基于iVent的沃溪坑口矿井通风系统优化改造

王军民

摘要：矿井通风是解决井下空气污染，降低井下温度，保障作业工况环境最有效的手段。针对沃溪坑口现有通风系统风量难以控制，无法实现按需通风的问题，采用iVent矿井通风系统平台，构建了沃溪坑口通风网络拓扑关系和网络解算模型。对沃溪坑口通风系统运行状态进行分析，结合矿井风机风量及阻力对整套系统进行诊断，并基于分析诊断结果对通风系统进行优化。研究结果为矿山改造现有通风设施和通风系统日常管理提供了数据支撑和理论依据。

关键词：矿井通风;iVent矿井通风系统平台;通风诊断;通风系统优化;网络解算

中图分类号：TD724          文章编号：1001-1277（2021）12-0033-05

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20211207

引 言

矿井通风是指利用机械或自然风压，使地表新鲜空气进入矿井，并在各井巷中按生产要求进行定向和定量流动，最终把污浊的空气排出矿井外的全过程。地下开采矿山井下通风能够排除井下有毒有害气体，排除井下作业环境内的粉尘，同时能为井下作业人员提供新鲜空气，为高温矿井排热降温[1-3]。

湖南辰州矿业有限责任公司（下称“辰州矿业公司”）沃溪坑口井下无柴油设备，但井下作业环境温度高、湿度大，爆破后产生的大量有毒有害氣体和浮尘无法有效排除，进一步污染了井下作业环境。原有通风系统存在诸多弊病，例如：井下串风严重，各个中段配风难以得到有效控制，如果在进风段控制风压风量则工程量巨大并且不利于输送，又由于只有2处专用回风竖井连通的限制，所以即使从回风段控制配风，也无法实现按需配风的要求。此外，井下通风系统较为复杂，运行情况较难确定，难以做出合理的调整。

为了有效地冲淡和排除井下有毒有害气体，并减少浮尘，降低井下温度和湿度，创造良好的井下作业条件，降低矿山通风成本，实现最优通风效果，在对辰州矿业公司沃溪坑口通风现状进行调研的基础上，借助iVent矿井通风系统平台（下称“iVent”），提出了一套系统的通风系统优化方案，在三维可视化状态下实现矿井通风系统的动态管理，为矿山通风管理者提供必要的技术支持和决策依据[4-5]。

1 工程概况

辰州矿业公司的前身是冶金工业部湘西金矿，其本部沃溪坑口具有140多年的采矿史。沃溪坑口是一个多中段、超100个采掘作业点同时作业的高温热害矿井，是国内为数不多的千米矿井之一。

沃溪坑口经过新回风竖井建设工程改造实施后，矿井通风系统网络为：原东部风井变为进风井，原西部风井、1#主井（240 m平硐口）、2#副井、1#副井进风井至16中段，经2#主井、3#副井至32中段，再经V3地井、V7地井、4#副井下到42中段，西部风井下到28中段，东部风井下至32中段，同时矿区新建2#明竖井的进风直接下至42中段、44中段，新回风竖井回风。矿井风流清洗作业面和吸收深部高温区域的热量后汇流至36中段、41中段通风联络道，在新回风竖井地表主扇风机（ANN-2500/1250B）作用下排出地表，系统总排风能力大于160 m3/s。沃溪坑口通风系统示意图如图1所示。

2 通风网络构建

iVent是以矿井通风理论、图论、计算机技术及三维可视化技术等理论与技术为基础，基于Dimine数字采矿软件系统平台核心技术构建的三维仿真通风动态模拟作业平台，三维模拟矿井通风网络的空间位置和层位关系，内置网络拓扑动态构建调整机制，可用于通风系统设计、通风改造、通风优化及通风测定等工作。iVent矿井通风系统界面如图2所示。

在结合沃溪坑口实际测量的基础上，依据沃溪坑口通风系统CAD平面图，借助Dimine数字采矿软件系统平台，提取通风巷道中心线，再将提取的巷道中心线导入到iVent中，构建沃溪坑口通风网络拓扑关系，对沃溪坑口通风系统进行数字化、可视化处理，录入风阻参数值、风机数据等解算相关数据，迭代计算并与实测数据进行对比修正，构建沃溪坑口通风网络解算模型，如图3所示。

3 通风系统状态分析诊断

3.1 矿井需风量核算

矿井通风主要有以下4个方面的作用：排除有毒有害气体，排除作业环境粉尘，为井下作业人员提供新鲜空气，高温矿井排热降温。根据沃溪坑口目前的工艺（无柴油设备）和地质条件，其最突出的问题是井下高温高湿的作业环境[6-7]。因此，以调节高温高湿的作业环境计算需风量。

矿井空气是由空气和少量水蒸气2部分混合而成的湿空气，它所含的全部热量用热焓表示。风流通过某段巷道时，空气与周围环境进行热交换。根据热平衡方程[8]计算空气热焓。

i2G2=i1G1+∑q（1）

式中：i2为巷道出风端空气热焓（kJ/kg）;G2为巷道出风量（以质量计）（kg/s）;i1为巷道入风端空气热焓（kJ/kg）;G1为巷道入风量（以质量计）（kg/s）;∑q为某段巷道各种热源散热量（放热量）之和（kJ/s）。

空气热焓可按下式计算：

i=[0.24t+（0.47t+595）d/1 000]×4.187（2）

式中：i为空气热焓（kJ/kg）;t为干球空气温度（℃）;d为空气中水汽含量（g/kg）;0.24×4.187为干空气比热[kJ/（kg·℃）];0.47×4.187为水蒸气比热[kJ/（ kg·℃）];595×4.187为水变成水蒸气时的汽化热（kJ/kg）。

根据GB 16423—2020 《金属非金属矿山安全规程》规定，采掘作业点温度不得超过28 ℃（干球空气温度），查表知其饱和水蒸气含量24 g/kg，则其相应空气热焓为89.25 kJ/kg。

矿井排热降温所需风量计算公式为：

Q=∑qρ（id-in）（3）

式中：Q为排热降温所需风量（m3/s）;ρ为空气密度，取1.205 kg/m3;id为出口允许最高温度对应空气热焓（kJ/kg）;in为入风温度对应空气热焓（kJ/kg）。

各种热源散热量（放热量）之和（∑q）较难确定，其与围岩对空气的热传导系数、巷道断面周长、巷道长度、围岩原始温度都密切相关。

经计算：in=36.77 kJ/kg，则进风口空气热焓为36.77 kJ/kg;id=84.51 kJ/kg，则出风口空气热焓为84.51 kJ/kg。

根据总排热量可以计算总需风量，同时考虑风量分配不平衡系数1.1，计算总需风量为160.1 m3/s。

3.2 风机运行状态分析

沃溪坑口通风系统进行了大面积改造，回风竖井井口安装1台套ANN-2500/1250B矿用风机，安装14块叶片（风机原设计28块叶片），井下无辅扇。ANN-2500/1250B矿用风机具有随时可改变风机叶片角度及转速的特性，性能较好。风机特性曲线表征工况区域变化，根据工况风量及风压可确定风机运行效率在68 %以上。

3.3 矿井风量分配状态分析

沃溪坑口通风系统主要回风分2路：一是41中段以上从上往下通过36中段、41中段回风联络道排到专用回风竖井;二是41中段以下从下往上通过41中段回风联络道排到专用回风竖井，最后通过专用回风竖井排出地表。各路风量分配如表1所示。

根据表1进行风量配色分析和矿井整体风量分配。通过配色分析，大部分区域风量过低，只有主要的进风、回风巷道风量较大，风量分配不均匀，部分内部巷道形成均压，无风流流动，造成围岩排热效果差，作业地点温度上升。41中段以上从上往下通过36中段、41中段回风联络道排到专用回风竖井，为下行排风;41中段以下从下往上通排，为上行排风。分析对比可知，41中段以下的上行排风效果优于41中段以上的下行排风效果。

沃溪坑口采用控制主要回风路线风量的方法控制系统通风，分析可知：单控制回风路线回风量难以实现按需风量供风，阻力小的路线风流大，由于运输路线的障碍少，因此形成了以主要运输路线为风路的通风系统，风流无法高效率流经全部工作面，并及时排出作业面的围岩散热。

3.4 矿井总风阻与阻力分布

3.4.1 矿井通风难易程度分析

矿井通风难易程度一般用等积孔衡量，在相同条件下穿过断面越小的孔其压差损失越大，所以等积孔越大，压差损失越小，其通风越容易。

根据已经建立起的完整三维通风网络，沃溪坑口总风压为1 732.11 Pa，总风量为161.69 m3/s，总风阻为0.066 27 N·s2/m8，等积孔为4.62 m2。

根据规程中通风难易程度的分级标准，沃溪坑口矿井通风比较容易，总回风量也满足矿井通风需求[6]。

3.4.2 矿井阻力分布状态分析

阻力分布比较大的区域集中在专用回风竖井、各主要运输系统风量大的巷道。造成这样的主要原因是其线路风量大。其不良影响是风量分配不均匀，区域均压状态，造成大部分作业地点风量不够、风速小、排热不顺畅。

4 通风系统优化

通过对沃溪坑口通风系统状态的分析与诊断，其已经具备了完善的独立通风系统，但局部通风区域仍存在以下问题：

1）风量分配不合理，深部靠近2#明竖井区域风量充足，中部生产中段由老系统进风，供风量不足。

2）控制风路风流的通风设施少，通风设施质量有待提高。

3）专用回风竖井只与-610 m 36中段和-735 m 41中段连通，-735 m 41中段回风量大，风速过高，特别是靠近专用回风竖井的11 m联络道，风速达27.3 m/s。

针对上述问题，综合分析采取先易后难、不断优化的措施进行通风系统改造升级。

4.1 通风设施提升改造

沃溪坑口风门、风窗都为铁板焊制，易变形、漏风严重，未形成严格的标准;风门未联锁、不能自动关闭;回风巷风门开门过大，风门难打开，易被风门夹伤。

通风系统配风，实现按需通风的关键是通风设施的有效性，通风网络风流分配靠通风设施实现。为了减少风门夹人及风门风窗脱落砸伤人等意外事件的发生率，贯彻落实安全生产政策，提高生产效率，减少由于意外事故发生导致的经济损失，对井下风门、风窗进行标准化建设，对压差大、风量大的巷道，构建2道联锁风门，并且经行联锁，只能同时打开1扇，并完善相应的管理制度，落实到人，谁破坏谁赔偿。

4.2 通风系统配风优化

根据沃溪坑口实际通风要求，调整配风，提高41中段上部供风，让上部老系统多进风，2#明竖井对41中段以下少供风。增加34中段—40中段供风，解决中部中段V3和V7、V8矿脉西部供风量不足、工作温度过高的问题。

根据其目的对通风系统进行如下调整：

1）改造-760 m 42中段2组风门，减少2#明竖井进风，只通过-735 m 41中段直接回到专用回风竖井。

2）改造-610 m 36中段西风障，构建永久调节风窗，此处风障调风不稳定，若全部打开会有36 m3/s的风量从回风巷回到专用回风竖井;同时其也控制着-585 m 35中段、-610 m 36中段和-635 m 37中段西部回風。调节风量不宜过大，也不宜过小。

3）-735 m 41中段西侧回风巷有临时调节风窗，但调节回风量过大，后改为在两分支建立风窗，这样可单独控制两边回路的回风量，根据V7、V8作业面温度适当减小回风量。

4）在-735 m 41中段东段与回风巷设置了风窗，此次主要为V3矿脉工作面回风。若要提高V3作业区域风量需要撤去其风窗，同时在设置风窗时需控制-735 m 41中段和-710 m 40中段V3地井的来风，防止进风过大，造成上部风量减小。

5）在-510 m 32中段V8采区的进风巷设置风窗，减小V8采区工作面供风，将多余的风供向V3作业区。目前供风量在16 m3/s以上，通风风窗控制到5 m3/s以下。同时在通往V3作业区的风路上设置风窗，防止向V7、V8深部供风，控制风量供向V3作业区。

6）2#明竖井與专用回风竖井直接连通，其路线距离短，风阻小，造成底部中段东部漏风严重，西部进风少，V7、V8作业面温度偏高，在-785 m 43中段、-810 m 44中段、-835 m 43中段东侧分别设置调节风窗，减少东侧采区进风，让西侧向V7、V8作业面进风。

方案调整前后主要进、回风巷解算风量如表2所示。

由表2可知：调整前V3和V7、V8矿脉西部作业面有效风量为56.047 m3/s，调整后为79.694 m3/s，作业面有效风量提高率为42.19 %。因此，上述方案解算验证了结果，有效风量提高42.19 %。

对V3和V7、V8矿脉西部作业面进行风量调节，使其作业面有效风量从56.047 m3/s增至79.694 m3/s，提高率高达42.19 %。对专用回风竖井进行扩刷，扩刷前风速高达27 m/s，扩刷后降低至8.144 m/s，风阻由104.458 Pa降低至3.569 Pa，提高了有效风量。

4.3 超速巷道整改

目前，矿井通风风速较大的巷道有2处：-735 m 41中段回风联络道，其中靠近专用回风竖井段风速达27 m/s，风量达120.334 m3/s，风阻高，有必要对其进行扩刷[9]。根据式（4）计算得出其风阻。

p=RQ2=alUS3Q2（4）

式中：p为总风压（Pa）;R为总风阻（N·s2/m8）;Q为总风量（m3/s）;a为摩擦阻力系数;l为两测点间的距离（m）;U为测点断面周长（m）;S为测点断面面积（m2）。

经计算，p=104.458 Pa。

虽然只有10.828 m长的巷道，摩擦阻力却达到104.458 Pa，若将断面扩刷为宽4.5 m、高3.6 m的三心拱，其断面面积为14.776 m2，周长为14.685 m，摩擦阻力系数为0.005。根据式（4）计算得出，p=3.569 Pa，则风速为8.144 m/s。由此可以看出，扩刷断面后可大大降低负压损失，减小摩擦总阻力，风速也降到规程要求范围。

5 结 论

通过调研、梳理和分析沃溪坑口通风实际情况，建立了通风网络模型，并解算和修正了通风网络，对矿山现有通风系统状态进行分析和诊断，并提出了通风系统的优化和改造方案。

1）基于iVent矿井通风系统平台构建了通风网络拓扑关系和三维通风网络解算模型，使矿山管理人员能在三维环境下进行通风网络解算，及时掌握井巷工程施工进度对通风系统的影响，并进行风量调节。

2）沃溪坑口矿井通风比较容易，风机运行效率在68 %以上，总回风量能够满足矿井通风需求，但单控制回风路线回风量难以实现按需风量供风，阻力分布比较大的区域集中在专用回风竖井、各主要运输系统风量大的巷道，风流无法高效流经全部工作面。

3）基于通风状态分析诊断结果，通过对风门、风窗等构筑物的改造升级，优化通风系统配风方案，整改部分超速巷道，解决了各中段存在串风的问题，在井下总回风量满足需求的前提下，保证了风量均匀分布，使风流有效流经各作业面，帮助作业区域及时散热。

[参 考 文 献]

[1] 魏连江，康家康，宋小林，等.矿井通风难易程度评价指标及分级方法[J].中国矿业大学学报，2021，50（4）：649-657.

[2] CHEN K，SI J，ZHOU F，et al.Optimization of air quantity regulation in mine ventilation networks using the improved differential evolution algorithm and critical path method[J].International Journal of Mining Science and Technology，2015，25（1）：79-84.

[3] 黄寿元，蔡建华，李刚.沃溪坑口千米深井降温技术研究与实践[J].黄金科学技术，2016，24（3）：81-86.

[4] 黄俊歆.矿井通风系统优化调控算法与三维可视化关键技术研究[D].长沙：中南大学，2012.

[5] 赵书刚.矿山平行系统理论及其在通风智能管理中的应用研究[D].长沙：中南大学，2014.

[6] CHATTERJEE A，ZHANG L，XIA X.Optimization of mine ventilation fan speeds according to ventilation on demand and time of use tariff[J].Applied Energy，2015，146：65-73.

[7] 段明岸.基于AutoCAD的矿井通风设计及优化研究[D].西安：西安科技大学，2012.

[8] 钟德云，王李管，毕林，等.基于回路风量法的复杂矿井通风网络解算算法[J].煤炭学报，2015，40（2）：365-370.

[9] 吴新忠，韩正化，魏连江，等.矿井风流智能按需调控算法与关键技术[J].中国矿业大学学报，2021，50（4）：725-734.

Optimization and modification of mine ventilation system at Woxi Pithead based on iVent

Wang Junmin

（Hunan Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：Mine ventilation is the most effective means to solve underground air pollution，lower underground temperature and ensure comfortable working environment.In view of the situation that the air volume of the existing ventilation system in Woxi Pithead is difficult to control and the system can not realize ondemand ventilation，this paper used the iVent shaft ventilation system platform to build the topology relationship and network solution model of Woxi Pithead ventilation network.The paper analyzed the operation state of Woxi Pithead ventilation system，diagnosed the whole set of system according to the air volume state and resistance of mine fan，and optimized the ventilation system based on the analysis and diagnosis results.The research results provide data support and theoretical basis for the mine to improve and transform the existing ventilation facilities and daily management of the ventilation system.

Keywords：mine ventilation;iVent ventilation system platform;ventilation diagnosis;ventilation system optimization;network solution