金川三矿区矿井通风系统的仿真模拟及优化

薛希忠 孙其龑 冉金强

（金川集团股份有限公司三矿区）

高效、稳定的矿井通风系统是确保矿井安全生产和稳定发展的基础，不仅对改善井下作业人员工作环境有重大意义，而且对提高矿山经济效益，实现可持续发展具有深远影响［1］。受多方因素影响，国内大型矿山开采范围不断变大，开拓系统不断延伸，通风系统变得越来越复杂，多风井复杂通风系统越来越多，通风系统决策、管理难度越来越大。随着仿真模拟数字技术的不断发展，应用仿真模拟技术构建通风仿真系统，实现矿井通风系统的可视化、智能化管控已经成为一种趋势［2］。

本研究以金川三矿区东部贫矿大型多风井通风系统建设为工程实例，应用MVSS 软件构建仿真模拟系统，进行投产期系统仿真模拟预测和系统优化实践。

1 金川三矿区通风系统简介

东部贫矿为金川三矿区改扩建项目。东部贫矿开采工程采用机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿法，设计年产250 万t，基建工程量61 万m3，主要建设项目包括回风井、进风井、52 行副井与辅助斜坡道、50 行主井与下料井、1 350、1 250 m 水平运输平面、1 438 m 分段工程、1 330 m 分段工程、主溜井工程、150 m3/h 充填系统、地表锅炉房、地表矿石堆场以及新建道路等。

东部贫矿开采工程建成后，三矿区通风系统形成多风井分区通风网络：F17以西通风系统、F17以东通风系统和东部贫矿通风系统，前两部分通风系统形成并联通风网络。其中F17以西和F17以东，1 182.5 m以下部分已经形成生产规模，具备完整的通风系统；F17 以东1 182.5 m 以上为东部贫矿新建矿山部分，为新设计建设系统。

（1）F17 以西通风系统。F17 以西矿山采用44 行主井回风，36 行措施井和斜坡道进风，为地表抽出式通风模式。新鲜风流经36 行措施井、主斜坡道进入采场，洗刷工作面后，污风通过脉内预留的充填回风井、1 450～1 350 m 回风井、1 350 m 总回风道，经44行东主井完成外排。

（2）F17 以东通风系统。46 行副井进风，依次经1 150 m、1 050 m 石门巷道、东西人行通风井、分段道、各盘区分层联络道进入采场，洗刷工作面后经充填回风井回至1 150 m 水平回风副中段，1 150～1 200 m、1 200～1 250 m 接力回风井，1 250 m 总回风道，经44行东主井外排。

（3）东部贫矿通风系统。该新建区域采用抽压混合式进行通风，新建52 行副井、进风井、斜坡道进风，主回风风机基站安装于新建回风井井口，负责将全矿污风抽至地表。

东部贫矿通风系统建成后，三矿区将形成46行、36 行、52 行、东贫进风井、50 行竖井进风，44 行、主回风井回风，F17 以西、F17 以东、东部贫矿三区相对独立又相互联通的复杂大型多风井分区通风系统，矿井通风系统愈加复杂，通风调节和管理难度加大，通风系统架构决策亟需高新技术的支持。三矿区通风系统简图如图1所示。

2 通风仿真系统构建

2.1 MVSS软件简介

通风仿真模拟软件采用辽宁工程技术大学开发的MVSS 系统，它在金川矿山得到了推广，可视化仿真应用广泛，该系统在金川矿山技术应用成熟，获得了广泛认可。MVSS 系统能够支持矿井中的风流仿真，并能够实现风流的按需仿真、反风模拟、模拟新掘和报废巷道、模拟构筑物增减、模拟风机增减和移位，另外还能对矿井的巷道断面和长度的动态改变进行仿真，支持矿井巷道风速分布评价、通风系统最大通风能力分析、通风网络角联结构分析等功能[3-5]。

2.2 仿真系统模拟

将三矿区AutoCAD 平台上的通风系统图在风路图层下描绘成单线图，将其另存为DXF 格式选择保存路径后以“三矿区描图”命名。运行MVSS，点击“新建”工具栏，在绘制类菜单中选择“（DXF）文件生成系统图”，在文件对话框中选择“三矿区描图.DXF”，自动生成三矿区通风仿真系统。

2.3 属性数据录入

数据是其构建仿真系统关键基础。在对通风系统进行详细的数据普查统计的基础上，录入的主要数据涵盖了风机、各类构筑物、巷道以及节点等。巷道数据还涉及到支护类型、巷道长度、密度、风量、风速等。节点数据可外延大气压力、坐标等扩充数据。

3 东部贫矿投产初期通风方案模拟

东部贫矿投产初期三矿区产能预计将达到210万t，其中F17 以西35 万t/a，F17 以东120 万t/a，东部贫矿首采分层55 万t/a。分别按照排尘所需风量、排尘风速所需风量以及柴油设备作业机械台数每千瓦每分钟4 m3风量验算需风量，产能210 万t 时设计选取矿井最大总通风量为268 m3/s，万吨耗风量指标为1.27 m3/s。参照金川公司其他兄弟矿山，产能达430×104t/a 的特大型矿山，总通风量为520 m3/s，万吨耗风量指标为1.21 m3/s，该指标选用合理。

3.1 通风方式和通风方法

东部贫矿投产后，矿区大体分为3 个主采区即F17 以西采区、F17 以东1 182.5 m 以上采区、F17 以东1 182.5 m 以下采区，年产将超300 万t，矿区整体形成相对独立又相互联通的复杂大型多风井分区通风系统。分区通风具有风路短、阻力小、便于管理等优点，结合三矿区生产实际情况，新建回风井风机能力较大，东主井风机工作能力相对不足，实现分区通风后可改善F17 以西、F17 以东1 182.5 m 以下采区的通风状况。3个采区的通风网络分别如下。

（1）F17 以西：新鲜风流→36 行措施井→斜坡道→分段联络道→分段道→分层联络道→分层道→工作面→脉内预留回风小井→回风副中段→1 350 m回风沿脉道→新建回风井→地表。

（2）F17 以东1 182.5 m 以上（东部贫矿部分）：新鲜风流→52 行副井→分段联络道→分段道→分层联络道→分层道→工作面→脉内预留回风天井→回风副中段→新建回风井→地表。

（3）F17 以东1 182.5 m 以下：新鲜风流→46 及52行副井→1 050 m 石门运输道→1 050 m 沿脉运输道→通风行人井→分段道→分层联络道→分层道→工作面→脉内预留回风天井→回风副中段→接力回风井→1 250 m总回风道→44行主井→地表。

3.2 风量分配及调节

东部贫矿投产后，44 行主井主要担负F17 以东1 182.5 m以下采区约100 m³/s的风量需求，考虑到44行提升主井作为回风井，因提升卷扬机影响而无法进行有效密封，井塔漏风量较严重，继续保持主扇目前的高频率运转。新建回风井主扇应在较低频率下运转。根据回采计划要求，按采矿盘区、掘进工作面及独立硐室等所需风量，利用矿井通风仿真系统进行风量分配模拟，在需要控制风流的地点设置风门、调节风窗、空气幕、密闭墙等模拟构筑物进行调节，按需分风模拟后各主要风流流经巷道风量如表1 所示。模拟通风构筑物调整情况如表2所示，通风动力装置运转情况如表3所示。

4 通风系统调整优化及分析

4.1 模拟调整优化

利用三矿区MVSS 系统仿真分析建议，同时结合现场实际，对通风系统进行系统调整优化。

（1）回风井主扇选型及安装投运。利用仿真系统模拟数据，综合考虑困难期和容易期系统需求，主扇选择ANN-2968/1400C 型动叶可调轴流风机，投运后，整体通风系统总风量得到了明显提升，主要用风点风量和模拟情况下基本一致，仿真系统可靠性得到了验证。

（2）调整局扇，避免局部风流紊乱。利用通风仿真系统对各风机的开停、移位及相应构筑物匹配做了模拟分析，按照最优方案在现场进行局扇风机开停实测，最终新增1台、移位1台、关停3台，配合风门的安装调配，解决了局部风流紊乱问题。

（3）调整东贫1 250，1 350，1 450 m 回风副中段构筑物。利用仿真系统模拟分析，对3 个副中段安装的风门进行了增减、移位，先后拆除4 个风门，移位或新增5 个风门，经调整之后，1 350 m 中段、1 250 m 中段、1 350 m 副中段、1 450 m 副中段均能够达到理论要求，取得了显著效果。

4.2 系统关键指标分析

对系统进行调整优化后，对通风系统各指标进行计算分析。

（1）有效风量率。各需风点有效风量值和为274 m3/s，回风井回风量362.45 m3/s，有效风量率ηu=75.6%，符合要求。

（2）供需比。回风井回风量风量362.45 m3/s，设计矿井总需风量330.86 m3/s，因此供需比为β=1.1，符合要求。

（3）三区阻力分布。风机投运后三矿区东贫矿进风段、用风段、回风段阻力占比分别为10.2%、26.1%、63.7%。三区阻力分布合理，通风管理难度较小。三区阻力分布阻力分布数据统计如表4 所示。

5 结语

（1）以系统参数测量、普查、分析、整理为基础，应用辽宁工程技术大学MVSS 软件开发的金川三矿区通风仿真模拟系统，能有效实现矿井通风数据处理、基本人机交互及动态过程模拟，初步实现通风系统可视化、智能化管控。

（2）应用矿井通风仿真系统对新建矿井通风系统进行模拟分析，可对大型多风井矿井通风系统新增主扇风机选型及投运参数决策、通风构筑物及通风动力装置配置提供量化数据，有利于提高矿井通风系统建设质量。

（3）应用仿真系统对矿井通风系统存在问题进行分析，对整改措施进行数据模拟，可有效改进通风系统管理水平，为矿井通风困难期管理决策提供技术支撑。