基于Ventsim软件的金属矿山矿井通风系统优化

万三明，刘祖文,朱易春,詹 俊,陈祖云,周建荣

（1.江西理工大学,a.资源与环境工程学院，b.建筑与测绘工程学院，江西赣州341000；2.江西耀升工贸发展有限公司，江西赣州341321）

基于Ventsim软件的金属矿山矿井通风系统优化

万三明1a，刘祖文1b,朱易春1b,詹 俊1a,陈祖云1a,周建荣2

（1.江西理工大学,a.资源与环境工程学院，b.建筑与测绘工程学院，江西赣州341000；2.江西耀升工贸发展有限公司，江西赣州341321）

针对某金属矿山矿井通风系统存在的通风网络不合理、矿井总供风量不足、通风构筑设施不完善等问题，提出三种优化改造方案.并借助Ventsim系统建立三维通风模型，解算矿井通风系统的数据.对三个方案的经济和技术进行综合比较，选择最佳方案，减少人力和物力的消耗.

矿井通风系统；Ventsim系统；三维通风模型；解算

0 引言

矿井通风系统是指向井下各作业点供给新鲜空气，排出污浊空气的通风网路、通风动力设备和通风控制设施的总称[1].《金属非金属矿山安全规程》[2]规定，每个矿井必须有完整的合理的通风系统.完善的矿井通风系统是井下各作业地点有连续的新鲜风流、稀释并排除粉尘和有毒有害气体、降低井下工作面的温度，提供安全舒适的工作环境的基本保障,对提高矿山的安全生产具有重要意义[3-4].

矿山随着生产规模的扩大，开采深度的增加、自然条件的影响以及生产布局的变化，生产矿井往往会出现总供风量不足；井下风流不稳定；矿井漏风严重，有效风量率低；通风网络不合理，对井下各作业点不能实现按需分风；废气巷道不能及时封闭，造成风流浪费等问题[5-7].因此必须适时对矿井通风系统进行改造，确保矿山有序、可靠、持续地安

全生产[8].

矿井通风系统优化改造的主要任务是对现有的通风系统进行调查、测定和评价；发现通风系统存在的不足之处、分析原因、提出多个整改方案；运用Ventsim三维通风仿真系统对各个整改方案进行模拟，确定最优方案.

1 工程背景

1.1 矿井通风系统现状调查

某金属矿是以开采铅锌矿为主的地下矿山，采用平硐与盲斜井联合开拓方式，开采多年，由+1666 m延伸到+1200 m共计15个中段.矿井通风系统为+1566 m及+1516 m平硐进风，147线回风井出风的单翼对角抽出式通风系统.已开拓的水平由+1666 m到+1200 m，现有的作业水平由+1566 m到+1200 m，其中+1360 m及以上中段均有部分回采作业面；+1320 m及以下中段均为开拓中段.该矿在+1400 m中段147~151线之间、+1460 m中段142~143线之间设置了风门，其它中段没有通风构筑设施.主扇安装在147线风井口风机硐室内.

1.2 矿井通风系统的测定

为了了解矿井的通风系统，需要对主扇、需风点、回风巷道等进行测定.测定的主要内容有：井巷断面积、风速测定、风机装置风压的测定、电机输入功率的测定、大气压、温度等[9-12].测风点的应布置在地表及各中段主要进风巷、各个作业点、各中段主要回风巷、其他能够反映风量分配意义的地方.通过测定检查各主要通风井巷的风速、风质是否符合规定，确定漏风点的漏风量等，为通风系统优化改造提供基础数据.

1.3 矿井通风系统的评价及分析

通过对矿井通风系统的现状调查及测定结果进行评价和分析得知该金属矿主要存在以下问题：

1）矿山主通风机与现有的生产能力不匹配.原因是该矿年生产能力从原设计产量的21.5万t提高到现有的30万t，主通风机供风不足.

2）矿井风量、风质合格率低，内部风流短路严重，采场通风条件差.这是由井下作业点串联较多，井下局扇安装方式不合理造成的.

3）通风构筑设施不完善，导致风量分配不合理，漏风严重，风量供需比达不到要求.

4）矿井主通风机装置效率不高，仅有43.56%，达不到风机装置效率不得小于60%的要求.主要是风机与现有的通风网络不匹配造成的.

5）局部区域污风循环.各个中段均有空区及天井与上下贯通，污风串联严重；局部通风工作面多数为污风循环；各作业区段未设置风流调控设施，导致网络角联，风流紊乱；新鲜风流与污风混合.

2 矿井通风系统优化改造方案的拟定

对该金属矿山的矿井通风系统进行调查、测定，发现该矿井通风系统存在的通风网络不合理、供风量不足、通风构筑设施不完善等问题.这将会导致井下通风系统能耗较大，通风效果差，不仅造成经济损失，还危害井下作业人员的健康.针对这些问题提出了三种矿井通风系统优化改造方案.

方案一.封闭+1666 m、+1616 m窿口及147线原回风井地表井口，仅利用+1566 m及+1516 m窿口进风，主扇安装在151线总回风井口地表风机房.新鲜风流由+1566 m及+1516 m窿口进入，经过1#及2#盲斜井到达+1400 m中段运输巷道，然后通过3#及4#盲斜井进入各作业中段，污风由155线回风井收集后经由+1400 m中段回风巷到达151线回风井，最后由安装在地表风机房的主扇排出地表.

方案二.封闭+1666 m、+1616 m窿口及147线原回风井与+1400 m中段相连处，利用+1566 m、+1516 m窿口进风及147线风井经+1460 m中段进风，主扇安装在151线总回风井口地表风机房.新鲜风流由+1566 m、+1516 m窿口及147线风井（经由+1460 m中段）进入，经过1#及2#盲斜井到达+1400 m中段运输巷道，然后通过3#及4#盲斜井进入各作业中段，污风由155线回风井收集后经由+1400 m中段回风巷到达151线回风井，最后由安装在地表风机房的主扇排出地表.

方案三.封闭+1666 m及+1616 m窿口，利用+1566 m、+1516 m窿口进风及147线原回风井经+1400 m中段及+1460 m中段进风，主扇安装在151线总回风井口地表风机房.新鲜风流由+1566 m、+1516 m窿口及147线风井（经由+1460 m中段及+1400 m中段）进入，经过1#及2#盲斜井到达+1400 m中段运输巷道，然后通过3#及4#盲斜井进入各作业中段，污风由155线回风井收集后经由+1400 m中段回风巷到达151线回风井，最后由安装在地表风机房的主扇排出地表.矿井通风

系统立体图如图1所示.

对于井下的作业中段存在的风流短路、风流反向、风流不能按需分配等现象，在相关巷道中设置风门、风墙等构筑设施，加强风流控制.

图1 矿井通风系统立体图

3 Ventsim系统在矿井通风系统优化改造中的应用

Ventsim三维通风仿真系统是通风领域最为先进的软件系统之一[13-16]，它具有以下功能：

1）新建矿山通风网络系统设计、解算和风流动态模拟；

2）生产矿井风流动态模拟；

3）任意风路固定风量、固定风压、网络风流按需分配仿真；

4）模拟新掘和废弃井巷后风网系统的变化；

5）模拟风门、风窗、密闭等通风构筑物设置和风量调节效果;

6）辅助进行短期和长期通风系统规划；

7）在风网优化设计的基础上进行风机选型，风机运行工况点分析；

8）支持对主辅扇、局扇选型和多级机站联合运转分析；

9）主要风路经济断面选型、风网通风经济性和通风能力分析，风网全局优化；

10）串联通风和污风循环预测；

11）基于生产矿山需求，可将矿山通风实时监控系统与三维通风仿真系统进行整合，提供基于实时数据的矿山通风动态管理和调节系统.

3.1 Ventsim系统通风网络解算原始数据导入

将CAD图形中的实测图纸以.dxf格式导入Ventsim系统中，形成初步的三维通风系统图.根据通风系统测定及计算获得的原始数据对每条巷道进行参数输入，得到各巷道的周长、断面积、风阻系数等基本参数.如图2所示.

图2 风路数据输入

3.2 风流的动态模拟

基础参数输入后，就会形成三维矿井通风系统图，在工具栏里对风路进行“绑定与简化”避免风流断开不能模拟和使得风流更为简洁.通过运行“风流模拟”，检查风网运行是否正常.接着赋予系统通过计算得到的矿井总需风量及各中段的按需分配风量，主要进风巷道采用自然分风模式进行分配.在这过程中需适当地在某些巷道设置构筑设施进行风量调节.

通风系统进行网络解算，得出各巷道通风阻力、通风风量、风阻等参数，确定需要优化调节的巷道分支，以达到通风系统优化设计目标.

3.3 三种通风方案的技术与经济的综合比较

3.3.1 技术性比较

矿井的等积孔是反映井巷(或矿井)通风难易程度的一个重要指标，以平方米表示.通常根据矿井等积孔值或矿井风阻值大小(即按矿井通风难易程度)将其分为三级，即大阻力矿（A<1）、中阻力矿（1< A<2）、小阻力矿（A>2）.等级孔愈大，通风愈容易.反之亦然.

运用Ventsim软件对设计方案的通风网络进行模拟，解算矿井通风摩擦阻力，考虑局部阻力所占份额而乘以1.2系数后即可得全矿通风阻力，各个方案供风量、通风阻力参数汇总结果见表1.

表1 参数比较

通过计算得到方案一、方案二、方案三矿井通风的等积孔分别为1.71 m2、1.77 m2及2.00 m2.上述结果说明，方案三等积孔最大，矿井通风阻力最小，方案一等积孔最小，矿井通风阻力最大.

3.3.2 主扇的经济性比较

矿井主扇是矿井通风的主要动力，它是高能耗的机器.因其功率大，且常年连续运转，是矿山的用电大户.所以对主扇进行经济合理的选择对矿山的节能降耗有重要意义[17].

对该矿山矿井的自然风压进行计算得知容易时期为+166.43 Pa，困难时期为-24.23 Pa.负号说明自然风压的方向与矿井通风机造成的风流方向是相反的，即该矿高温季节的矿井自然风压是阻碍主扇工作的.故主扇选型时，必须考虑自然风压的作用.

在主扇选型过程中，根据矿井通风容易时期和困难时期所计算出的风量与风压数据（表2）选出合适的风机，然后利用全矿总风阻R，在H～Q特性曲线上画出工作风阻R曲线，最后确定风机工况点和叶片安装角.

表2 风量与风压数据

根据Ventsim系统通风网络解算选取合适的主扇型号，通风系统方案一及方案二均选择DK45-8-N021；方案三选择DK45-8-N020.三种方案所选主扇的工况点及参数见表3、表4及表5.

表3 方案一风机的工况点及参数

表4 方案二风机的工况点及参数

表5 方案三风机的工况点及参数

对于通风方案一，在容易时期风机功率为201.5 kW，电机轴功率为212.1 kW，年通风电耗成本为134.4万元；在困难时期风机功率为283.4 kW，电机轴功率为298.3 kW，年通风电耗成本为214.8万元.对于通风方案二，在通风容易时期风机功率为186.0 kW，电机轴功率为195.8 kW，年通风电耗成本为124.1万元；在通风困难时期风机，功率为239.2 kW，电机轴功率为251.8 kW，年通风电耗成本为159.5万元.对于通风方案三，在通风容易时期风机功率为159.1 kW，电机轴功率为167.5 kW，年通风电耗成本为106.1万元；在通风困难时期风机功率为190.3 kW，电机轴功率为200.3 kW，年通风电耗成本为126.9万元.

3.4 优化改造方案的确定

运用Ventsim软件系统对三个优化改造方案的通风阻力进行模拟计算，得知方案三的通风阻力最小，通风最容易.同时方案三选用的风机在正常运行的条件下，能够满足从通风容易时期直到+1200 m中段开采结束前的通风困难时期的通风阻力的要求，并始终保证满足矿井需风量的要求，主扇的效率较高，且通风成本最低.所以方案三为最佳方案.

4 方案实施效果

改造方案实施后，对矿山矿井通风系统进行测定，比较矿井通风系统优化前后通风系统评价指标，见表6.

表6 优化前后通风系统评价指标对比/%

由表6得知：主扇的供风量能够满足矿井的需风量要求；通风构筑物的设立减少了+1360 m以上中段的漏风，保障下部中段风量的需求，实现了风量的按需分配；作业点的风速、风量等相关参数满足《金属非金属矿山安全规程》[2]的要求.

5 结论

1）优化后的风量供需比达到1.37，可以满足矿井的需风量要求，同时主扇的装置效率明显提高，这样即改善了井下作业环境，又提高的矿井通风的技术质量.

2）修补已坏的风门、风窗，在相关巷道设置通风构筑设施，避免的风流短路，实现风量的按需分配.对各个中段与采空区相连部位的封闭有效的杜绝污风串联、污风循环、污风与新鲜风流混合.但随着生产的不断进行，要对构筑设施不断调控，加强通风管理，确保通风安全.

3）Ventsim软件系统能够对提出的改造方案快速的进行风网结算、仿真模拟风量的按需分配，通风预先模拟各个方案的通风效果选择合理的改造方案，同时可以帮助矿井通风管理人员发现问题和优化通风网络，减少人力和物力的消耗.

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Optimization of metal mine ventilation system based on Ventsim software

WAN Sanming1a,LIU Zuwen1b,ZHU Yichun1b,ZHAN Jun1a,CHEN Zuyun1a,ZHOU Jianrong2
(1a.School of Resources and Environmental Engineering,1b.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China;2.Jiangxi Ganzhou Yaosheng Industry Development Co.Ltd,Ganzhou 341321,China）

Aiming at the problems existing in the ventilation system of a mine,such as unreasonable ventilation network,insufficient total air input of mine,incomplete ventilation structure,three technological reformation schemes for the optimization of the ventilation system are proposed.With the help of the Ventsim system,the three-dimensional model for ventilation is established to calculate the data of mine ventilation system.By comparing the economic and technological effects of the three technological reformation schemes,the best reformation scheme is chosen to reduce the consumption of manpower and material resources.

mine ventilation system;Ventsim system;three-dimensional model for ventilation;calculation

X936；TD72

A

2014-05-22

国家自然科学基金资助项目（51464016）；江西省自然科学基金资助项目（2009GZC0035）

万三明（1989-），男，硕士研究生，主要从事安全科学与工程等方面的研究，E-mail:wansanming19891104@163.com.

刘祖文（1969-），男，教授，主要从事水处理工艺和噪声控制等方面的研究，E-mail:liu_zwfm@sohu.com.

2095-3046(2014)05-0012-05

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.05.003