统改造方案拟定以后，武山铜矿马上针对方案进行了落实，经过一年的施工，改造方案基本完成.对矿井进行了风速、风量、风压和功率等相关数据的测定.经过分析，软件仿真的模拟数据与测定数据大致相同，误差较小，考虑到矿井内通风情况十分复杂以及测量时不可避免的人为误差的因素，可以认为仿真结果真实可靠，利用Ventsim软件优化改造后具体数据见表9.

通风系统改造后，通过实测，通风鉴定主要指标明显提高，基本满足 《金属非金属矿山安全规程》（GB16423-2006）和《金属非金属矿山通风技术规范通风系统鉴定指标》等规程[18-20]要求，见表9.

表9 通风系统改造前后鉴定指标对比Table 9 Comparison of appraisal indexes before and after ventilation system reconstruction

原通风系统系统测定数据中，3台风机装置效率平均值为29.9%.由表5可知，通过Ventsim软件三维仿真模拟，由于实际现场诱发矿井回风的不可控因素众多，工作量大，只能利用工程类比法凭借经验去设定，将各主要因素导入Ventsim软件中，各个参数的合理性选取凭借经验法来确定，最终进行中段通风网络优化方案，模拟测定DK-Ⅱ-8-№25、DK-Ⅱ-8-№23、DK-Ⅱ-8-№24，3台风机在容易时期和困难时期效率平均值70.3%，63.5%.对比分析表5和表9，取模拟测定风机装置效率均值66.9%与改造后通风系统测定数据65.3%相比较，利用Ventsim软件得到的模拟效果与实测结果虽然存在细小误差，但总体上细小差异不显著，回风效果明显提高，优化了中段回风网络.

4 结 论

1）优化后的风量供需比达到1.5，满足了矿山的生产需求.同时主扇装置效率由29.9%提高到70.3%，得到明显提升，提高了矿井通风的技术质量.

2）利用南北大巷并结合辅扇调节南北矿带风量，有效解决了生产过程中难以控制南北运输巷的风流方向和大小的问题，使通风效果得到明显提升.

3）Ventsim三维仿真系统对矿井通风系统优化改造具有重要的指导意义，在方案实施之前应用三维仿真系统进行模拟，可以发现通风系统中存在的问题，能够避免盲目施工带来的经济损失.