沃溪坑口矿井通风系统测定与分析

王军民

摘要：随着采矿不断走向深部，开采强度变大，地质条件更加复杂，造成井下生产作业环境恶劣等现实难题。为了保障井下生产作业环境，实现矿井安全高效通风是最有效的手段。在沃溪坑口矿井通风实施管理过程中，面临通风管理数字化程度低，整体协同性差，生产管理难度大等问题。通过现场测定、数值模拟等手段，对沃溪坑口矿井通风系统中主要巷道风阻分布和矿井风量分配等情况进行测定和分析，为矿井通风系统的后续优化和改造提供数据支撑和理论依据。

关键词：矿井通风系统;通风测定;风量分析;iVent矿井通风软件;数值模拟

中图分类号：TD724文章编号：1001-1277（2021）10-0038-05

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20211008

引 言

随着开采深度和强度不断加大，开采的地质条件更加复杂，井下作业环境对人员安全与矿井生产效率的影响越来越大。随着矿山开采活动的进行，矿井通风系统实时变化，及时调整通风网络，满足矿山深部安全生产要求，提高通风系统的稳定性显得尤为重要[1-2]。

沃溪坑口是湖南辰州矿业有限责任公司（下称“辰州矿业公司”）沃溪矿区的主采坑口，地温梯度为1 ℃/39.5 m，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，也是国内为数不多的千米矿井之一[3]。由于深井原岩温度高，而深部通风系统不完善，排风能力严重不足，通风困难，采矿作业环境差，加之矿井提升级数多，导致员工进出时间长，有效作业时间短，劳动效率低。目前，沃溪坑口通风系统面临一些亟需解决的问题[4-5]：①通风管理工作量大。随着采矿不断走向深部，采、掘工作面越来越多，多中段同时开采，作业点多面广，普遍存在多中段串风。②技术管理难度大。随着矿井开拓变化，通风网络越来越复杂，供风地点多，分布广，调风越来越困难，通风质量不达标，深部通风降温效果不理想。③职业健康影响大[6]。

为改善和优化深井采矿作业环境，保障员工和设备作业效率，稳定目前地下开采生产能力、延长矿山服务年限，采用基于DIMINE数字采矿软件系统平台开发的可用于通风系统设计、改造、优化与测定管理等工作的三维仿真通风动态模拟作业平台iVent矿井通风软件，构建了沃溪坑口三维通风网络模型，并在矿井通风网络中布置测点，测定了现有通风系统中的阻力分布和矿井风量分配情况，将测定的数据导入软件进行相关分析，从而为矿井通风系统优化和改造提供数据支撑和理论依据。

1 工程概况

辰州矿业公司沃溪坑口拥有世界罕见的特大型金、锑、钨共生矿床，已经开采了140余年，是当前国内少数千米深井开采的矿山之一。沃溪坑口矿体属于缓倾斜薄矿体，主要采用竖分条空场废石胶结充填采矿法开采，斜、竖井联合开拓，工程布置方式为：沿矿体走向每50 m划分1个矿块，阶段高度为25 m、倾斜长40～60 m，矿房内沿走向划分成分条，每分条宽度为4 m，矿块间不留间柱，保留少量底柱和顶柱，采矿前先将天井锚网护顶，清刷底板矿石后从上向下退采矿房，分条间隔回采、清底后干式充填，采用电耙配合装岩机出矿。主要技术经济指标为：采切比6.13 m/kt，出矿能力20～30 t/d，矿石贫化率8 %，采矿损失率10 %[7]。

目前沃溪坑口新鲜风流由西部风井、1#主井（240 m平硐口）、2#副井、1#副井进风至16中段，经2#主井、3#副井至32中段，再经V3地井、V7地井、4#副井进入42中段，西部风井进入28中段，东部风井至32中段，同时矿区新建2#明竖井的进风直接进入42，44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36，41中段通风联络道，在新回风竖井地表主扇风机作用下排出地表，系统总排风能力大于160 m3/s。通风系统见图1。

2 通风系统测定

2.1 测定目的

现场测定目的主要包括：①了解现有通风系统中阻力分布和矿井风量分配情况，为了使通风系统更为经济合理，为下一步提出切合实际的改进意见提供依据;②通过测定各种类型井巷的通風阻力、风量等，提供实际的风阻和摩擦阻力系数，为通风系统优化[8-9]等提供依据。

2021年第10期/第42卷采矿工程采矿工程黄 金

2.2 测定内容

现场测定内容主要包括：①巷道壁面特征实测，包括巷道形状、支护形式、净宽、净高及断面面积;②巷道的风速、风量、测点压差;③测点的动压计算;④矿井通风阻力、摩擦阻力系数计算。

2.3 测定方法

测定方法选用差压计法[10]。其中，气压测定采用CPD2/20型矿用便携气压测定器，风速测定采用的机械风表为CFJ-5低速风表、CFJ-10中速风表和CFJ-25高速风表。测定原理是采用气压测定器测出两测点间的绝对静压差，再加上速压差和位压差，最终计算出通风阻力。由于同一天短时间内地面大气压和矿井通风状况变化不大，本文测定计算忽略其影响，同一中段不考虑位压差。两测点之间通风阻力（F 阻i-j）计算方法见式（1）。

F 阻i-j=p 静i-p 静j+（Z igρ i-Z jgρ j）+ρ iv2 i2-ρ jv2 j2（1）

式中：p 静i为静读i气压计的读数（Pa）;p 静j为静读j气压计的读数（Pa）;Z i为i点标高（m）;Z j为j点标高（m）;g为重力加速度，取9.8 m/s2;ρ i为i点空气密度（kg/m3）;ρ j为j点空气密度（kg/m3）;v i为i点风速（m/s）;v j为j点风速（m/s）。

另外，采用iVent矿井通风软件构建三维通风网络模型，录入矿山通风数据，并根据通风参数实际测定结果，修正三维通风网络模型，使三维通风网络模型与矿山实际状况相符。

2.4 测定路线选择与测点布置

2.4.1 测定路线选择

根据沃溪坑口的生产布局和通风系统现状，从有利于系统现状分析出发，选择测定路线布置测点。主要测定路线选择在通风路线长、风量大，且包含风井、运输大巷、主要工作面、回风上山、回风巷道等，能反映矿井通风系统特征的风路上。通过测定其结果反映矿井通风现状，并为矿井通风系统改造提供依据。

2.4.2 测点布置

矿井通风系统测定的主要中段包括：-510 m（32中段）、-610 m（36中段）、-735 m（41中段）、-760 m（42中段）、-810 m（44中段）。由于一些布置测点风速过低或受通风设施影响，实测有效测点相比布置测点有所调整，实测有效测点共42个，见表1。以41中段和44中段为例，实测点位置情况见图2。

3 测定结果与分析

3.1 测定数据整理

根据实测结果，对矿井各中段实测风量进行统计，部分中段通风测定记录见表2。

3.2 矿井风量分配状态分析

沃溪坑口矿井通风系统主要回风分两路：一是41中段以上从上往下通过36，41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，最后排出地表。中段回风量计算结果见表3。

基于iVent矿井通风软件中所建立的通风网络模型，根据风量配色分析矿井整体风量分配，结果见图3、图4。由图3、图4可知：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36，41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。经对比分析可知，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，经过分析可以看出：单控制回风路線回风量很难实现按需风量供风，阻力小的路线风流大，由于运输路线的障碍少，形成以主要运输路线为风路的系统，风流没有有效流经工作面及时排出围岩散热。

3.3 矿井总风阻与阻力分布

3.3.1 矿井通风难易程度

矿井通风难易程度一般用等积孔衡量，分级标准[11]见表4。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。根据在iVent矿井通风软件中建立的完整三维通风网络，可得到总风压1 732.11 Pa，总风量161.69 m3/s，总风阻0.066 27 N·s2/m8，等积孔4.62 m2。根据表4通风难易程度的分级标准，沃溪坑口为小阻力矿，通风比较容易，总回风量也满足矿井通风需求。

3.3.2 矿井阻力分布状态

通过在iVent矿井通风软件中对解算结果进行配色显示来分析矿井通风阻力分布情况，结果见图5。由图5可以看出：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;造成这样的原因主要是其路线风量大。产生的不良影响是风量分配不均匀，区域处于均压状态，造成大部分作业地点风量不够，风速小，排热不顺畅。

4 结 论

通过调研、梳理和分析矿山实际情况，基于iVent矿井通风软件系统平台构建了三维通风网络模型，采用现场测定、数值模拟等手段，对沃溪坑口矿井通风系统中主要巷道阻力分布和矿井风量分配等情况进行了测定和分析，可为矿井通风系统优化和改造提供理论依据。

1）沃溪坑口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。

2）沃溪坑口大部分区域风量过低，只有主要进风、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，难以实现按需风量供风，造成围岩排热效果差，作业地点温度上升。

3）沃溪坑口为小阻力矿，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，导致风量分配不均匀及区域处于均压状态，大部分作业地点风量不足，风速小，排热不顺畅。

[参 考 文 献]

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Measurement and analysis of mine ventilation system in Woxi pithead

Wang Junmin

（Hunan Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：With the mining going deep，the mining intensity becomes greater and the geological conditions become more complex，resulting in practical problems such as poor underground production and operation environment.In order to ensure the underground production and operation environment，it is the most effective means to realize the safe and efficient ventilation of the mine.In the process of ventilation management in Woxi pithead shaft，there are some problems，such as low digitization of ventilation management，poor overall coordination，and difficult production management.By means of field measurement and numerical simulation，this paper measures and analyzes the wind resistance distribution and shaft air volume distribution in the main roadway in the mine ventilation system at Woxi pithead，so as to provide data support and theoretical basis for the subsequent optimization and transformation of the mine ventilation system.

Keywords：mine ventilation system;ventilation measurement;air volume analysis;iVent shaft ventilation software;numerical simulation