薛希忠 孫其龑 冉金強

（金川集團(tuán)股份有限公司三礦區(qū)）

高效、穩(wěn)定的礦井通風(fēng)系統(tǒng)是確保礦井安全生產(chǎn)和穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)，不僅對改善井下作業(yè)人員工作環(huán)境有重大意義，而且對提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響［1］。受多方因素影響，國內(nèi)大型礦山開采范圍不斷變大，開拓系統(tǒng)不斷延伸，通風(fēng)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，多風(fēng)井復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)越來越多，通風(fēng)系統(tǒng)決策、管理難度越來越大。隨著仿真模擬數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用仿真模擬技術(shù)構(gòu)建通風(fēng)仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可視化、智能化管控已經(jīng)成為一種趨勢［2］。

本研究以金川三礦區(qū)東部貧礦大型多風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)為工程實例，應(yīng)用MVSS 軟件構(gòu)建仿真模擬系統(tǒng)，進(jìn)行投產(chǎn)期系統(tǒng)仿真模擬預(yù)測和系統(tǒng)優(yōu)化實踐。

1 金川三礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)簡介

東部貧礦為金川三礦區(qū)改擴建項目。東部貧礦開采工程采用機械化盤區(qū)下向分層水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，設(shè)計年產(chǎn)250 萬t，基建工程量61 萬m3，主要建設(shè)項目包括回風(fēng)井、進(jìn)風(fēng)井、52 行副井與輔助斜坡道、50 行主井與下料井、1 350、1 250 m 水平運輸平面、1 438 m 分段工程、1 330 m 分段工程、主溜井工程、150 m3/h 充填系統(tǒng)、地表鍋爐房、地表礦石堆場以及新建道路等。

東部貧礦開采工程建成后，三礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)形成多風(fēng)井分區(qū)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)：F17以西通風(fēng)系統(tǒng)、F17以東通風(fēng)系統(tǒng)和東部貧礦通風(fēng)系統(tǒng)，前兩部分通風(fēng)系統(tǒng)形成并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。其中F17以西和F17以東，1 182.5 m以下部分已經(jīng)形成生產(chǎn)規(guī)模，具備完整的通風(fēng)系統(tǒng)；F17 以東1 182.5 m 以上為東部貧礦新建礦山部分，為新設(shè)計建設(shè)系統(tǒng)。

（1）F17 以西通風(fēng)系統(tǒng)。F17 以西礦山采用44 行主井回風(fēng)，36 行措施井和斜坡道進(jìn)風(fēng)，為地表抽出式通風(fēng)模式。新鮮風(fēng)流經(jīng)36 行措施井、主斜坡道進(jìn)入采場，洗刷工作面后，污風(fēng)通過脈內(nèi)預(yù)留的充填回風(fēng)井、1 450～1 350 m 回風(fēng)井、1 350 m 總回風(fēng)道，經(jīng)44行東主井完成外排。

（2）F17 以東通風(fēng)系統(tǒng)。46 行副井進(jìn)風(fēng)，依次經(jīng)1 150 m、1 050 m 石門巷道、東西人行通風(fēng)井、分段道、各盤區(qū)分層聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入采場，洗刷工作面后經(jīng)充填回風(fēng)井回至1 150 m 水平回風(fēng)副中段，1 150～1 200 m、1 200～1 250 m 接力回風(fēng)井，1 250 m 總回風(fēng)道，經(jīng)44行東主井外排。

（3）東部貧礦通風(fēng)系統(tǒng)。該新建區(qū)域采用抽壓混合式進(jìn)行通風(fēng)，新建52 行副井、進(jìn)風(fēng)井、斜坡道進(jìn)風(fēng)，主回風(fēng)風(fēng)機基站安裝于新建回風(fēng)井井口，負(fù)責(zé)將全礦污風(fēng)抽至地表。

東部貧礦通風(fēng)系統(tǒng)建成后，三礦區(qū)將形成46行、36 行、52 行、東貧進(jìn)風(fēng)井、50 行豎井進(jìn)風(fēng)，44 行、主回風(fēng)井回風(fēng)，F(xiàn)17 以西、F17 以東、東部貧礦三區(qū)相對獨立又相互聯(lián)通的復(fù)雜大型多風(fēng)井分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)愈加復(fù)雜，通風(fēng)調(diào)節(jié)和管理難度加大，通風(fēng)系統(tǒng)架構(gòu)決策亟需高新技術(shù)的支持。三礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

2 通風(fēng)仿真系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 MVSS軟件簡介

通風(fēng)仿真模擬軟件采用遼寧工程技術(shù)大學(xué)開發(fā)的MVSS 系統(tǒng)，它在金川礦山得到了推廣，可視化仿真應(yīng)用廣泛，該系統(tǒng)在金川礦山技術(shù)應(yīng)用成熟，獲得了廣泛認(rèn)可。MVSS 系統(tǒng)能夠支持礦井中的風(fēng)流仿真，并能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)流的按需仿真、反風(fēng)模擬、模擬新掘和報廢巷道、模擬構(gòu)筑物增減、模擬風(fēng)機增減和移位，另外還能對礦井的巷道斷面和長度的動態(tài)改變進(jìn)行仿真，支持礦井巷道風(fēng)速分布評價、通風(fēng)系統(tǒng)最大通風(fēng)能力分析、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)角聯(lián)結(jié)構(gòu)分析等功能[3-5]。

2.2 仿真系統(tǒng)模擬

將三礦區(qū)AutoCAD 平臺上的通風(fēng)系統(tǒng)圖在風(fēng)路圖層下描繪成單線圖，將其另存為DXF 格式選擇保存路徑后以“三礦區(qū)描圖”命名。運行MVSS，點擊“新建”工具欄，在繪制類菜單中選擇“（DXF）文件生成系統(tǒng)圖”，在文件對話框中選擇“三礦區(qū)描圖.DXF”，自動生成三礦區(qū)通風(fēng)仿真系統(tǒng)。

2.3 屬性數(shù)據(jù)錄入

數(shù)據(jù)是其構(gòu)建仿真系統(tǒng)關(guān)鍵基礎(chǔ)。在對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)普查統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，錄入的主要數(shù)據(jù)涵蓋了風(fēng)機、各類構(gòu)筑物、巷道以及節(jié)點等。巷道數(shù)據(jù)還涉及到支護(hù)類型、巷道長度、密度、風(fēng)量、風(fēng)速等。節(jié)點數(shù)據(jù)可外延大氣壓力、坐標(biāo)等擴充數(shù)據(jù)。

3 東部貧礦投產(chǎn)初期通風(fēng)方案模擬

東部貧礦投產(chǎn)初期三礦區(qū)產(chǎn)能預(yù)計將達(dá)到210萬t，其中F17 以西35 萬t/a，F(xiàn)17 以東120 萬t/a，東部貧礦首采分層55 萬t/a。分別按照排塵所需風(fēng)量、排塵風(fēng)速所需風(fēng)量以及柴油設(shè)備作業(yè)機械臺數(shù)每千瓦每分鐘4 m3風(fēng)量驗算需風(fēng)量，產(chǎn)能210 萬t 時設(shè)計選取礦井最大總通風(fēng)量為268 m3/s，萬噸耗風(fēng)量指標(biāo)為1.27 m3/s。參照金川公司其他兄弟礦山，產(chǎn)能達(dá)430×104t/a 的特大型礦山，總通風(fēng)量為520 m3/s，萬噸耗風(fēng)量指標(biāo)為1.21 m3/s，該指標(biāo)選用合理。

3.1 通風(fēng)方式和通風(fēng)方法

東部貧礦投產(chǎn)后，礦區(qū)大體分為3 個主采區(qū)即F17 以西采區(qū)、F17 以東1 182.5 m 以上采區(qū)、F17 以東1 182.5 m 以下采區(qū)，年產(chǎn)將超300 萬t，礦區(qū)整體形成相對獨立又相互聯(lián)通的復(fù)雜大型多風(fēng)井分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)。分區(qū)通風(fēng)具有風(fēng)路短、阻力小、便于管理等優(yōu)點，結(jié)合三礦區(qū)生產(chǎn)實際情況，新建回風(fēng)井風(fēng)機能力較大，東主井風(fēng)機工作能力相對不足，實現(xiàn)分區(qū)通風(fēng)后可改善F17 以西、F17 以東1 182.5 m 以下采區(qū)的通風(fēng)狀況。3個采區(qū)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分別如下。

（1）F17 以西：新鮮風(fēng)流→36 行措施井→斜坡道→分段聯(lián)絡(luò)道→分段道→分層聯(lián)絡(luò)道→分層道→工作面→脈內(nèi)預(yù)留回風(fēng)小井→回風(fēng)副中段→1 350 m回風(fēng)沿脈道→新建回風(fēng)井→地表。

（2）F17 以東1 182.5 m 以上（東部貧礦部分）：新鮮風(fēng)流→52 行副井→分段聯(lián)絡(luò)道→分段道→分層聯(lián)絡(luò)道→分層道→工作面→脈內(nèi)預(yù)留回風(fēng)天井→回風(fēng)副中段→新建回風(fēng)井→地表。

（3）F17 以東1 182.5 m 以下：新鮮風(fēng)流→46 及52行副井→1 050 m 石門運輸?shù)馈? 050 m 沿脈運輸?shù)馈L(fēng)行人井→分段道→分層聯(lián)絡(luò)道→分層道→工作面→脈內(nèi)預(yù)留回風(fēng)天井→回風(fēng)副中段→接力回風(fēng)井→1 250 m總回風(fēng)道→44行主井→地表。

3.2 風(fēng)量分配及調(diào)節(jié)

東部貧礦投產(chǎn)后，44 行主井主要擔(dān)負(fù)F17 以東1 182.5 m以下采區(qū)約100 m3/s的風(fēng)量需求，考慮到44行提升主井作為回風(fēng)井，因提升卷揚機影響而無法進(jìn)行有效密封，井塔漏風(fēng)量較嚴(yán)重，繼續(xù)保持主扇目前的高頻率運轉(zhuǎn)。新建回風(fēng)井主扇應(yīng)在較低頻率下運轉(zhuǎn)。根據(jù)回采計劃要求，按采礦盤區(qū)、掘進(jìn)工作面及獨立硐室等所需風(fēng)量，利用礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)量分配模擬，在需要控制風(fēng)流的地點設(shè)置風(fēng)門、調(diào)節(jié)風(fēng)窗、空氣幕、密閉墻等模擬構(gòu)筑物進(jìn)行調(diào)節(jié)，按需分風(fēng)模擬后各主要風(fēng)流流經(jīng)巷道風(fēng)量如表1 所示。模擬通風(fēng)構(gòu)筑物調(diào)整情況如表2所示，通風(fēng)動力裝置運轉(zhuǎn)情況如表3所示。

4 通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整優(yōu)化及分析

4.1 模擬調(diào)整優(yōu)化

利用三礦區(qū)MVSS 系統(tǒng)仿真分析建議，同時結(jié)合現(xiàn)場實際，對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整優(yōu)化。

（1）回風(fēng)井主扇選型及安裝投運。利用仿真系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)，綜合考慮困難期和容易期系統(tǒng)需求，主扇選擇ANN-2968/1400C 型動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，投運后，整體通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量得到了明顯提升，主要用風(fēng)點風(fēng)量和模擬情況下基本一致，仿真系統(tǒng)可靠性得到了驗證。

（2）調(diào)整局扇，避免局部風(fēng)流紊亂。利用通風(fēng)仿真系統(tǒng)對各風(fēng)機的開停、移位及相應(yīng)構(gòu)筑物匹配做了模擬分析，按照最優(yōu)方案在現(xiàn)場進(jìn)行局扇風(fēng)機開停實測，最終新增1臺、移位1臺、關(guān)停3臺，配合風(fēng)門的安裝調(diào)配，解決了局部風(fēng)流紊亂問題。

（3）調(diào)整東貧1 250，1 350，1 450 m 回風(fēng)副中段構(gòu)筑物。利用仿真系統(tǒng)模擬分析，對3 個副中段安裝的風(fēng)門進(jìn)行了增減、移位，先后拆除4 個風(fēng)門，移位或新增5 個風(fēng)門，經(jīng)調(diào)整之后，1 350 m 中段、1 250 m 中段、1 350 m 副中段、1 450 m 副中段均能夠達(dá)到理論要求，取得了顯著效果。

4.2 系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)分析

對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化后，對通風(fēng)系統(tǒng)各指標(biāo)進(jìn)行計算分析。

（1）有效風(fēng)量率。各需風(fēng)點有效風(fēng)量值和為274 m3/s，回風(fēng)井回風(fēng)量362.45 m3/s，有效風(fēng)量率ηu=75.6%，符合要求。

（2）供需比。回風(fēng)井回風(fēng)量風(fēng)量362.45 m3/s，設(shè)計礦井總需風(fēng)量330.86 m3/s，因此供需比為β=1.1，符合要求。

（3）三區(qū)阻力分布。風(fēng)機投運后三礦區(qū)東貧礦進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段阻力占比分別為10.2%、26.1%、63.7%。三區(qū)阻力分布合理，通風(fēng)管理難度較小。三區(qū)阻力分布阻力分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表4 所示。

5 結(jié)語

（1）以系統(tǒng)參數(shù)測量、普查、分析、整理為基礎(chǔ)，應(yīng)用遼寧工程技術(shù)大學(xué)MVSS 軟件開發(fā)的金川三礦區(qū)通風(fēng)仿真模擬系統(tǒng)，能有效實現(xiàn)礦井通風(fēng)數(shù)據(jù)處理、基本人機交互及動態(tài)過程模擬，初步實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)可視化、智能化管控。

（2）應(yīng)用礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)對新建礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，可對大型多風(fēng)井礦井通風(fēng)系統(tǒng)新增主扇風(fēng)機選型及投運參數(shù)決策、通風(fēng)構(gòu)筑物及通風(fēng)動力裝置配置提供量化數(shù)據(jù)，有利于提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量。

（3）應(yīng)用仿真系統(tǒng)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在問題進(jìn)行分析，對整改措施進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，可有效改進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)管理水平，為礦井通風(fēng)困難期管理決策提供技術(shù)支撐。