基于Ventsim软件的矿井通风系统全局经济性优化

马艳玲

摘要：为确保JAMA铜矿矿井通风系统全生命周期达到最佳经济性运行，采用Ventsim矿井通风三维仿真软件对通风系统进行模拟研究，通过对通风网络中关键井巷的结构尺寸进行经济性优选，发现超大型矿山通风系统具有非常大的经济性优化潜力，可供同类型矿山参考借鉴。

关键词：Ventsim；矿井通风系统；全局经济性；井巷结构；数值模拟

中图分类号：TD72文章编号：1001-1277（2023）05-0028-04

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230508

矿井通风在矿山全生命周期生产活动中所占的成本比重较大，在以往设计阶段，风速合规和采矿方面的需求作为井巷结构尺寸选择的条件［1］，因缺少科学先进的技术手段对井巷工程结构尺寸进行经济性论证，导致系统在全生命周期中综合成本过高。这一潜在的成本增加往往被设计单位及矿山企业所忽视［2］。本文借助Ventsim矿井通风三维仿真软件对国外某超大型矿山初步设计方案及全生命周期进行深度经济性论证并优化，达到系统全生命周期投资最低，具有非常高的推广价值。

1工程背景

JAMA铜矿项目位于塞尔维亚共和国Bor城附近。该矿山为露天转地下开采，老系统目前开采最深标高为-150 m，年生产能力为66万t，采用南北主副井开拓，矿体中央布置回风井，副井主要运输人员、材料及设备，主井箕斗提升矿石。目前，国内矿业公司对其进行收购，并规划对BR矿体进行开发建设。该矿体为巨大的斑岩型铜矿体，矿体倾角45°～55°，走向长约1 450 m，宽约360 m，垂向延伸约1 400 m，赋存标高92～-934 m。采用自然崩落采矿法开采，单中段回采连续崩落方案，设计生产能力为1 850万t/a。井下采用新建胶带斜井、副井联合开拓系统，其中胶带斜井兼作斜坡道（见图1）。矿井通风系统主通风机设计总装机功率为4 776 kW，年通风费用高昂，因此需要对该矿山矿井通风系统进行优化，以达到安全高效开采的目的。

Ventsim矿井通风三维仿真软件作为通风领域最为先进的软件系统，所提供的功能包括：三维通风设计、风网解算、风机选型和通风过程动态模拟等，高级功能提供热模拟、污染物扩散模拟，以及通风经济性分析工具，在三维可视化的环境中对通风方法的合理性和经济性进行模拟，在保证通风安全的前提下节约通风成本［3-4］。Ventsim矿井通风三维仿真软件具有如下特色功能：

1）真三维可视化环境，操作简单易学。

2）可非常方便地对风流、压力、通风成本和其他通风相关的主要数据进行建模；热流、湿度及降温过程建模和三维模拟。

3）提供直观的通风网络优化工具，合理减少通风和采矿成本。

4）粉尘和污染物扩散模拟。

5）支持风路规模优化和风机选型。

2矿井通风系统经济性优化实践

2.1通风系统简介

井下采用进风井、原副井-盲进风井、新副井和胶带斜井（兼斜坡道）进风，1#回风井和2#回风井出风的对角通风系统。新鲜风流经进风井、原副井-盲进风井、新副井和胶带斜井（斜坡道）进入井下各水平，冲刷工作面后，污风分别汇入1#回风井和2#回风井，最后排出地表。设计总需风量为970 m3/s。通风方式为负压抽出式，回风井地表布置主通风机。

矿井通风系统主要通风路线为：副井、风井、斜坡道→-434 m拉底水平→-450 m出矿水平→-470 m专用回风水平→1#、2#回风井→地表；副井、风井、斜坡道→-500 m運输水平→1#、2#回风井→地表。

2.2通风系统全局经济性优化

1）Ventsim矿井通风三维仿真软件全局经济性功能模块可以快速地对系统进行井巷结构参数优选，新系统全局经济性优化由以下几个步骤构成：步骤一，模型构建及基础参数设置；步骤二，基于设计模型提出框架性的方案，对基础设计方案进行经济性优化及分析；步骤三，模拟分析出最优巷道结构参数并进行调整；步骤四，模拟并确定新方案主通风机的工况参数及运行成本；步骤五，新方案与原方案综合对比，确定方案可行性及经济潜力。

2023年第5期/第44卷矿业工程矿业工程黄金2）模型构建及基础参数设置。

（1）将实测或设计巷道工程CAD图件，通过新建图层，巷道绘制中线并另存为.DXF格式图件。打开Ventsim矿井通风三维仿真软件，点击文件→导入，需要勾选设置的主要有：转换为实体巷道，需要导入的中线图层，设置Z值标高。注意：CAD图件要调整至原坐标，防止因坐标偏移导致导入的图形发生严重偏移。竖井工程采用“绘制风路”里的坐标绘制。巷道导入具体参数见图2。

（2）将导入的图件在Ventsim矿井通风三维仿真软件中进行巷道参数编辑，需要编辑的巷道参数主要有：结构尺寸、摩擦阻力系数、梯度，与地表贯通需要进行框选，独头巷道需要框选末端不闭合，其他参数结合巷道实际情况进行修订。具体设置见图3。

（3）框选所有井巷，点击工具，风网处理工具，框选绑定，框选简化，框选重复项搜索，点击确定，确保风网处于连接状态，最后点击模拟，成功后风网模型处理完毕。

（4）按照设计选型在模型中植入风机，选中需要植入的井巷并点选快捷键F，调出风机编辑界面，框选风机，点击下方编辑风机曲线（在此过程中要收集到选型的风机特性曲线），点击文件新建，将风机对应安装角度的特性曲线填入风量风压表格中，空气密度按照海拔高度推算设置，反转风量调整至0.6 m3/s，反转风压调整至0.6 Pa，点击文件保存。注意：新的矿井通风系统进行经济性优化时应按设计的固定风量进行模拟，确定工况参数后进行风机选型配置。具体见图4。

（5）经济性优化的基础参数设置。通风系统经济性优化主要目的是寻求基建投资与全生命周期运行期间总成本最低。基建投资主要包括井巷工程造价；全生命周期运行成本主要包括主通风机采购成本、风机运行的能耗成本等［5］。具体操作如下：点击系统设置，成本、采矿、功率，出现下拉菜单后按照该项目属地的造价成本输入设置，其中风机成本一般在1 000～1 500元/kW。具体见图5。

2.3框架性方案

通过专家研讨及现场实际踏勘，发现盲进风井在国外施工难度大，造价成本高昂，在新的矿井通风系统规划中起到增加进风断面、降低通风阻力的目的［6］。替代性措施可增加一些辅助工程将原系统与新的矿井通风系统贯通替代盲进风井。具体为：

1）-13.5 m老副井马头门增加联络巷道贯通新副井，-75 m增加联络工程与胶带斜井贯通，-150 m增加天井工程与斜坡道贯通。

2）设计-450 m出矿水平污风通过回风井排至-470 m专用回风水平，最终由回风井排出至地表，因此，-450 m回风巷道工程无使用意义。

2.4全局经济性优化结果

对原有模型进行调整，盲风井及需要优化的巷道可通过密闭的方式替代，点击经济性全局模拟，具有经济性优化价值的巷道在模型中开始闪动，双击“风路已优化”对话框中的风路，即可弹出右侧对话框，推荐巷道结构尺寸及通风功率。按推荐的巷道结构尺寸进行全局调整。全局经济性优化结果见图6。

2.6不同方案基建及运行成本对比

通过优化后的工程对比发现，采用深度优化后无盲风井方案比有盲风井方案工程投入可降低约474.0万元（未计算井下盲竖井施工时辅助硐室工程成本），具体见表2。

采用不施工盲进风井深度优化后与施工盲进风井2种不同方案，在15年全生命周期运行进行对比。矿井通风总投入成本主要包括：井巷工程成本、通风设施设备购置成本、15年运行期间主通风机能耗成本。工程可降低成本474.0万元；-450 m回风石门873.6 m，断面面积19.4 m2，总成本1 694.78万元。

通风设施设备维持原设计成本不变，15年主通风机可降低能耗成本6 493.03万元，全局优化后可降低矿井通风总成本为8 661.7万元。

3结论

1）Vensim矿井通风三维仿真软件是一款科学有效的专业性软件，为矿井通风全局经济性优化提供了高效的解决方式，应用前景广阔，特别是对采用传统方式设计的新建大型矿山，通风系统进行全生命周期经济性优化具有重要意义。

2）对全矿通风系统设计优化还应注意在调整方案后，各进回风通道风速是否超标及能否达到适宜生产作业的需求，项目优化过程也进一步考虑了上述安全问题。

3）矿井通风费用成本主要包括：基建工程投入、机电设备及运行管理费用、主通风机多年运行能耗费用等。通过对该项目进行优化，以15年期的运行成本作为时间节点，可降低总通风成本约8 661.7万元，经济效益突出。

［参 考 文 献］

［1］徐学成.用数学分析法确定井巷工程最佳断面尺寸的探讨［J］.新疆有色金属，1998（2）：6-10.

［2］众信通.Ventsim通风成本优化［EB/OL］.（2021-06-10）［2022-11-20］.http：∥www.0355zxt.com/html/Knowledge/tongfengjishujiaoliu/6624.html.

［3］柳明明.Ventsim三維通风仿真系统在金属矿山的应用［J］.金属矿山，2010（10）：120-122.

［4］聂军，陈新.基于Ventsim的矿井通风系统优化及应用［J］.黄金，2021，42（5）：29-34.

［5］吴超.矿井通风与空气调节［M］.长沙：中南大学出版社，2008：210-212.

［6］史焕一.限量并联风道的通风阻力计算方法［J］.河北煤炭，1985（4）：37-39.

Global economics optimization of mine ventilation systems based on Ventsim softwareMa Yanling

（Zijin Mining Group Co.，Ltd.）

Abstract：To ensure the best economic operation during the whole life cycle of mine ventilation systems in Jiama Copper Mine，the ventilation system was simulated by Ventsim mine ventilation 3D simulation software.And by selecting the structure size of key shafts and lanes in the ventilation network from economic perspectives，it was found that the ventilation systems of super large-scale mines had great economic optimization potentials.The study can be used as a reference for similar mines.

Keywords：Ventsim;mine ventilation system;global economics;structure of shafts and lanes;numerical simulation