基于三维仿真系统延深矿井通风系统优化研究

苑 栋，袁建文，汪光鑫，钟健民，叶光祥

（1.赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000；2.江西浒坑钨业有限公司，江西 安福 343200）

矿井通风就是将地表新鲜空气输送到井下，稀释并排出有毒、有害气体和粉尘等，净化作业面风质，保障井下空气新鲜。目前，因经济的迅速发展，物质资料需求不断增加，金属矿产资源消耗日渐增多，矿山逐渐转向深部开采。钨金属资源在日常生活及国防工业中发挥重要作用，但因多数钨矿山开采历史悠久，浅层资源已开采结束，矿山转入深部开采。受多方条件影响，部分矿山在深部开拓过程中，井下通风系统上下衔接不到位未能及时优化，使得井下常出现新鲜风量不足、污风循环等影响通风效果的问题[1]，严重影响井下作业环境，威胁矿工身体健康，给矿井正常生产造成不利影响[2-3]。

高效、稳定、完善的通风系统，是确保整个矿井安全生产和稳定运行的基础，对实现矿山可持续发展有深远意义。因此，本文以某钨矿山为工程实例，总结延深矿井通风系统在生产过程中存在的共性问题，应用3Dvent软件进行通风系统研究，改造矿井通风系统工程，改善井下通风效果[4-5]。

1 延深矿井通风系统存在的共性问题

随着采深延伸，开采范围扩大，钨矿山井下通风系统存在诸多共性问题，如通风网络设置不合理，主扇风机与风网不匹配，构筑物设置不恰当或者不完善等[6]，此类问题的存在，严重影响井下作业点通风效果。

1.1 井下通风网络设置不合理或不完善

井下通风网络合理规划和布置是通风系统稳定运行的基础，但矿井在实际生产中常存在下列通风网路问题，影响井下通风效果。

（1）因井下条件限制，深部中段存在边采边探问题，通风网络缺乏整体布局，风流线路规划不合理，深部中段风网与上部中段风网衔接性差，易造成整个通风系统新鲜风量不足。

（2）上部中段部分主要风井布置在采区内，因上部中段矿脉回采彻底，造成风井坍塌或被封堵，污风常通过上部中段采空区自由扩散排出到地表，但因采空区密闭不及时或者无法密闭，导致污风流中段反风至副井，造成井下有效风量率偏低。

（3）随着深部中段作业面的不断推进、延伸或生产规模扩大，产能的提升，深部中段规划风网受原风路巷道断面偏小挟制，风阻大增，为保证深部新鲜风量，势必要刷大原有的巷道断面或增大扇风机功率，增加投入成本。

1.2 风机与通风网络不匹配

井下主扇风机与风网不匹配，常造成井下通风系统风流紊乱、风量不足等现象，从而影响井下通风效果。随井下作业面的不断推进、延伸或生产规模扩大，易出现风机通风能力与风网不匹配[7-8]，而产生如下问题。

（1）主扇风机性能与通风网络不匹配，使得主扇风机运行效率偏低，风压和风量不满足井下通风需求。

（2）受深部中段产能提升，主扇风机选型要与当下风网匹配，避免选择过剩功率风机，容易形成大马拉小车的局面，先天失配。

（3）风机串联或并联作业时，稳定性和可靠性一般会降低，使得井下风流存在一定的波动性。

1.3 风机机站优化不及时

受井下开采范围扩大，采深不断延伸，原有设计的主扇风机机站位置设置不合理，或是风机性能衰减，往往造成井下风流难以调控，深部中段风量严重不足，作业点新鲜风量不够等问题。

1.4 井下通风构筑物设置不完善

通风构筑物的合理设置能有效调节井下中段风量分配，满足中段风量需求，改善通风效果。但在实际生产中，因井下人员、运输设备、爆破等因素影响，部分通风构筑物缺失或运行不当，从而产生一系列通风问题。

（1）通风构筑物管理不当。受井下设备运行或人员通行影响，通风构筑物（如风门）常处于开启状态，导致井下风流调控失效，造成井下风流短路，深部中段风量不足。

（2）井下采空区无法密闭或密闭不严，常出现漏风现象，造成风流短路。

（3）风机房风门密闭不严，风机内部风流循环，使得井下总风量不足，作业面通风质量差。

（4）回采结束中段常因某些原因，进风井石门处风门管理不当，未及时关闭，造成井下风流短路，影响通风效果。

1.5 自然风压对井下通风的影响

自然风压是一种受矿井地形、地温以及当地气候条件等因素影响而产生的能量，压差大小受进回风井高差、井筒内外温度差异等因素决定。通常情况下进回风井高差越大，风压作用越大；风井内外温差越大，风压作用越大。一般夏季时，自然风压阻碍矿井通风；而冬季时，自然风压辅助矿井通风。因此，延深矿井在通风系统优化时，应充分考虑自然风压对井下通风动力影响，优化通风线路，合理选取主扇风机。冬季时充分利用自然风压，使其辅助风机做功，降低风机能耗；夏季时采取必要的抵抗自然风压反作用而造成的井下风流紊乱、风量不足等现象的措施[9]。

2 通风系统优化方法

稳定的矿井通风系统是矿山安全有序高效生产的基础，定期的通风系统优化是保障矿井风流稳定的前提。因此，科学、高效和合理的通风系统优化方法能使通风系统稳定运行，且在一定程度上，能实现节能减耗、降低通风成本的效果。

2.1 传统的通风系统优化方法

（1）通风网络优化。一方面，根据下井中段作业点以及其他需风点位置、中段回风巷位置、主回风井位置、机站设置位置、需风点风量等因素考虑井下通风网络优化；另一方面，结合井下主要进回通风网络不同实测点断面尺寸、风速、风量、风质等参数，采用人工计算和经验判别法，确定井下通风网络是否满足当下通风需要。综合上述情况及相关参数，规划矿井整体通风线路，中段间风网线路和采场风网线路等，原有风网布置合理且满足井下通风，仍继续利用，如布置不当，重新规划布置合理的主回风井或中段通风天井，甚至主回风巷等，从而进一步优化完善通风网络，使其与通风系统相匹配，满足通风需求。

（2）通风动力优化。一是考虑通风动力系统与风网匹配，随着作业范围扩大或采深延伸，通风网络的改变，首先考虑通风方式变化，结合矿井生产能力，及应用的采矿方法等，选择合理的通风方式；其次风机机站位置选择，根据当前回采现状、通风线路布置、便于管理等因素，确定风机机站位置；二是考虑风机性能，判断风机性能通常在现场对调查风机的4个基本参数：风量、风压、功率和单台主扇效率。根据已测定风机的性能参数，结合井下总需风量和全矿通风阻力，判断主扇风机风能否满足当前通风需求，如果不满足，则可调节叶片安装角或更换新风机等方法。

（3）通风构筑物优化。通常在实际生产过程中，井下通风构筑常因缺失或管理不当等原因，未能有效调控井下风流。首先回采结束中段进回风路进行及时密闭；其次调节风流的风门或风窗管理到位；最后机站风硐严格密闭，机站进出风门密闭严实。

2.2 基于3Dvent仿真软件通风系统优化

3Dvent矿井通风仿真系统软件，采用Hardy Cross（斯考德—恒斯雷法）算法进行迭代计算，其内置独特的回路圈划算法，迭代计算收敛速度快，满足对大型复杂通风网络的模拟，性能稳定可靠。实现复杂通风网络解算，创建风机数据库，自动计算巷道通风阻力，风机自动选型，通风系统风流调控，串、并联风机设计等功能[10-11]。可适用于井下多风井、多机站通风系统优化，科学地完成通风系统风网优化、风机优选、机站布置等。

（1）风网优化。根据井下通风网络，划分风网节点，采集巷道、风路、风机、机站位置、进回风井原始参数等数据，建立3Dvent系统数据库文件，风网进行模拟解算时，系统调用原始参数文件，创建井下通风系统模型，模拟井下实际通风现状，计算并模拟各通风回路的风向、风阻、风量等，根据井下作业区并结合计算风阻，完成风网优选，实现通风系统优化。

（2）风机选型。依据井下需风量，设定风机机站风量，调用原始参数，3Dvent软件能自动遴选与通风网络相配的最优风机，并模拟出风机型号；自动计算各时期的井巷阻力，系统快速匹配最优风机型号，解决传统风机选型困难的问题，极大降低风机选型的原始手工计算量[12]。同时，可验证原始装机点风机型号选用是否恰当，以及调节叶片安装角度或是调整主扇安设位置是否得当，完成通风动力优化。

（3）风流调控。3DVent系统结合中段需风量可调节巷道风量，一是增阻调节，根据巷道断面和控制风速，适用风窗还是风门，并自动计算出风窗面积，并确定构筑安装位置；二是增压调节，系统调用风机数据库，自动匹配相应辅扇，并给出辅扇型号和相关工作参数，完成井下风流调控。

3 实例研究

3.1 矿山概况

某地下钨矿山开采年久，现已回采多个中段，全矿主要有3竖井，2条斜井，若干风井，通风系统较为复杂，为满足规划产量，现延深三个中段。早期原来的中央进风两翼回风的通风方式，转变为目前中央进风单翼回风的通风布置方式，原井下通风系统划分为东、中、西三个独立通风区域。随着上部中段回采结束，东区机站停机，中、西区通风系统在前期改造过程中划分不明显。目前因通风系统优化不及时，改造不到位等因素，造成井下通风系统存在诸多问题：

（1）井下总进风量不足。通过调查测定发现：240m中段至289m中段主风井，回风量仅为3.29m3/s，部分中段和井筒出现反风情况。主要原因是井下回风网络不通畅，原通风系统上部中段回风井设置在采区，回采结束后受到破坏，造成下部中段风流无法正常排出，导致进风量严重不足。井下回风网络阻力较大，因回风井或者回风巷道断面偏小，尤其是240m中段到289 m中段回风井出口断面仅3.47 m2。

（2）通风网络不完善。随着不断向深部开拓，井下污风被排到上部289 m中段后，因没有通达地表风井，而污风无法排到地表，仅靠空区自由扩散，没有形成有效的通风网络。又因部分主要中段回风井布置在穿脉或运输巷内，布置位置不合理，容易造成新鲜风流短路或污风流串联，例如-160 m中段308穿至-110 m中段307穿通风井。

（3）主扇风机装置效率不高。井下主扇布置在140 m、90 m和-10 m中段，通过测定发现三台主扇装机效率分别为45.3%、54.3%、40.6%，综合装机效率为47.4%，低于规定70%，见表1。

表1 主扇测定结果Tab.1 Main fan measurement results

分析原因：通风线路较长，部分中段间通风井断面较小，井下回风阻力较大，风机服务年限较久，140m中段和90 m中段机站风机服务20多年，风机整体性能下降，实测功率偏低；风硐的风门密合不严，存在漏风问题，也降低了风机效率。

（4）井下反风现象明显。通过调查测定发现：1#主井反风量10.26 m3/s，2#副井反风量1.06 m3/s，3#主井反风量3.24 m3/s；-10 m及以上各中段都存在反风现象，风流从中段流向2#副井，反风风量见表2。

表2 中段反风风量Tab.2 Air reversing volume of the middle section

分析原因：井下回风网络不畅，尤其是上部中段回风井回风能力受限，同时受井下空区影响，风流短路出现反风现象；受自然风压影响，井下通风系统受季节性气候变化影响较大，地面与井下温差变化造成井筒自然风压改变，5月底2#副井反风量为1.06m3/s，夏季最为明显，8月中旬2#副井反风量为7.96 m3/s；主风机能力不足，无法克服整个系统通风阻力，中段负压不足，造成中段回风能力不足；部分通风构筑物管理不当或者缺失，造成井下反风。

因上述通风系统存在的问题，导致矿井总进风量不足、风网不完善、风机效率偏低、风流反向等现象，造成井下作业面风量不足、粉尘浓度高、需风点环境差，严重影响矿工身心健康。

3.2 通风系统优化

结合矿山实际生产情况，制定如下优化方案，解决井下通风难题。

（1）明晰井下通风网络。首先，提出掘进通达地表风井，在289 m中段掘进通410 m中段风井（见图1），确保污风排出地表；其次，掘进深部中段-60 m至-10 m中段通风天井，确保深部-60 m以下中段污风进入-10 m中段回风巷；再次，疏通190 m中段至289 m中段主回风井，确保风路畅通；最后，根据回采顺序，规划中段回风线路。

图1 通风系统图Fig.1 Mine ventilation

（2）优化通风动力系统。调整机站位置，并更换新主扇风机；将原-10 m中段回风井处风机位置调整在-10 m中段主回风巷处，并将原K40-6-NO.17型号风机更换成DK40-6-NO.18型号风机，满足深部风量需要，同时可恢复东区机站。

（3）合理设置通风构筑物。上部回采结束中段和主风井石门设置风门或密闭风墙；140 m中段机站风门密闭；结合回采顺序，未打算回采备采作业面，及时密闭；强化通风构筑物管理。

根据上述通风系统优化技术方案，应用3Dvent矿井通风系统，进行仿真模拟和风网解算，验证技术方案的可行性，同时实现风机优选，并模拟井下各风流线路风向、风阻和风量。调用系统解算数据库，获取仿真模拟井巷风量数据，给出井筒和主要中段风量，并进行通风评价指标对比，见表3和表4。

从表3和表4可以看出，优化后通风系统统总进风量显著提高，各项通风指标满足规程要求，方案施工难度小，且改造环节对生产影响较小。通过应用3Dvent系统优化软件，有效解决了风机机站布置最佳位置选择问题，而且能实现风机最优选型，一定程度节约风机能耗，同时提高了井下通风效率，改善井下作业环境。

表3 井筒和中段风量比较Tab.3 Comparison of air volume in wellbore and middle section

表4 通风指标对比Tab.4 Ventilation index comparison

4 结论

（1）应用3Dvent系统对通风系统进行优化研究，实现通风网路三维仿真模拟，计算收敛速度快，性能稳定可靠，能快速计算优化风网、机站位置和风机选型。且能对井下风网进增阻和增压调节，适应因气候变化而对井下通风系统的影响，有利于通风系统运行稳定。

（2）合理地设置通风构筑物和高效地管理能够有效解决井下风流分配，通过调查发现，设置专职通风管理人员的矿井，井下通风构筑设施完备，且能充分发挥调节风流作用；反之，则其作用微乎其微。

（3）针对某钨矿山通风系统研究表明，基于通风仿真软件改造后的通风系统，有效解决井下风网设计不合理、风机与风网不匹配、风流紊乱等问题，保障井下通风风流有序性和稳定性，能为今后的通风系统优化提供一定指导意义。