基于Ventsim的瑶岗仙钨矿通风系统优化研究

曹 兴，余志剑，李 杨，邓沙宁

（1.湖南瑶岗仙矿业有限责任公司，湖南 郴州 424209；2.湖南有色冶金劳动保护研究院有限责任公司，湖南 长沙 410014；3.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014）

瑶岗仙钨矿是一个已经开采百多年的老矿山，井下开拓系统非常复杂，导致井下通风系统也非常复杂，特别是在生产过程中通风问题频出。主要是矿井主扇风机不能完全匹配现有的通风网络，通风动力不足、效率低及系统风井和风机设置不合理等问题层出，以及风量分配不平衡、风流循环、污风停滞、进风井反风等一系列问题［1－3］。作业环境恶化不可控，不仅危害职工健康安全，也不利于井下安全生产［4－5］。因此，建立完善的矿井通风系统是矿井安全生产的基本要求，对实现矿山可持续发展具有深远意义。因此，本文针对瑶岗仙钨矿矿井通风系统存在的问题，提出合理的通风系统优化方案。

1 工程概况

1.1 通风系统现状

瑶岗仙黑钨矿区属高山开采矿山，自开采以来，已有－1～26中段（标高1458.7～420.3m）等27中段，上下中段高差达到1000m以上，且有多中段平窿直接与地表相通，几十年以来采矿一直沿用留矿法而很少充填，造成了上下中段空区相连，自然风流对矿井通风影响很大。在寒冷季节自然风流向上，在炎热季节自然风流向下。

瑶岗仙黑钨矿区中部的矿井通风系统目前是多井口进风、不独立的分区接力通风方式。新鲜风从13、16、17、19、21、23、26中段窿口进入矿区，再经过连接各中段的竖井、斜井及中段穿脉和沿脉，分风到各作业点。井下在19中段501和510脉组处安装一台K40－6№.18／90kW 风机；在19中段398脉组处安装一台K40－6№.18／90kW 风机；在19中段228脉组处安装两台K40－4№.12／37kW 风机；在12中段510脉组安装一台K40－4№.13／55kW 风机，228脉组安装两台K40－4№.12／37kW 风机；17中段398脉组处安装一台K40－6№.14／37kW 风机，15中段510脉组安装一台K40－4№.12／37kW 风机，分别负担井下各个采区和脉组的回风。

1.2 通风系统问题分析

通过对瑶岗仙钨矿井下通风系统进行详细的调查测定，发现通风系统存在如下问题：

1.自然风压影响大，导致井下通风系统紊乱。瑶岗仙钨矿属于高山矿，采用平硐开拓。由于进回井井口高差较大，当地表气候变化时导致井内外温差较大，很容易产生大的自然风压，在炎热的季节自然风压不利于井下通风，导致19中段一以下进风口反风。

2.井下作业点多面广线路长，产量小需风量大。根据矿山实际情况，井下进风和回风随季节变化而变化，难以控制，且矿山实际采矿方法为留矿法，作业点多，且留下的采空区也较多，漏风量大，作业污风难以完全通过主扇排出地表。

3.井下风量分配不平衡，新风难以达到作业面，导致污风串联循环等现象。现阶段井下多中段同时开采，多达10个中段以上，而通地表的进风口达到8个。在现有通风状态下，新风进入井下难以有效分配，特别是在炎热季节自然风压的作用下，深部进风口容易出现反风。新风难以达到作业面，相邻作业面很容易产生串联风，甚至污风循环。

4.主扇装置效率低下，不利于井下通风。在12中段两台接力式串联主扇安装位置欠妥，不利于下部中段所需风量抽出，风机不能完全发挥能力，压力小，仅能克服负担228脉组附近区域的风流排出地表。部分回风主扇在满足井下回风量时只能克服部分回风段的阻力，不能克服全路线的通风阻力，必须采用分段压抽混合式接力通风，分段克服阻力。

5.井下通风构筑物不完善。作业中段多导致作业面分散，加上井下空区多未及时采用设置密闭、风门和调节风窗等调控措施，导致整个井下风流紊乱。特别是调控措施的缺失及调控不到位，使得整个井下的通风更加困难，新风进不去，污风出不来。

2 矿井需风量复核

根据《金属非金属矿山安全规程》的要求，硐室型采场不小于0.15m／s，巷道型采场和掘进巷道不小于0.25m／s，电耙道和二次破碎巷道不小于0.5 m／s［6］。结合同时作业的不同工作面类型和数量，按排尘风速计算的各工作面需风量以及矿井总需风量。一般按采场、掘进作业面、装运作业面和各类需风硐室的排尘风速要求计算矿井总需风量。

1.矿山配置40个采场，每个采场需风量为0.7 m3／s，备采89个，备用采场用风量按回采作业面采场需风量的一半计算，则井下回采作业面需要的总风量为30.8m3／s

2.根据矿山的实际情况，计算单个掘进工作面需风量取大值1.44m3／s，瑶岗仙矿井下同时掘进工作面为25个，即掘进工作面需要风量为36m3／s。

3.井下炸药库要求独立的贯穿风流通风，其风量可取1～2m3／s。瑶岗仙矿井下共有1个井下炸药库，本次取2m3／s。

4.变电硐室需要独立风流通风，需风量可取1～2m3／s。瑶岗仙矿井下共有1个中央变电硐室，本次取2m3／s。

通过上述计算，确定矿井通风系统总需风量为70.8m3／s，瑶岗仙矿井下比较复杂，此处备用系数取值为k＝1.3，则矿井总需风量为92m3／s。

3 矿井通风系统优化研究

3.1 通风优化方案的拟定

根据瑶岗仙矿年度生产作业计划及矿山生产规划，当前主要生产作业集中在501－510、398、228和236－241脉组，自2020年起开始同步生产作业。根据矿山资源赋存分布情况，对矿山按脉组脉组进行分区通风。根据矿山通风系统的实际情况，参照《金属非金属矿山安全规程》等有关规定，拟定了两个适合矿山实际的通风技术方案。方案一：分季节进风，不独立分区回风接力抽出式通风方案；方案二：平硐压入进风，不独立分区回风压抽混合式通风方案。

3.2 通风优化方案

3.2.1 分季节进风，不独立分区回风接力抽出式通风方案

根据矿体在不同中段的赋存状况和目前系统主扇安装位置，矿山通风系统负担501－510、398、228、236－241等脉组区域矿体开采的通风，以19中段为界，分为上下两个不独立的通风分区。其具体的优化措施如下：

1.进风线路。19中段以上18－12中段的新鲜风流主要由16和17中段平硐进风井进入井下，经中段天井、斜井及联巷进入其他上部各中段主运输巷及采场作业面。19－26中段进风：为了最大限度地控制自然风流，根据季节不同，上风季节自然风流有利于通风，新鲜风流由19、21、23和26中段平硐进风到井下，经过连接19－26中段的1＃和2＃斜井分风到各中段，再经过各中段穿脉和沿脉运输巷和采场人行天井进入采场作业面；下风季节在19、21、23和26中段平硐做两道风门，边上掘进绕道，安装压入式进风辅扇克服自然风压，由19、21、23和26中段平硐强制进风，通过连接19－26中段的1＃和2＃斜井分风到各中段，再经过各中段穿脉和沿脉运输巷和采场人行天井进入采场作业面。

2.回风线路。19中段以上18－12中段各脉组采场污风经由各采场回风天井汇至上中段回风巷，18、19中段部分污风经17中段主扇接力经过回风井到上中段，15、16中段污风经过15中段回风巷风机作用到地表，13、14和12污风由12中段主扇进入回风井排上部中段至地表。

19－26中段污风经过各中段脉组的辅扇作用回到本中段回风巷和回风井，再经过19中段510、398、228三个脉组主扇作用，通过回风井排到上部回风巷，然后经过上部17、15和12中段风机接力作用排出地表。其中501－510脉组作业点主要在23－26中段，510主扇兼顾230脉组回风；398脉组目前作业主要在21中段以上（资源逐步减少），兼顾401脉组回风；228脉组从12－26中段都有，228脉组回风系统一直兼顾231－235脉组回风，目前228脉组资源基本开采结束。

因为228脉组从12－26中段都建立了回风系统，随着228脉组作业点减少，决定把236－241脉组回风就近纳入228回风系统。这样236－241脉组就不需要单独建立回风系统。由于236－241脉组距离228脉组回风系统较远，需要在20中段根据实际情况增加回风联络巷、辅扇风机和风门风桥等通风构筑物，尽量减少污风串联。236－241脉组污风通过20中段回风联络平巷回到20中段228脉组主回风井由安装在19中段的228脉组主扇回到17中段回风平巷通过398脉组主扇接力排出地表，19中段以上236－241脉组污风通过12中段228脉组主扇排到11中段排出地表。

3.2.2 平硐压入进风，不独立分区回风压抽混合式通风方案

根据矿体在不同中段的赋存状况和目前系统主扇安装位置，矿山通风系统负担501－510、398、228、236－241等脉组区域矿体开采的通风，以19中段为界，分为上下两个不独立的通风分区。其具体的优化措施为：

1.进风线路。19中段以上18－12中段的新风进风线路基本与方案一保持一致。19－26中段为了最大限度地控制自然风流，根据季节不同，上风季节自然风流有利于通风，新鲜风流由19、21、23和26中段平硐进风到井下，经过连接19－26中段的1＃和2＃斜井分风到各中段，再经过各中段穿脉和沿脉运输巷和采场人行天井进入采场作业面；下风季节在19、21、23和26中段平硐做两道风门，边上掘进绕道，安装压入式进风辅扇克服自然风压，由19、21、23和26中段平硐强制进风，通过连接19－26中段的1＃和2＃斜井分风到各中段，再经过各中段穿脉和沿脉运输巷和采场人行天井进入采场作业面。

2.回风线路。19中段以上18－12中段：各中段各脉组采场污风经由各采场回风天井汇至上中段回风巷，18、19中段部分污风经17中段主扇接力经过回风井到上中段，15、16中段污风经过15中段回风巷风机作用到地表，13、14和12污风由12中段主扇进入回风井排上部中段至地表。

20－26中段污风经过各中段脉组的辅扇作用回到本中段回风巷和回风井，再经过19中段主扇作用，通过回风井排到上部回风巷，然后经过上部中段风机作用排出地表。

根据目前的矿体资源赋存情况，其中228和398脉组基本结束，19中段以下238脉组正在探矿，19中段以下501－510脉组还有资源，因此确定21－26中段228和238脉组为一个分区，238脉组开采的污风（在21中段通过238连接228脉的回风联络平巷回到228系统）经过19中段228系统主扇作用回到上部由12中段228和238系统主扇作用回到11中段排出地表；20－17中段238脉组污风通过回风联络平巷汇集到17中段398系统通过上部398和510已经结束采场天井回到上部11中段排出地表；20－12中段228脉组污风由12中段228主扇回到上部11中段排出地表；19－26中段398、501和510脉组污风通过19中段398脉组和510脉组系统主扇，再经过上部17－398主扇、15－510、12－510主扇接力作用排到上部11中段到地表。

3.3 通风优化方案的确定

根据井下开采的特点，提出的以上两个通风技术方案，都有较大的可操作性，各有优劣。为从中选出一个经济合理的技术方案，对两个方案进行比较，得出一个最适合井下通风系统的方案。

方案一不需要新增辅扇风机，只需要利用现有的7台风机即可，但是方案一需要新增8扇风门控制深部中段平硐的进风，并经常对该风门进行维护更换，其维护费用为每年2万元。掘进相应的通风井巷工程和设置一定的通风构筑物进行控制。经过计算，其方案一的工程费用为173万元。

方案二需要新增7台11kW 辅扇风机，并且利用现有的7台风机，方案二也需要在深部中段平硐新增风门控制进风。新增辅扇风机的运行费用为每年10.13万元。方案二比方案一需新增更多的风机硐室等工程，并掘进相应的通风井巷工程和设置一定的通风构筑物进行控制。经过计算，其方案二的工程费用为155万元。

针对矿区特点制定的方案，均可满足矿区实际生产通风需求，但为了追求效果的可靠性和最佳化，从方案的技术、管理、运行等角度对其进行综合比较。综合比较，选择平硐压入进风，不独立分区压抽混合式通风方案（方案二）为本次通风系统优化的方案。

4 矿井通风系统网络解算

Ventsim是一款专业的多功能通风系统三维仿真软件，Ventsim三维仿真软件适应性比较广，适用于复杂矿山通风系统以及多级机站通风系统的优化，可以快速选择风机型号、科学合理的确定风机位置、风机的叶片安装角和风机频率等。可将通风网络进行三维动态图形展示和进行网络模拟解算，从而很好地验证通风优化设计方案的合理性和预期效果［7］。

4.1 三维仿真模型的建立

为更好的对瑶岗仙钨矿井下通风系统进行优化，结合前期现场调查测定的资料，利用Ventsim软件建立该矿井通风系统三维仿真模型。建立的矿井通风系统三维仿真模型如图1所示。

图1 矿井通风系统三维仿真模型

4.2 主扇模拟解算

此次优化通过将井下现有的7台风机和各平硐口新增的风机进行网络模拟解算。此次网络解算主要针对矿井在夏季通风最困难时期进行解算，主要确保夏季深部平硐能正常进风。经采用Ventsim地下矿井通风模拟软件矿井通风网络进行网络解算，并对所有风机进行工况模拟，模拟后的风机工况详见表1。

表1 主通风机模拟工况统计表

4.3 通风系统网络解算

确定上述优化措施后，采用Ventsim三维仿真软件对优化后的通风系统进行网络解算。通过软件网络解算模拟上述优化措施是否满足井下的通风需求［8］。通过网络解算，矿井通风系统的总回风量为99.31m3／s，总进风量为98.27m3／s。网络模拟解算的结果见表2。

5 结 语

本文针对瑶岗仙钨矿井下中部通风系统进行优化研究，得出如下结论：

1.高山型矿井通风系统受自然风压影响大，严重时导致井下平硐反风。通过简化通风网络、封堵采空区可以控制漏风、风流短路等，并通过在反风平硐内设置辅扇强压风流，可以控制在夏季时期的反风。

2.南部平硐压入式进风，不独立分区回风压抽混合式通风方案通风技术方案，仿真模拟结果显示，各设计进回风通路与仿真模拟结果相符合，系统优化研究合理可靠。

3.通过网络解算模拟，通风系统总进风量为98.27m3／s，达到设计92m3／s进风指标，模拟系统回风量为99.31m3／s，考虑回风端温度、气压变化，模拟回风量略大于进风量，模拟结果显示，系统进、回风量均达到设计指标。

表2 矿井通风网络解算结果表