基于Ventsim的矿井通风系统优化及应用

聂军 陈新

摘要：随着浅部资源开采殆尽，高峰矿业公司已由浅部转入深部开采。以高峰矿业公司通风系统为研究背景，在实地调研和全面勘测其通风系统的基础上，有针对性地提出了“三进两回”通风系统优化方案，并基于Ventsim仿真模拟软件对通风优化方案进行模拟分析。结果表明：“三进两回”通风系统优化方案能达到优化设计要求，矿井进风量明显提高，回风量由59 m3/s增大到79 m3/s，风机运行效率达79.2 %，优化效果较好，可作为高峰矿业公司通风系统优化的基础方案。

关键词：深井开采;Ventsim软件;仿真模擬;通风系统;通风网络

中图分类号：TD724文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2021）05-0029-06   doi：10.11792/hj20210506

引 言

矿井通风优化研究是通风管理工作和矿井设计过程中的一项重要任务和内容，建立一个满足生产要求的合理通风系统，是井下生产安全、提高经济效益的有效保障。矿井通风系统优化要能够达到改善井下作业环境，提高通风系统的有效性，节能、经济的目的[1-2]。

广西华锡集团高峰矿业有限责任公司（下称“高峰矿业公司”）自1990年开始主要开采-79 m标高以上的100号矿体、1号矿体和100-1、100-2等矿体，其中100号矿体为主采矿体。经过多年生产和建设，现已形成斜井-竖井联合开拓方式，采用机械化上向水平分层充填采矿法开采，采、选生产能力已达1 000 t/d。

由于浅部资源已经枯竭，目前高峰矿业公司开始转入深部开采，开采深度达723.5 m，主采矿体为105号矿体。根据105号矿体现状调查的各民窿井巷分布情况，结合现有开拓系统，综合分析现有民采井巷与100号矿体开采系统的关系，以尽量利用已有工程为原则，将可利用工程与现有系统进行有机结合，减少105号矿体开发的基建工程量，加快开发进程。同时，为充分利用矿山已实施的详查工程，向下延伸开拓105号矿体，新形成的开拓系统与上部现有的100号矿体开采系统进行合理衔接，共同完成105号矿体开采的接力提升任务。目前矿区生产提升由主提升系统、副提升系统联合完成，提升能力尚有富余。

高峰矿业公司作为一个历史悠久的矿山企业，井下通风系统十分杂乱，而且由于民采盗采猖獗，造成系统漏风、短路，成为井下安全生产的瓶颈问题。由于通风效果差，井下众多主要巷道温度超过了30 ℃，部分巷道温度甚至达到33 ℃以上，工人长期在高温环境下作业，对身心健康和高效生产都有极大的影响。因此，有必要对高峰矿业公司的井下通风系统进行全面的分析和优化，采用成熟的理论分析和先进的计算机通风软件模拟等手段，优化通风系统，科学合理地布局全新的、安全稳定的井下通风网络。

1 通风系统优化原则

1）从矿山具体条件出发，根据矿井开拓方式、采矿方法、矿井生产能力和矿区地形地貌等因素，确定合理的通风系统。

2）减少矿井内部漏风、提高有效风量率、形成完整的中段通风网络和采场通风网络是建立完善的矿井通风系统的重要措施。

3）在保证正常、良好通风效果的前提下，尽量降低通风费用。通风系统以不开拓通达地表的新进风井和回风井为宜，尽量利用现有的通风井巷，以减少专用通风井巷的工程量和工程费用。

4）由于主井运输、行人频繁，进风很难控制，进风路线较长，造成风流到达深部时温度已经变高，风流质量受到一定污染。因此，设计将主井进风作为辅助进风系统，深部中段依靠专用进风斜井进风，以满足深部生产通风降温需求。

5）实行机械通风，遇矿井火灾等灾害时实现反风，设计使用新一代高效节能通风机械设备。

6）根据矿山气候条件变化和自然通风规律，充分利用自然通风的有效作用，控制自然通风的有害影响。

7）矿井通风系统运行稳定可靠，管理方便。

2 通风系统优化方案

根据高峰矿业公司通风系统的实际工程条件，确定其通风系统的优化方案为“三进两回”，即竖井+主斜井、田角锌窿、下拉甲窿为进风井，其中下拉甲窿设计为深部专用主进风井;黄瓜洞回风斜井、恒源窿为回风井，各用风中段回风巷末端安装风机作为一级机站回风。原100号回风系统50 m、250 m和450 m风机站分别作为二级机站、三级机站和四级机站回风。恒源窿回风斜井为深部回风井，118 m回风中段安装主扇进行抽出式回风。回风方面可大致分为2个相对独立的回风系统。通风系统优化方案风路如图1所示。

系统进风路线：①新鲜风流→竖井+主斜井→盲斜井+主斜坡道→3#、4#和11#盲斜井→5#、6#、7#盲斜井→中段平巷→工作面。②新鲜风流→田角锌窿→-60 m中段→5#、6#、7#盲斜井→中段平巷→工作面。③新鲜风流→516 m平窿→盲斜井→191 m水平盲斜井→-21 m中段→-50 m 1#盲斜井、-22～-166 m盲斜井、-103 m 1#盲斜井和-166～-200 m盲斜井→中段平巷→工作面。

系统回风路线：①污风→回风斜井→-103 m主回风巷→-100～205 m回风斜井（原龙山窿斜井）→回风天井→回风斜井（250～450 m）→450 m回风平巷→黄瓜洞回风斜井→地表。②污风→南、北回风立井→-100 m北回风巷→-110～118 m回风斜井→118 m回风机站→2#、3#回风斜井→恒源窿回风巷→地表。

3 Ventsim仿真模拟及分析

从20世纪中叶开始国内外众多科研工作者对于数字化矿井通风管理软件进行了深入、持续研究，并取得了丰硕的科研成果。目前，应用较为流行的是澳大利亚Chasm公司开发的三维可视化矿井通风模拟软件Ventsim。该软件以其方便的建模，合理的风路模拟、风机选型，以及功能多样的火灾等灾变模拟而得到广泛应用。Ventsim仿真模拟软件依据风量平衡定律等原理，采用Hardy-Cross迭代算法求解通风网络，对变化复杂的矿井通风系统进行动态控制，建立通风系统模型[3]。

3.1 生产前期

封闭原华星窿回风斜井及与其相关的118 m风机站回风巷，防止发生污风循环。对-103 m北到118 m风机站回风斜井刷大断面到11 m2，加大回风能力。其他回风系统不做调整。进风方面刷大下拉甲窿窿口及相关斜井断面到11 m2，增大深部进风量。对模拟中出现的循环风流，通过密闭等方法解决，最终模拟达到预期效果，具体结果如表1所示。

矿井风阻特性曲线如图2所示，模拟风机运行情况如表2所示。

分析优化结果可知：矿井总进风量为157.3 m3/s，相比原通风系统进风量118.5 m3/s有较大增加，并且接近矿井总需风量165.1 m3/s，同时下拉甲窿进风量达到70.7 m3/s，田角锌窿进风量达到19.8 m3/s，深部总进风量达到90.5 m3/s，相比原通风系统深部进风量57.4 m3/s增大33.1 m3/s，深部总进风量增大较

多，能有效解决深部供风不足问题。风机数量减少，装机总功率由原来的2 020 kW下降到1 410 kW，方便了风机管理，节约了通风电费。矿井总风阻为0.063 53 N·s2/m8，小于0.353 N·s2/m8。矿井总等积孔为4.72 m2，大于2 m2，矿井为通风容易矿井。

3.2 生产后期

在生产前期的基础上对模型做出调整，增加创建-250 m～-400 m中段模型，延伸7#盲斜井至-400 m中段，增加-200 m～-400 m中段8#盲斜井为人行运输斜井。在-103 m～-200 m中段南北走向巷道两端设置风门或风墙，在中段进风口设置风门限制风流流量，以保证风流向深部输送。污风由南北回风天井汇入上部回风中段，分别经黄瓜洞回风斜井及恒源窿回风斜井排出地表。对模拟中出现的循环风流，通过密闭等方法解决，最终模拟达到预期效果，具体结果如表3所示。

矿井风阻特性曲线如图3所示，模拟风机运行情况如表4所示。

分析优化结果可知：矿井总进风量为160.7 m3/s，相比原通风系统进风量118.5 m3/s有较大增加，并且接近矿井总需风量165.1 m3/s，同时下拉甲窿进风量达到64.3 m3/s，田角锌窿进风量达到26.4 m3/s，深部总进风量达到90.7 m3/s，相比原通风系统深部进风量57.4 m3/s增大33.3 m3/s，深部总进风量增大较多，能有效解决深部供风不足问题。风机数量减少，装机总功率由原来的2 020 kW下降到1 590 kW，方便了风机管理，节约了通风电费。矿井总风阻为0.081 40 N·s2/m8，小于0.353 N·s2/m8。矿井总等积孔为4.17 m2，大于2 m2，矿井为通风容易矿井。

4 通风系统优化应用效果

基于Ventsim三維仿真模拟，通过对通风网络的调整，在风流路线、通风构筑物、巷道风阻和风机等方面对高峰矿业公司通风系统进行了优化，矿井进风量得到显著提高，在满足浅部100号矿体用风需求的前提下，深部进风量增加，有效改善了深部作业面工作环境。

4.1 100号矿体

100号矿体通风网络改造优化旨在满足各中段用风需求的条件下将新鲜风流向深部输送，尽量减少风流流经提升斜井，引导风流通过斜坡道、人行主巷和人行运输斜井。本文仅以400 m中段为例展示优化应用效果。400 m中段原通风网络如图4所示，优化后通风网络如图5所示。

由图4、图5对比可知：经过通风系统优化，400 m中段总进风量由31.0 m3/s降为17.0 m3/s。将竖井马头门栅格门换为钢制风门后，竖井进风由8.2 m3/s降为2.2 m3/s;2#盲斜井联道新增钢制风门后，1#和2#盲斜井总出风量由22.6 m3/s降为4.4 m3/s，斜坡道出风量由8.4 m3/s增加到12.5 m3/s。以上措施有效减少了400 m中段进风量，有利于富余风流向深部输送，2#盲斜井进风量骤减，有效防止了风流被污染，斜坡道进风量得到增加。水泵房附近由于风机的错误安置，致使出现循环风现象，通过将风机反向，循环风消失。

4.2 主通风机

通风系统优化中恒源窿回风斜井为深部回风井，118 m回风中段安装主扇进行抽出式回风。回风方面可大致分为2个相对独立的回风系统，原100号回风系统不做大的改动，将118 m风机站多回风井、多风机并联重新设计为少回风井、主扇抽出式回风。通风系统优化前后118 m风机站风机布置情况如图6所示。

由图6可知：118 m风机站原回风部共连接4条回风斜井，分别为连接恒源窿口的2#和3#回风斜井，连接华星窿口的1#和4#回风井。每条回风井分别安装SD-No14（2×110 kW）型风机，由于4#风机长期处于关闭状态，造成污风循环，存在安全隐患。通风系统优化方案采用主扇抽出式回风方式，为了减少多条民窿斜井漏风和难以管理的问题，决定优化回风路径，对华星窿回风斜井进行密闭，采用恒源窿作为回风井;安装DK45-6-No20（2×250 kW）型高风压风机代替原布置风机;-60～118 m风机站1#回风斜井原过风断面较小，造成风阻偏大，设计将其断面积由8.4 m2扩大到11.3 m2，风阻由0.135 27 N·s2/m8降为0.067 87 N·s2/m8。回风量由原来的59 m3/s增大到79 m3/s，主扇全压3 694.8 Pa，风机运行效率79.2 %，优化效果较好。118 m风机站主扇运行情况如图7所示。

5 结 论

1）通过对高峰矿业公司通风系统进行全面勘测，针对通风系统存在的问题提出“三进两回”通风系统优化方案：竖井+主斜井、田角锌窿、下拉甲窿为进风井，其中下拉甲窿设计为深部专用主进风井;黄瓜洞回风斜井、恒源窿为回风井，各用风中段回风巷末端安装风机作为一级机站回风。100号矿体回风系统50 m、250 m和450 m风机站分别作为二级机站、三级机站和四级机站回风。恒源窿回风斜井为深部回风井，118 m回风中段安装主扇进行抽出式回风。

2）基于Ventsim通风系统仿真模拟软件对高峰矿业公司通风系统优化方案进行模拟分析，结果表明该优化方案能达到优化设计要求，可作为高峰矿业公司通风系统优化的基础方案。

[参考文献]

[1] 聂军，陈新，侯俊.基于Ventsim的矿井通风风量模拟研究[J].黄金，2019，40（2）：29-32.

[2] 樊晓明.矿井通风系统优化设计探讨[J].科技致富向导，2014（6）：132.

[3] 冯福康，严鹏，王宜勇，等.海沟金矿采空区漏风调查及治理[J].黄金，2017，38（7）：26-29.

Optimization and application of mine ventilation system based on Ventsim

Nie Jun1，Chen Xin2

（1.China Nonferrous Metal Construction Co.，Ltd.;2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：With the depletion of shallow resources，Gaofeng mining company has transferred from shallow to deep mining.Taking the ventilation system of Gaofeng mining company as the research background，on the basis of field survey and comprehensive investigation on its ventilation system，the "three-in-two-return" ventilation system optimization scheme is put forward.The ventilation optimization scheme is simulated and analyzed based on the Ventsim simulation software.The results show that the "three-in-two-return" ventilation system optimization scheme can meet the optimization design requirements，the intake air volume of the mine is obviously increased，the return air volume is increased from 59 m3/s to 79 m3/s，and the fan operation efficiency is up to 79.2 %.The optimization effect is good.The scheme can be used as the basic scheme for ventilation system optimization of Gaofeng mining company.

Keywords：deep mining;Ventsim software;analogue simulation;ventilation system;ventilation network

收稿日期：2020-10-10; 修回日期：2021-01-20

基金項目：“十三五”国家重点研发计划项目（2017YFC0602902）;中南大学中央高校基本科研业务费专项资金（2016zzts096）

作者简介：聂 军（1988—），男，重庆人，工程师，硕士，从事采矿工艺研究工作;北京市朝阳区安定路10号中国有色大厦南楼1102，中国有色金属建设股份有限公司，100029;E-mail：xfcycsu@126.com

通信作者，E-mail：chenxin_ck@csu.edu.cn，15116336263