按需通风技术在加拿大léonore金矿的应用

曹龙 杨敏

摘要：随着矿山开采不断向深部区域推进，良好的矿井通风技术对于改善井下工作环境、保证地下矿山安全、高效开采至关重要。以加拿大léonore金矿为工程背景，利用按需通风技术，采用智能化调节矿井通风网络，实现了主风机、局扇、风门及风窗等通风构筑物的远程、自动化、闭环控制，提高了风流利用率，有效保证了井下通风效果。现场试验结果表明：采用按需通风技术，通风量和冬季井口预热热质消耗量节约28.57 %，主扇耗电量节约66 %，局扇耗电量节约90 %以上。

关键词：深部开采;通风技术;按需通风;智能化通风;通风系统

中图分类号：TD72文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）12-0038-04doi：10.11792/hj20211208

引 言

矿井通风是保障矿井安全高效生产的重要技术手段，矿山在生产过程中必须源源不断地将新鲜风流输送至井下各工作面，稀释和排除污风流，保证井下人员、设备的工作环境符合要求。科学的矿井通风是将新鲜风流“按时、按需”输送至井下各工作面，使得新鲜风流最大程度被有效利用，保证工作面通风效果，降低通风成本[1]。

矿山按需通风（Ventilation on demand，VOD）技术于20世纪末开始应用，其主要目的是使用最少的通风成本，最大限度地保证井下工作环境舒适，保障井下工作人员身心健康[2]。国外按需通风技术起步较早，经过多年发展，目前已相对成熟，

国内随着矿山发展的需求，众多专家学者进行了诸多研究。

伍海亮等[1]从作业面类型分布等影响实际需风量大小的因素着手，通过一定的监测手段反馈到VOD智能通风控制系统及风量监测技术并自动计算实际需风量和实际供风量，实现自动调节控制风机的开停或变频调速和通风系统风机风量的闭环控制。

谢贤平等[3]初步研究了矿井通风信息的采集和处理，确定了信息界定的原则、依据、方法和范圍，初步探讨了矿井通风设计与决策技术的多种综合集成方法。葛启发等[4]从通风计划、通风设备、人员定位、风流监测和按需通风控制管理系统等方面对整个矿山的按需通风系统进行介绍，并运用三维通风仿真软件Ventsim Visual对全矿区域通风方案进行模拟比较，分析其节能效果。周福宝等[5]基于风网调节的非线性优化模型提出了矿井智能控风模型，设计了矿井通风智能调控执行与反馈的标准化工作流程，围绕矿井智能通风系统功能的具体实现，分别从矿井通风参数精准监测等关键技术详细阐明了矿井智能通风功能的实现路径。吴玉水等[6]在全面分析总结中国南方某铀矿矿井通风系统存在问题的基础上，以按需分风的通风网络优化技术对原有通风系统进行优化，提出了矿井通风系统总体改造方案。

目前，国内矿山处于通风网络局部智能控制阶段，尚无全矿实现按需通风的工程案例。本文介绍了加拿大léonore金矿采用按需通风技术，利用井下通风的供需动态平衡原理，建设了矿井通风智能控制系统，实时监测工作面空气质量和人员、设备位置等，实现了井下通风设备的自动化控制，降低了矿井的通风能耗及成本，为国内矿山按需通风技术发展提供借鉴及技术支撑。

1 工程概况

léonore金矿位于加拿大魁北克省蒙特利尔市北部，距离蒙特利尔市区80 km。矿区属于温带大陆性湿润气候，年平均气温6.4 ℃，最高气温37.8 ℃，极端最低气温-36.1 ℃，年平均相对湿度80.76 %。2003年美国弗吉尼亚州地质公司探获了léonore金矿资源，2006年加拿大黄金矿业公司收购了léonore金矿的矿业权。该矿山于2011年开始建设，并于2015年建成投产。矿山设计采矿规模300×104 t/a，年产金金属量11 t，矿体赋存深度0～1 400 m。采用竖井+斜坡道开拓方式，分段充填采矿法回采。矿山在垂直方向上共划分7个采区，单采区垂高120～200 m，以分段为回采单元进行回采，分段高度30 m，全矿共设置42个分段。采用中央并列式通风系统，分区压抽结合通风方式。矿山地处寒冷地区，为避免冬季井口结冰，设生物质热风锅炉进行井口预热，燃烧热质为丙烷。一般从10月至次年4月需井口预热，全年采暖期约7个月。

2 按需通风设计

矿山井下通风时时刻刻影响着井下工作人员的安全及矿山工作效率，为保障井下工作顺利进行，需要向井下连续输送必要数量的新鲜空气，以稀释并排除有毒有害气体和矿尘。本文根据按需通风原理，设计采用通讯网络、通风控制系统（Ventsim ControlTM）、通讯柜（Communications Cabinets）、监测控制站（MCS/MCSG）、传感器、风机启动器、调速装置、自动调节门、实时定位跟踪系统等构成矿井通风智能控制系统，通过监测并计算井下需风量，及时向井下输送新鲜风流。矿井通风智能控制系统构成及控制逻辑如图1所示。

通过使用矿井通风智能控制系统，可利用传感器和实时定位跟踪系统将井下工作面空气质量和人员、设备位置等数据传输至监测控制站，经通讯柜处理后传输至地表通风控制系统。地表通风控制系统对通风网络进行自动解算、优化后，将控制指令经通讯柜处理后发送至监测控制站，并对主扇、局扇及通风构筑物进行调节，保证工作面风流质量。

3 按需通风技术的应用

léonore金矿采用中央并列式通风系统，分区压抽结合通风方式，如图2所示。矿山设计最大需风量590 m3/s。为满足矿井生产作业通风需要，1号竖井地表井口设置2台300 kW主扇、2号竖井地表井口设置2台750 kW主扇，压入式;斜坡道地表井口设置2台2 000 kW主扇，抽出式;全矿设置63台25 kW局扇、71台75 kW局扇和60台150 kW局扇。全矿地表主扇电动机总功率6 100 kW，地下局扇电动机总功率15 900 kW。为保证通风系统的安全性和高效性，léonore金矿采用了较先进的按需通风技术。

léonore金矿配备了一套矿山全范围追踪定位监测系统，其144台作业车辆均配备无线射频识别卡（RFID），以实时、准确地显示这些车辆的井下位置及车辆引擎的运行情况。同时，每名井下工作人员也配备了唯一的无线射频识别卡，该识别卡可将信息传输至矿内254个数据信息接入点中的其中一点，以进行后续的数据分析，之后这些接入点通过混合光纤网络将追踪定位信息传输至地面的控制室。利用追踪定位系统传输的实时数据，地表控制室的按需通风逻辑分析软件可以解算出井下各区域的实际通风需求量，然后将计算结果反馈给井下112台局部通风机、60套调节风窗和7套调节风门，实现主扇风机转速调整，以及局扇开停和风门、风窗状态的自动调整，实现了井下各工作面新鲜风流的按需供给，提高了风流利用率，节约了通风能耗。该矿山配备的主扇、局扇均采用变频控制系统，且叶片角度智能可调，以保证主扇和局扇一直处于高效区运行，达到最优节能效果;该矿山配备的风门、风窗运行状态均为液压智能调节，保证风量分配的高效性和合理性。采区监测监控设备布置是智能通风系统的基础，该矿山通风设施分段布置如图3所示。

目前léonore金矿所有通风设备可实现自动化控制，可向井下各区域供应充足的新鲜空气，为所有井下人员创造舒适的作业环境。同时，由于采用按需通风技术，矿井通风成本大幅下降，主要表现在矿井总通风量下降和局扇无效运行减少等方面。

1）矿井总通风量下降。矿山井下为多工种、相互交替的生产工序，井下工作面位置和个数根据生产组织要求频繁发生调整，井下同时运行设备数量也时刻在发生变化，因此矿井实际需风量一般为动态变化数值，而按需通风技术正是利用矿井通风供需动态平衡原理，实现通风节能的效果，如图4所示。

由图4可知：若不采用按需通风技术，井下各工作面风量均按工作面最大需风量要求分配，全矿总通风量约490 m3/s，主扇按额定功率持续运行，通风耗能较大;采用按需通风技术，矿井实际通风量与需风量接近动态平衡，实际通风量一般约350 m3/s，主扇实际转速下降为额定转速的70 %左右，主井运行功率下降为34 %（功率与转速三次方成正比），主扇节能66 %;采用按需通风技术，矿山17：30：00—19：00：00时段为倒班时间，井下无作业人员，矿井需风量为0，主扇实际转速下降为额定转速的30 %左右，主井运行功率下降为3 %，主扇耗能极小。

同时，由于采用按需通风技术，矿井实际平均通风量由490 m3/s下降为350 m3/s左右，下降28.57 %，冬季井口预热风量、预热热质消耗量也均随之下降28.57 %，减少了丙烷热质消耗量，节约了井口预热成本，减少了二氧化碳等污染物排放，利于环境保护。

2）局扇无效运行减少。高效调节局扇运行是按需通风技术的核心，léonore金矿配备不同功率等级局扇为矿山服务，采用150 kW局扇负责采区风量分配，采用75 kW局扇负责分区内各分段风量分配，采用25 kW局扇负责分段内各工作面風量分配。各功率等级局扇运行累计时间、实际转速和耗电量如表1所示。

由表1可知：若不采用按需通风技术，工人手动开停局扇，一般考虑倒班暂停作业时间等，局扇每天运行时间约21.6 h，由于缺少智能调控，局扇通常按额定转速运行。采用按需通风技术，局扇根据生产通风需要实时开停，同时根据工作面需风量智能调节转速。局扇服务范围不同，节能效果略有不同，但是3个功率等级局扇均可以实现节能90 %以上。

4 结 论

1）按需通风技术达到最优节能效果的前提是矿井主扇和局扇均为变频控制，且主扇和局扇叶片角度可智能调节，保证主扇和局扇高效运行，而目前国产风机设备尚未实现叶片角度智能调节，因此本文对国内风机设备发展有一定指导意义。

2）按需通风技术实现工作面合理、高效风量分配的前提是风门、风窗等通风构筑物运行状态均为液压智能调节。

3）利用按需通风技术，能大幅降低矿山通风能耗，节约矿山开采成本，在加拿大léonore金矿的应用中，其通风量和冬季井口预热热质消耗量均节约28.57 %，主扇耗电量节约66 %，局扇耗电量节约90 %以上。

4）按需通风技术可以提高新鲜风流利用率，在保证矿井良好通风效果的同时，能够大幅减小通风耗能、井口预热耗能、井下制冷降温耗能，简化通风管理，在严寒地区或大型热害矿井中，优势更加突出。

5）近年来，中国矿山开采技术快速发展，随着“机械化换人、自动化减人、智能化无人”绿色智慧矿山理念的提出，引入矿山按需通风技术，实现矿山通风系统数字化、智能化管理，是中国金属矿山矿井通风发展方向。

[参 考 文 献]

[1] 伍海亮，王鹏，潘军义，等.金属矿山井下VOD智能通风技术研究[J].金属矿山，2014（6）：123-127.

[2] 万三明，刘祖文，朱易春，等.基于Ventsim软件的金属矿山矿井通风系统优化[J].江西理工大学学报，2014，35（5）：12-16.

[3] 谢贤平，韩孟微.矿井通风信息化和智能化研究[J].云南冶金，2012，41（5）：1-7.

[4] 葛启发，于润沧，朱维根，等.按需通风技术在某矿山工程设计中的应用[J].中国有色冶金，2017，46（6）：58-63.

[5] 周福宝，魏连江，夏同强，等.矿井智能通风原理、关键技术及其初步实现[J].煤炭学报，2020，45（6）：2 225-2 235.

[6] 吴玉水，周泉宇，李向阳，等.我国南方某铀矿井通风系统优化改造研究[J].南华大学学报（自然科学版），2013，27（3）：16-19.

Application of ventilation on demand technology in léonore Gold Mine，Canada

Cao Long1，Yang Min2

（1.Changchun Gold Design Institute Co.，Ltd.; 2.Houghton Group Canada）

Abstract：With the continuous advancement of mining to the deep region，good mine ventilation technology is very important for improving the underground working environment and ensuring the safety and efficient mining of underground mines.Based on the engineering background of léonore Gold Mine in Canada，this paper adopted the technology of ventilation on demand and the intelligent regulation of mine ventilation network to realize the remote，automatic and closedloop control of ventilation structures such as main fan，local fan，air door and air window，which improves the utilization rate of air flow and effectively ensures the underground ventilation effect.The field experiment results show that  the ventilation volume and preheating thermal mass consumption in the winter can be reduced by 28.57 %，that the main fan power consumption can be reduced by 66 %，and that local fan power consumption can be reduced by over 90 % by using VOD technology.

Keywords：deep mining;ventilation technology;ventilation on demand;intelligent ventilation;ventilation system