矿井通风系统优化改造研究*

唐梦宇， 王晋淼， 付箫月， 吴勤俭， 黄端龙， 林佳豪

(湘潭大学 环境与资源学院，湖南 湘潭 411105)

0 引言

矿产资源的开发利用在我国经济发展中发挥着极其重要的作用.随着矿产资源开发不断往深部延伸，矿井通风系统作为矿山开采的八大系统之一，为给井下作业人员提供安全、舒适、良好的作业环境，扮演着极其重要的角色[1-2].然而在矿物资源的开发利用过程中，矿井通风系统好坏直接影响着井下作业人员的身心健康与工作效率[3].因而井下通风存在的问题成为制约矿产资源安全、经济、高效生产开发的一大难题[4].

随着矿产资源的不断开发利用，井下工作面不断被推进，通风网络不断延伸，网络结构交错复杂，常常出现各水平风量分配不足、风流短路与串联、污风循环、微风、无风、通风能耗居高不下等现象，从而导致井下工作环境恶劣，工作效率低，甚至会造成安全事故[5-9].由于上述存在的问题，对矿井通风系统进行优化改造是非常有必要的，以使井下作业环境满足职业健康要求.

因此，以某金属矿山为研究对象，针对风量分配不均衡、风量调节困难、通风效果差等一系列问题，结合理论分析与模拟实验展开研究，并借助三维矿井通风动态仿真软件iVent使矿山实际状况数字化、可见化，运用通风网络解算动态仿真模拟矿山通风现状，分析与诊断矿井通风系统存在的问题，最后进行优化改造，使其总风量与各水平风量满足需风量要求，提升矿井通风系统整体的安全性、稳定性，降低通风能耗.

1 工程概况

某金属矿井采用对角抽出式多级机站通风的方式，由地表向下布置的西风井与副井为通风系统提供新鲜风流，主回风斜井(东风井)负责整个系统的回风.多级机站布置情况：Ⅰ级机站被安设在矿体的两端，布置在-230 m水平东、西部进风井处.Ⅳ级机站布置在-50 m水平回风井联巷.且Ⅰ、Ⅳ级基站风机控制采用计算机自动化远程控制，可根据需要适时调控风机运转数量及时间.矿井通风系统概况图如图1所示.

图1 某金属矿井通风系统概况图Fig.1 Ventilation system of a metal mine

2 通风阻力测定与解算模型构建

为准确掌握该金属矿的风量分配情况以及通风阻力分布情况，通过选定测定路线以及布置测点，并采用气压计基点法进行测定，获得巷道的断面形状、支护方式、净宽、净高、断面积、风速、压差等参数，以此为基础，计算巷道的周长、面积、摩擦阻力系数、风阻、空气密度等参数.

此外，依据CAD平面图、各巷道实测点以及巷道轮廓线，利用DIMINE软件构建单线网络模型，将其导入三维通风动态仿真软件iVent中，并输入相应的通风阻力测定与计算的风阻参数，构建矿井通风网络解算模型，如图2所示.

图2 某金属矿的通风网络图Fig.2 Ventilation network diagram of a metal mine

3 矿井通风网络问题分析与诊断

以通风阻力测定数据为基础，借助三维动态仿真软件iVent，对该金属矿通风系统进行全面的问题分析与诊断，包括需风量核算、循环风分析、巷道风速分析以及风流方向合理性分析.

3.1 需风量核算

为更好地确定各需风点的风量是否达到通风要求，需准确计算出各水平的需风量.根据矿山的实际情况，每个工作面的需风量按排尘风速(0.25 m/s)乘以断面面积(16.67 m2)确定，硐室则按每个硐室的需风量1.5 m3/s确定.各水平所需风量与实测风量如表1所示.

表1 各水平风量对比分析

由表1可知，该金属矿通风系统中总需风量172.95 m3/s，小于实测风量347.08 m3/s，整个系统总风量能够得到满足，但-170 m水平的实测风量小于实际所需风量，而-125 m、-140 m、-155 m三个水平的计算风量要大于实际所需风量.因此，需要对各水平进行风量调节，避免不必要的能耗损失，减少生产运行成本.

3.2 循环风分析

循环风可能会使井下的有毒有害气体大量堆积，达到一定浓度时，会引起安全事故的发生.因此，对矿井通风系统进行循环风的检测分析是至关重要的[10].通过借助三维矿井通风动态仿真软件iVent对该金属矿通风系统进行循环风检测，测得该矿井通风系统存在两个循环风(以-50 m和-230 m水平机站为中心的循环风路)，如图3所示.

图3 循环风检测图Fig.3 Detect results of recirculating air flow

3.3 巷道风速分析

通过对该金属矿全矿井巷道风速进行分析，发现在-50 m水平的-50 m到5 m回风井处，存在一超速巷道，巷道风速达到20.969 m/s，远远超过规程规定的风速15 m/s.

3.4 风流方向合理性分析

对矿井通风系统内主要进、回风道，专用风井的风流方向进行分析，发现-170 m水平与主回风斜井处风流方向存在不合理现象，如图4所示.

图4 -170 m水平风流流向不合理图Fig.4 Incorrect air flow direction for -170 m level

4 通风系统优化方案拟定

针对该金属矿通风系统所存在的问题，考虑以最小化为原则，充分利用现有的通风调控设施，提出以下两种方案.

4.1 方案一

(1)对-50 m水平风流超速的通风巷道实施巷道扩刷，降低风速至15 m/s以下.

(2)在-170 m水平内回风井联巷处增设一台叶片角度为40°、效率为84.7%、额定功率为90 kW的K45-6-No16辅扇.

(3)针对-125 m、-140 m水平的风量远远大于实际所需风量的问题，避免通风能耗过高，在-140 m水平内回风联巷处安设一风窗，使进入-155 m、-170 m水平的风量增加，以满足其需风量的要求，如图5所示.

图5 -140 m水平回风联巷处安装风窗图Fig.5 Air window installed at the return air lane of -140 m level

(4)将-50 m水平内风机DK40-8-No26移动至地表.

4.2 方案二

(1)与方案一中(1)一致，对-50 m水平超速巷道进行巷道扩刷.

(2)在-110 m水平内-110～-50 m斜坡联巷处安装风窗，使-110 m水平中多余风量调节至下面几个水平，如图6所示.

图6 -110 m水平内-110 ～-50 m斜坡联巷处安装风窗图Fig.6 Air window installed at -110 ～ -50 m slope lane of -110 m level

(3)在-140 m、-155 m两水平内回风联巷处各安装一风窗，使两水平多余风量调节至实际风量较小的-170 m水平.

5 矿井通风优化方案确定

5.1 两优化方案数据对比

根据制定的两种优化改造方案，借助iVent软件进行模拟分析，将两种优化改造方案的各种参数、数据进行对比分析，其中两方案优化后各水平风量对比如表2所示，扩刷巷道前后数据对比如表3所示，两方案增加风机与构筑物对比如表4所示.

表2 两方案优化后各水平风量对比

表3 巷道扩刷前后数据对比

根据表2可知，两方案都满足通风系统实际需求，而方案二各水平风量贴近实际所需风量且总体风量小于方案一，比较符合实际所需.

由表3数据显示，两方案进行扩刷巷道后的风流风速已满足其限定标准，解决了安全隐患.

由表4可知，方案一实施的困难程度要高于方案二，其复杂程度也高于方案二.于施工难度方面来说，方案二可行性较高.

5.2 合理性分析

(1)技术可行性分析

方案一和方案二的主要技术手段是在现有通风网络的基础上进行优化改造，其中方案一的主要关键措施是增设辅扇、通风建筑物、扩刷巷道和调节风机位置，而两种方案本质上的区别是方案二用两个通风构筑物(风窗)来代替方案一的辅扇，以满足各水平风量需求.

由两方案对比可看出，方案一的施工周期要比方案二长，风机的移动会使整个矿井的一系列生产活动受到影响.此外，方案一还增加了一辅扇.因此，方案二优于方案一.

(2)经济合理性分析

根据表5数据可知，施工工程量相同，其施工费用也相同，但从购置设备的费用上比较，方案一的费用更高.因此，在经济方面，还是方案二更胜一筹.

表5 两方案工程量与实施费用对比

5.3 优化方案选定及效果模拟分析

从各水平风量分配方案来说，方案二的风量配比最优；从技术性角度分析，方案二实际操作起来比较简易，可实施性强且对矿井正常生产影响较小；从经济合理性比较，方案二的经济输出小于方案一；从综合性分析来看，方案二的性能优于方案一.由此可见，最佳方案为“方案二”.选定方案后，利用三维动态仿真软件iVent进行模拟，对其实施效果进行分析：

(1)满足矿井总需风量需求，各水平风量分配合理且满足其需风量要求；

(2)通风系统所有巷道风速达到规定要求；

(3)解决了井下循环风流的影响，提高了整个系统通风效率.

6 结论

(1)借助三维动态通风仿真软件iVent，分析与诊断某金属矿通风系统存在风量分布不均衡、巷道风流超速、风流串联、循环风以及通风网络结构复杂等问题，从而使整个通风系统通风效果不佳且能耗较高.

(2)针对通风系统中存在的问题，充分利用已有的通风调控设施，即通过增加构筑物、辅扇以及扩刷断面等技术手段，制定了两种优化改造方案，在此基础上，从技术与经济两方面，对两方案进行对比分析，确定出方案二为最佳方案.

(3)对最佳方案二进行效果模拟分析，方案二不仅满足矿井总需风量要求，且各水平的风量分配合理，解决了巷道超速与井下循环风问题，实现了井下按需通风并降低了通风能耗.