陳國芳， 譚熙通， 支學藝， 袁明昌， 郭順

（江西理工大學,a.資源與環(huán)境工程學院；b.江西省礦業(yè)工程重點實驗室,江西 贛州341000）

礦井通風是礦井各生產(chǎn)環(huán)節(jié)最基本的一道生產(chǎn)工序，通過礦用通風機提供新鮮風量，稀釋礦井下的有毒有害氣體和粉塵并將其排出，使井下風流的質(zhì)量得到保障，為井下工作人員提供良好舒適的工作環(huán)境，防止各種傷害和爆炸事故發(fā)生，在礦井建設(shè)和生產(chǎn)期間始終占據(jù)著十分重要的地位[1].近年來，我國許多礦山都擴大了生產(chǎn)能力，生產(chǎn)系統(tǒng)不斷延伸，然而其通風系統(tǒng)仍多為多年前設(shè)計，并未隨著生產(chǎn)能力的擴大而得到提高，設(shè)計服務(wù)范圍已不能滿足現(xiàn)有的日常生產(chǎn)，致使井下出現(xiàn)風速風質(zhì)合格率偏低、風機的運行效率偏低、新鮮風流進入生產(chǎn)中段偏少等問題.為保障擴能生產(chǎn)后對已開采十余年的復(fù)雜礦山通風系統(tǒng)，能滿足生產(chǎn)對風量及通風質(zhì)量的需求，并使得在靈活調(diào)控的條件下各中段風量能滿足安全作業(yè)需求，必須對現(xiàn)有的通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，確保礦山井下工作人員在良好的工作環(huán)境生產(chǎn)作業(yè).

Ventsim三維仿真系統(tǒng)可以利用計算機圖形系統(tǒng)來建立礦井三維通風網(wǎng)絡(luò)模型[2].依據(jù)礦井設(shè)計繪制立體的通風網(wǎng)絡(luò)，并對巷道的斷面、風阻等重要參數(shù)進行賦值，通過風流模擬進行風網(wǎng)解算、風量分配，同時可以使風流與風機動態(tài)運轉(zhuǎn)，并從風機數(shù)據(jù)庫中選取合適的備選風機，然后進行風機選型.通過多次的風流模擬和對網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)整，以達到最終的滿意效果[3].而且可以考慮風流壓縮性與自然風壓的影響，以獲得和現(xiàn)實情況更加接近的模擬效果[4].在Ventsim系統(tǒng)中，能夠快速對通風調(diào)整方案進行模擬和檢驗，如風機減速或關(guān)閉、巷道密閉等各種調(diào)節(jié)效果，可以通過模擬快速展現(xiàn)出來，從而及時調(diào)整，避免實施后出現(xiàn)問題而增加費用[5-13].

1 提出問題

武山銅礦經(jīng)過地下開采10余年，生產(chǎn)中段較多，井下通風系統(tǒng)較為復(fù)雜，屬于大型井下開采礦山[14-15].礦區(qū)由南、北礦帶組成，南礦帶位于北礦帶上盤，南、北兩礦帶相距400 m.采用豎井和無軌斜坡道聯(lián)合開拓系統(tǒng)的開拓方法.采礦方法為下向分層進路式充填采礦法和上向水平分層進路式充填采礦法[16]，開采量為5 000 t/d.武山銅礦礦井通風系統(tǒng)由北礦帶兩翼對角抽出式通風系統(tǒng)和南礦帶側(cè)翼對角抽出式通風系統(tǒng)構(gòu)成，南北大巷連接南北兩個礦帶.開采初期設(shè)計礦井通風系統(tǒng)服務(wù)范圍為-360 m水平，此通風系統(tǒng)完全可以滿足礦山的生產(chǎn)需求.

隨著多年的開采，現(xiàn)通風系統(tǒng)已經(jīng)運行了10多年，并且設(shè)計服務(wù)范圍為-360 m中段，而現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)延伸至-460 m水平，南北礦帶產(chǎn)量分配也發(fā)生變化，由北多南少變?yōu)楸鄙倌隙?，南北礦帶需風量需要調(diào)節(jié).現(xiàn)有5個中段同時作業(yè)，并且每個中段有3個或4個分層，多中段多分層作業(yè)給風量分配帶來嚴峻的考驗.為保證正常安全生產(chǎn)，避免礦山出現(xiàn)事故致企業(yè)進行整改或停產(chǎn)，故請專業(yè)技術(shù)人員對當前通風系統(tǒng)進行現(xiàn)狀評價并及時進行改正，礦區(qū)通風系統(tǒng)通過現(xiàn)場調(diào)查及測定結(jié)果表明，南北礦帶風流干擾嚴重，生產(chǎn)過程中難以有效控制南北運輸巷的風流方向和大??；需風點多且分散，井下需風點多達78個，南礦帶的作業(yè)點分散，給風流調(diào)控帶來了困難；風機單級運行效率低，3臺風機效率平均值為29.9%；風速（量）合格率ηq=65%和風質(zhì)合格率ηz=51.3%；新鮮風流進入生產(chǎn)中段偏少，有69.3%的新鮮風流沒有進入需風點就回到了總回風巷由風機排出地表.原有通風系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在生產(chǎn)需求，故需要解決風量分配問題，針對礦山通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改造.

2 改進方案

2.1 Ventsim軟件簡介

Ventsim三維通風仿真軟件是當下礦井通風系統(tǒng)工程應(yīng)用較為先進的軟件之一，它的優(yōu)點如下:

1）對通風系統(tǒng)建模，實現(xiàn)三維通風仿真.

2）仿真模型可實現(xiàn)進行巷道漫游.

3）實現(xiàn)新開采礦山通風網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、風網(wǎng)解算和風流模擬.

4）大型礦山通風網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的變化模擬，優(yōu)化通風網(wǎng)絡(luò).

5）在優(yōu)化基礎(chǔ)上進行風機性能分析，確定風機選型.

6）對通風系統(tǒng)中自然風壓進行影響分析.

7）可實現(xiàn)對深井通風系統(tǒng)空氣可壓縮性分析.

8）可直接導入AutoCAD DXF文件生成通風網(wǎng)絡(luò)圖.

2.2 Ventsim通風仿真系統(tǒng)建模

首先將武山銅礦通風系統(tǒng)的CAD圖繪制為單線圖 (DXF格式)，然后將CAD單線圖導入 Ventsim三維仿真軟件中，通過兼容，然后在編輯框里選擇實體巷道，此時Ventsim軟件就會將單線圖轉(zhuǎn)換為立體圖，三維通風系統(tǒng)模型詳見圖1所示.

2.3 模型與數(shù)據(jù)分析

采區(qū)初期生產(chǎn)掘進期間，需風點少、風量小、通風線路短、主扇工況點低，當前礦井通風系統(tǒng)簡單，處在礦井通風容易時期；當作業(yè)生產(chǎn)形成工作面之后，到了掘進中后期多水平工作面同時生產(chǎn)作業(yè)，系統(tǒng)復(fù)雜，通風阻力最大，線路最長，需風量和主扇負壓達到了最大時期，礦井通風系統(tǒng)處于困難時期.依照金屬非金屬礦山安全規(guī)程要求和礦山實際需風點計算出全礦總風量為264 m3/s.Ventsim三維通風仿真軟件建立了武山銅礦通風仿真模型，分別模擬了通風容易時期和困難時期 （到達-460 m中段）通風量分別為291.9 m3/s和268.2 m3/s，表明現(xiàn)有通風系統(tǒng)能夠服務(wù)到-460 m中段.容易時期和困難時期主要進風井巷和回風井巷的風量情況分別見表1，表3，容易和困難時期主扇運行參數(shù)分別見表2，表4.

圖1 三維通風系統(tǒng)模型Fig.1 Three-dimensional ventilation system model

表1 容易時期回風井風量分配Table 1 Air volume distribution of return air shaft in easy period

表2 容易時期主扇運行參數(shù)Table 2 Easy time main fan operation parameter

表3 困難時期回風井風量分配Table 3 Air distribution of return air shaft in difficult period

表4 困難時期主扇運行參數(shù)Table 4 Operating parameters of main fan in difficult period

改造后，再次對風機進行測定發(fā)現(xiàn)DK-Ⅱ-8-№23實際風量為85.81 m3/s，DK-Ⅱ-8-№24風量為115.45 m3/s,DK-Ⅱ-8-№25風量為97.68 m3/s,主扇DK-Ⅱ-8-№23、DK-Ⅱ-8-№24、DK-Ⅱ-8-№25 在容易時期的風量相對誤差分別為17.7%，4%，3.6%，在困難時期的風量相對誤差為24.3%，1%，8.7%，主扇DK-Ⅱ-8-№23在現(xiàn)場實測時現(xiàn)場誘發(fā)礦井回風的不可控因素眾多，工作量大，導致實際偏差相對過大，主扇DK-Ⅱ-8-№24和 DK-Ⅱ-8-№25精度誤差小，但結(jié)合現(xiàn)場條件及各量化指標綜合分析，模型與現(xiàn)場實測精度僅存在細小誤差，總體細小不顯著，模擬效果好，據(jù)此確定了模型模擬的可行性.

2.4 礦井風流調(diào)控方案

2.4.1 基本情況介紹

根據(jù)2個礦帶產(chǎn)量分布北少南多的特點，北礦帶需風點28個，南礦帶需風點41個，根據(jù)計算得出北礦帶總風量為100 m3/s，南礦帶總風量為164 m3/s.北礦帶為兩翼對角抽出式通風系統(tǒng)，南礦帶為側(cè)翼對角抽出式通風系統(tǒng)，其進回井和主扇配置見表5～表7.

表5 南北礦帶進風井Table 5 North and south ore belt ventilation shaft

表6 南北礦帶回風井Table 6 North and south ore belt return air shaft

表7 南北礦帶主扇配置Table 7 Configurations,main fan of the northsouth ore belt

2.4.2 南北礦帶風量調(diào)節(jié)方案

風量分配包括進、回風網(wǎng)和用風網(wǎng)的風量分配,進風網(wǎng)和回風網(wǎng)的風量分配相對簡單，進風按自然分風，回風都為專用回風井[17].用風網(wǎng)主要按2個回采中段和2個開拓中段來考慮，并且每個中段分為5個分層，斜坡道又將每個分層分成2部分，故用風網(wǎng)的風量分配較復(fù)雜.一般風量分配主要有按需強制分風和自然分風.按需強制分風，風量分配均勻，能夠最大限度地滿足生產(chǎn)對風量的需求，有效風量率高，但需要輔扇太多，且設(shè)備費用較高，管理不方便.自然分風，改善了井下的工作環(huán)境，確保井下安全生產(chǎn)，大大減少了通風資金投入、有效降低成本.在能夠滿足生產(chǎn)需要的情況下應(yīng)盡量多考慮采用自然分風.

利用上部生產(chǎn)結(jié)束的南北大巷作為南北礦帶風量調(diào)節(jié)的通道，見圖2，調(diào)節(jié)風量為44.5 m3/s，利用輔扇調(diào)節(jié)，型號為K-6-№17，功率75 kW.通風容易時期輔扇安裝在-260 m中段，通風困難時期將輔扇安裝在-360 m中段.根據(jù)南北礦帶產(chǎn)量分布北少南多的特點，現(xiàn)場針對北礦帶需風點28個及南礦帶需風點41個進行測定，算出全礦需風量為73.76 m3/s+121.76 m3/s=195.52 m3/s，該礦采用充填采礦法，風量備用系數(shù)取 1.35，全礦風量為 1.35×195.52 m3/s=263.952 m3/s，取 264 m3/s,其中北礦帶為 100 m3/s，南礦帶為164 m3/s.利用Ventsim輸入各影響因素所得數(shù)據(jù)模擬測得北礦帶調(diào)節(jié)后風量為127.3 m3/s，南礦帶調(diào)節(jié)后風量為164.6 m3/s，滿足測定算值及調(diào)節(jié)方案.南北礦帶調(diào)節(jié)輔扇基本情況見圖3，南北礦帶風量調(diào)節(jié)前后見表8.

圖2 南北礦帶風量調(diào)節(jié)方案Fig.2 Air flow regulation scheme in north and south ore belt

圖3 南北礦帶調(diào)節(jié)輔扇Fig.3 Regulating auxiliary fan in north and south ore belt

表8 南北礦帶調(diào)節(jié)風量Table 8 Regulated air flow in north-south ore belt

2.4.3 中段通風網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

南礦帶采用上向分層充填采礦法在下盤都設(shè)有1個充填通風溜礦井，該井與分層聯(lián)絡(luò)道貫通，上部與作為回風道的分段巷道貫通，壓入式局扇裝在分段鏟運道上，污風經(jīng)分層聯(lián)絡(luò)道充填通風溜礦井排入上部回風道.北礦帶采場原采用中段專用回風道與采場溜井直接相通，利用溜礦井進行回風，壓入式局扇安裝在分層聯(lián)絡(luò)道口，新鮮風從分段巷道被壓入進工作面清洗工作面，污風從溜礦井回到上一中段回風道.分段獨頭巷道空氣不流通，粉塵、炮煙、有毒有害氣體、污風不能及時排出，為了保證通風及回風，在端部形成專用回風天井，斷面積為4 m2，長度為10 m或12.5 m，工程量不大，施工難度小，甚至可以利用端部采場溜井，將其頂部與上中段連通，便可形成中段分段巷道回風線路.中段通風網(wǎng)絡(luò)的基本情況見圖4，改造后中段回風網(wǎng)絡(luò)的基本情況見圖5、圖6.從模擬的結(jié)果來看，回風效果得到了顯著提高.

圖4 原有北帶中段通風網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Existing mid-north belt ventilation network

圖5 北帶中段網(wǎng)絡(luò)改造示意Fig.5 Network reconstruction map of the middle section of the north belt

圖6 北帶中段網(wǎng)絡(luò)改造示意Fig.6 Network reconstruction map of the middle section of the north belt

3 改造實施效果

礦井通風系統(tǒng)改造方案擬定以后，武山銅礦馬上針對方案進行了落實，經(jīng)過一年的施工，改造方案基本完成.對礦井進行了風速、風量、風壓和功率等相關(guān)數(shù)據(jù)的測定.經(jīng)過分析，軟件仿真的模擬數(shù)據(jù)與測定數(shù)據(jù)大致相同，誤差較小，考慮到礦井內(nèi)通風情況十分復(fù)雜以及測量時不可避免的人為誤差的因素，可以認為仿真結(jié)果真實可靠，利用Ventsim軟件優(yōu)化改造后具體數(shù)據(jù)見表9.

通風系統(tǒng)改造后，通過實測，通風鑒定主要指標明顯提高，基本滿足 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB16423-2006）和《金屬非金屬礦山通風技術(shù)規(guī)范通風系統(tǒng)鑒定指標》等規(guī)程[18-20]要求，見表9.

表9 通風系統(tǒng)改造前后鑒定指標對比Table 9 Comparison of appraisal indexes before and after ventilation system reconstruction

原通風系統(tǒng)系統(tǒng)測定數(shù)據(jù)中，3臺風機裝置效率平均值為29.9%.由表5可知，通過Ventsim軟件三維仿真模擬，由于實際現(xiàn)場誘發(fā)礦井回風的不可控因素眾多，工作量大，只能利用工程類比法憑借經(jīng)驗去設(shè)定，將各主要因素導入Ventsim軟件中，各個參數(shù)的合理性選取憑借經(jīng)驗法來確定，最終進行中段通風網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案，模擬測定DK-Ⅱ-8-№25、DK-Ⅱ-8-№23、DK-Ⅱ-8-№24，3臺風機在容易時期和困難時期效率平均值70.3%，63.5%.對比分析表5和表9，取模擬測定風機裝置效率均值66.9%與改造后通風系統(tǒng)測定數(shù)據(jù)65.3%相比較，利用Ventsim軟件得到的模擬效果與實測結(jié)果雖然存在細小誤差，但總體上細小差異不顯著，回風效果明顯提高，優(yōu)化了中段回風網(wǎng)絡(luò).

4 結(jié) 論

1）優(yōu)化后的風量供需比達到1.5，滿足了礦山的生產(chǎn)需求.同時主扇裝置效率由29.9%提高到70.3%，得到明顯提升，提高了礦井通風的技術(shù)質(zhì)量.

2）利用南北大巷并結(jié)合輔扇調(diào)節(jié)南北礦帶風量，有效解決了生產(chǎn)過程中難以控制南北運輸巷的風流方向和大小的問題，使通風效果得到明顯提升.

3）Ventsim三維仿真系統(tǒng)對礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造具有重要的指導意義，在方案實施之前應(yīng)用三維仿真系統(tǒng)進行模擬，可以發(fā)現(xiàn)通風系統(tǒng)中存在的問題，能夠避免盲目施工帶來的經(jīng)濟損失.