深部矿井通风系统调试优化方案与数值模拟分析

姚银佩

(长沙矿冶研究院有限责任公司)

某矿山由浅部开采逐渐进入深部开采，随着开采深度不断加大，采矿技术条件发生变化，需要采取相应的完善改进措施，及时对通风系统网络进行调节和优化，改善通风效果，满足矿山深部安全生产要求[1]。特别是矿山浅部工程结束转入深部工程的阶段性生产转变，通风线路延伸，阻力增大；矿山开采技术条件变化，风网复杂程度增加；主扇设备仍处于矿山开采前期的设计状态，叶片安装角度小，装置效率低，设备能力不足等。因此，在矿山转入深部工程后，要对矿井通风系统进行检测，进行必要的通风系统整体调试和优化，发挥矿井通风系统的潜力，选出一个投入少、效果好、周期短的优化方案，理顺通风系统网络，调整通风系统能力，确保满足矿井安全生产的需要。

1 工程背景

该地下开采矿山采用斜井开拓，主斜井和回风斜井(平硐)2个井筒通达地表，采矿方法为浅孔留矿采矿法，目前主要开拓中段为130 m、80 m、50 m、30 m中段，130 m中段为主要矿石运输中段，80 m、50 m中段为生产中段，30 m中段为探矿中段。根据矿山工程设计，矿山设计生产规模为7.0万t/a，深部通风系统为两翼对角地表抽出通风方式，通风系统设计风量为28 m3/s，系统阻力550 Pa，主扇型号为K40-6No.15。浅部中段作业结束后，转入深部工程开采，出现了井下风流风向紊乱，污风串联严重，污风难以及时排出等问题。为此，有必要进行矿山井下通风现状调查及检测，总结井下通风系统存在的问题，进行相应的通风风路调试与系统优化，以满足矿山井下生产通风需求，确保安全生产。

2 通风系统现场检测与问题分析

2.1 通风系统风量检测与分析

对通风系统主要节点风量进行现场实测，结果见表1。经分析可得出下列问题[2]:

表1 通风系统主要节点参数测定结果

1)通风系统总进风量为20.64 m3/s，总回风量为22.16 m3/s，系统进回风量基本平衡，但目前的风量未达到通风系统设计的风量。

2)二级斜井反向风流为80 m中段风流进入二级斜井，说明80 m中段风路控制设施不到位，造成污风串联，也反映了通风网络不完善。

3)130～170 m回风斜井回风量为16.70 m3/s，比地表回风口回风量小5.46 m3/s，说明315 m至130 m回风段存在漏风，漏风量为5.46 m3/s。若通风系统风量增加，则会进一步增大漏风量，需要查找漏风点并及时封堵。

2.2 主扇风机运转工况检测与分析

根据对通风系统主扇运转工况的试验与检测，其检测值见表2，叶片安装角度32°时，风机风量为22.16 m3/s，压力786 Pa；叶片安装角度>32°时，风机风量为24.10 m3/s，压力795 Pa。说明增加叶片安装角度，风机风量和压力增加不明显，风机已经发挥最大能力，但电流由60 A增大到80 A，风机运转功率增加，而风机运转效率降低，仅为52.85 %。所以，当前主扇风量不能满足通风系统需求，主扇叶片角度已经为最大安装角度，风量和压力基本达到了主扇的最大能力，增加叶片安装角度，不能提高能力，效率反而降低。

表2 主扇运转工况参数测定结果

3 风路调试与优化技术方案

3.1 查找封堵漏风点

矿山上部回风线路为利用浅部开采结束中段斜井回风，与浅部中段贯穿点比较多，需要逐一排查。采取砌墙方式封堵漏风点，采用水泥砂浆抹面，并做好回风巷道的疏通和维护工作，保证通风线路畅通[3-4]。

3.2 并联回风线路

通风系统总线路阻力大，主要原因为主回风平硐岩体比较破碎，后期采用砌碹支护，造成过风断面减小，增加了阻力；上部主回风线路(标高315～170 m)采用斜井(1#回风斜井、2#回风斜井)回风，通风线路比较长(>400 m)，增大了阻力。

考虑主回风平硐岩性差，刷大断面支护费用高，工期长等问题，结合现场具体条件，采取上部主回风斜井并联回风天井降阻的方式[5-6]，具体是在315～170 m中段查找、疏通或新掘错位回风天井，即315～290 m回风天井、290～250 m回风天井、250～210 m回风天井、210～170 m回风天井，与1#回风斜井、2#回风斜井并联回风，降低通风系统线路阻力。

3.3 主扇风机优化选型

当前主扇能力难以满足生产通风需求，必须提高通风系统能力，增加系统风量，可采取以下几个方案：

1)新购主扇风机。根据矿山井下实际情况，推荐主扇型号为K45-6No.15，其性能参数为：风量29.4～55.7 m3/s，风压1 101～574 Pa。

2)改造现有的主扇风机。改造后主扇和上述新购风机型号和能力相同。

3)采用串联主扇通风方式。在130 m回风斜井口串联1台30 kW风机，分段克服井下阻力。

4)采用并联主扇通风方式。在315 m回风平硐一侧通地表联巷处并联1台30 kW风机，共同克服井下阻力。

串联或并联主扇总装机功率较大，且安装施工较为复杂，主扇数量多，通风系统稳定性差；新购或改造主扇方式总装机功率较小，但新购主扇风机费用较高，并且需要拆除现有风机，安装新风机，砌筑风机风墙构筑设施。因现有主扇型号K40-6No.15和新主扇型号K45-6No.15为同一机号，所以只需购置风机轮毂、叶片、电动机及底座，在现有风机基础上直接安装改造即可满足要求，无需土建和构筑设施的施工，技术可靠，经济性好，施工简单。通过4种方式比较，优先选择主扇改造方式。

3.4 北部回风辅扇风机选型

矿山深部回风分为南、北两翼回风，北翼回风通过130 m中段回风巷道与南翼回风系统汇合进入上部回风系统。为平衡两翼回风系统的阻力，在130 m中段回风巷道安装辅扇风机增强北翼回风能力[7]。根据风量分配和两翼阻力差值，推荐辅扇型号为K40-6No.11，其性能参数为：风量7.7～16.7 m3/s，风压429～93 Pa。

3.5 通风系统优化方案

通过上述通风系统线路调试和优化，矿山通风系统仍为两翼对角地表抽出通风方式，由主斜井进风，二级斜井和三级斜井进入井下各中段，深部采用南、北两翼回风方式，北翼回风通过130 m中段回风巷道与南翼回风系统汇合进入上部回风系统，在130 m中段回风巷道增加辅扇K40-6No.11,调节两翼回风阻力平衡性，上部回风系统采用1#回风斜井、2#回风斜井与浅部中段错位回风天井并联方式回风至315 m回风巷道，再由315 m回风平硐口主扇K45-6No.15排出地表。优化后的通风系统网络示意图见图1。

图1 通风系统网络示意图

4 井下通风系统Ventsim数值模拟

4.1 通风系统Ventsim三维模型建立

通风系统Ventsim三维模型建立方法，将各中段CAD图形中的实测巷道以中线方式保存为dxf格式，再以实体方式导入Ventsim软件系统中，连接上下中段间井筒，然后设置井巷参数、风机及风门、风窗、风墙等通风构筑设备设施等，形成三维通风系统立体模型[8]。按照上述方式建立的井下通风系统优化方案Ventsim三维仿真模型见图2。

图2 通风系统优化方案Ventsim三维仿真模型

4.2 通风系统Ventsim仿真模拟结果

依据通风系统优化方案，315 m中段回风平硐口安装1台主扇，型号为K45-6No.15，叶片安装角度为35°；130 m中段回风巷道安装1台辅扇，型号为K40-6No.11，叶片安装角度为26°。在Ventsim通风系统仿真模型中设置相应型号风机，并模拟运行，主要进、回风井口的风量模拟结果见表3，风机的运转模拟参数见表4，风机运转工况点见图3。

图3 风机特性曲线与运转工况点图

表3 通风系统仿真模拟进、回风风量统计

表4 通风系统仿真模拟风机运转参数

4.3 仿真模拟结果分析

1)通风系统总进风量为29.7 m3/s，总回风量为30.3 m3/s，满足通风系统设计风量要求。

2)通风系统主扇风机叶片安装角度35°时的运转工况点为风量30.3 m3/s，风压943.2 Pa，风机运转效率为80 %，满足通风系统能力需求，并且留有可调节的空间。

3)通风系统辅扇风机叶片安装角度26°时的运转工况点为风量13.7 m3/s，风压205.8 Pa，风机运转效率为80 %，满足通风系统两翼平衡阻力的要求，并且留有可调节的空间。

4)系统回风量由22.16 m3/s增加到30.3 m3/s，增率为36.7 %；矿井总阻力由786 Pa增加到943.2 Pa，增率为20.0 %，阻力的增率是风量增率的54 %。根据风量与阻力的关系，可以看出并联线路后阻力降低相对明显。

5 工程应用效果

矿井通风系统优化方案现场施工完成后，对主、辅风机运转工况参数进行测定，主要测量工具为热敏式风速仪、精密数字压差计等。经现场检测，主扇风机实际运转工况为风量30.8 m3/s，风压990 Pa，风机运转效率为70.45 %；辅扇风机实际运转工况为风量14.3 m3/s，风压198 Pa，风机运转效率为70.57 %(见表5)。测定数据与设计及模拟数据相吻合，可以满足生产作业用风量需求。

表5 主辅扇风机实际运转工况参数

6 结 论

通过对矿山通风系统现状的调查与数据检测，分析出井下通风系统进回风线路风量、阻力、主扇参数等存在的问题，提出调试优化方案。利用Ventsim软件平台构建了矿山三维通风网络模型，验证了方案可行性。工程实施后对风机运行工况参数检测显示满足设计生产要求。

1)在上部回风系统查找封堵漏风点的基础上，利用错位天井形成并联回风线路，有效降低矿井通风阻力。

2)在现有主扇风机K40-6No.15基础上，改造成优化选型风机K45-6No.15，可以满足通风系统能力需求。

3)130 m中段回风巷道安装辅扇风机K40-6No.11，可以达到平衡南、北两翼回风线路阻力的目的。

4)调试优化方案投资少，工期短，供风量达到矿井通风生产的需要，可为类似矿井通风系统优化改造提供参考。