基于VentNetLab的凡口铅锌矿深部通风系统优化

李方波 代涵 陈新

摘要：随着凡口铅锌矿逐渐进入深井开采阶段，其现有通风系统也随之面临更大的压力，对深部通风系统进行优化已成为当前通风管理的重点工作。利用VentNetLab通风模拟软件建立了凡口铅锌矿深部通风系统的三维仿真模型，对深部通风系统进行模拟及通风网络解算，深部通风系统主要存在通风阻力过大、循环风严重、深部进风不足及风流调控不合理等4方面的问题。针对上述问题，提出从新增进风措施井、优化深部盘区通风构筑物、挖掘深部盘区进风潜力及增设辅扇等4个方面对深部通风系统进行改造，以期改善凡口铅锌矿深部盘区通风系统现状，并提高深部盘区的安全生产能力。

关键词：深井开采;通风系统;仿真模拟;VentNetLab软件;盘区进风;通风网络解算

中图分类号：TD724文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）06-0031-04doi：10.11792/hj20210606

引 言

矿山通风系统在矿山的安全生产中起着至关重要的作用，建立一个可靠稳定的通风系统是众多矿山的共同需求[1-3]。矿山通风系统作为一个动态性的系统，并不是一成不变的，而是随着矿山开采规模的增加而逐渐趋于复杂[4-5]，尤其是当矿山进入深部开采阶段后，其通风问题会变得越来越突出，通风系统可靠性也越来越低[6-8]，这些问题的存在严重影响矿山的正常生产，开展与加强矿山深部开采阶段通风系统优化的有关研究就显得尤为重要。

中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿（下称“凡口铅锌矿”）是集采、选于一体的特大型地下开采矿山，采用中央主、副井加斜坡道的开拓方式，开采深度已经达到800 m，采用的主要采矿方法有盘区浅孔上向分层胶结充填采矿法、盘区机械化高分层充填采矿法和无底柱后退式大直径深孔充填采矿法（又称“VCR法”）。目前，凡口铅锌矿年产矿石量130万t，铅、锌的综合品位达到13 %，资源质量好、储量大，是中国重要的铅锌资源基地之一。经过多年的开采，凡口铅锌矿的生产重心逐步往深部转移，而其深部生产作业点集中，采准与回采、出矿和充填同时进行，相互影响大[9]，深部通风系统面临较大的压力，对其进行问题分析与优化改造已经成为该矿山通风工作的重中之重。若要改善该矿山的深部通风系统现状，则必须要通过准确的通风参数测定、科学的建模模拟分析，对存在的问题采取系统的优化方案加以解决[10]。

VentNetLab软件是由中南大学胡汉华教授开发的一款具有自主知识产权的矿井通风网络解算及三维可视化仿真软件，其依托CAD進行二次开发，能够实现矿山通风系统的三维可视化，操作简便，非专业人员也能灵活运用[11]。鉴于此，本文利用VentNetLab软件建立了凡口铅锌矿深部通风系统模型，并以模型的通风网络解算等结果为依据，对凡口铅锌矿深部通风系统提出了针对性的优化措施。

1 通风系统概况

凡口铅锌矿深部采用中央进风、两翼对角抽出式通风系统，即新鲜风流经新、老副井、大斜坡道、小斜井等井巷进入，洗刷工作面产生的污风经东风井及新、老南回风井由主扇抽出至地表。

各中段通风采用平行双巷式通风网络，即新鲜风流经各中段主巷、无轨巷进入，经采场穿脉进入各采掘工作面，洗刷工作面产生的污风经采场回风天井进入上一中段回风巷，最后经各回风井排出地表。采场通风网络基本采用本中段（分段平巷）进风，经采场至上中段专用回风巷回风，在各采场通风天井的穿脉靠近中段回风巷一侧均设有采场调节风窗，用于调节和控制各采场的风量，改善各采场的作业环境，以达到最佳空气条件[12-13]。凡口铅锌矿VCR法采场通风示意图见图1。

对凡口铅锌矿深部通风系统进行测定后发现，其深部总进风量为246.15 m3/s，总回风量为334.82 m3/s，存在明显的漏风和循环风现象。同时，为了进一步了解深部盘区的通风阻力分布情况，选择2条最能反映深部通风阻力实际情况的连续风路进行通风阻力测定。

1）-550 m中段北回风路线：新副井→-550 m中段主巷→大斜坡道→一分段→209#S采场→15-WN1-1#天井→-500 m中段深部北回风井。

2）-550 m中段南回风路线：新副井→-550 m中段主巷→盘区斜坡道→一分段→采场0（2）→15-S10-01#天井→-500 m中段深部南回风井。

经计算，-550 m中段南、北回风线路阻力分别达到831.50 Pa和509.50 Pa。这说明凡口铅锌矿深部通风阻力较大、风流合理分配困难、有效风量率低。因此，降低深部盘区通风阻力应是其通风系统优化的一项重要工作。

2 通风系统模拟

借助凡口铅锌矿矿山数字化实现全CAD制图，以井下工程实测图为建模基础，建立基于通风系统运行现状、最贴近通风系统运行实际情况的VentNetLab仿真模型，并根据实际工程增加和变化及时进行模型更新。

2.1 VentNetLab模型建立

VentNetLab软件具体建模步骤如下：

1）准备图纸与描画底图。按中段名称将各中段工程平面图的全部巷道轮廓线置于一个图层，由此得到各中段dwg格式的绝对平面图。将形成的底图按照巷道中线所在位置以折线代替，从而得到矿山通风系统风道转化底图的草图（见图2）。

2）通风风道转化。在VentNetLab软件运行状态下，对风道的默认参数进行设置，以减少模型转换后风道的设置工作量。对通风网络的相对标高设置是一项重要的工作，可以帮助系统对井巷空间的垂直关系进行定位，准确地进行模型构建和通风解算。之后，选中底图全部分支后，利用软件的风路转化功能即可将二维通风线路转化为三维通风风道。

3）风路参数设定。对风路参数的设定主要包括2个方面：一是对需风巷道的设定;二是对需风节点进行设置，主要包括对风路长度、巷道尺寸、巷道壁面参数等进行设定。

4）风网动力参数设定。风网动力参数设定主要是指定出入口和通风动力（安放风机或指定需风量）。这2部分设定是整个风网解算基本设置中的核心，一个完整的风网必须具备动力参数才能进行解算。参数应根据矿井通风系统实际测风结果进行设定，以提高模拟结果与实际通风网络的吻合度。

采用VentNetLab软件建立的凡口铅锌矿深部通风系统三维仿真模型见图3。

2.2 模拟结果及分析

通过VentNetLab软件模拟及通风网络解算，凡口铅锌矿深部盘区总风阻为0.47 N·s2/m8，属于阻力中等偏上矿井;其外部漏风率4.9 %，依据有关规定，凡口铅锌矿属于外部漏风较小矿井;深部回风量大于进风量，系统进风不足。通过对模拟结果进行分析，发现凡口铅锌矿深部盘区主要存在以下几个问题：

1）深部盘区风阻较大，通风困难。选择最简风路Sh-600 mS2#N VCR法采场进行通风网络解算，得出其风阻为2.43 N·s2/m8，最长分支风阻为4.69 N·s2/m8。可见，深部盘区风阻较大，普遍超出矿井总风阻的5倍。

2）深部盘区循环风严重。根据模拟结果共整理出10条模拟风向与实际风向相反且风量变化较大的分支，各分支具体情况见表1。由表1可知：10条分支的循环风风量合计为90.76 m3/s，超过了深部总进风量的40 %，深部盘区循环风现象较为严重。此外，与中段临近的上下2个分段出现了污风多次循环的现象，导致风流质量较差。局部风机的不合理设置和溜矿井的存在也是造成污风循环的重要原因。

3）深部进风方式存在问题，进风不足。由于深部通风困难，在各分段平巷基本都安装有一定数量的局扇加强进风，控制分段平巷反风。在风机安装的局部区域，实现了控制分段平巷不反风，但未能解决分段进风困难的问题，同时导致进风紊乱，造成大量局部循环风流，反而影响了进风的效率和质量。从模拟结果查找到的2v→2w分支（见图4）为其中一条循环风回路。结合现场对应为Sh-600 mN5#穿，应为Sh-600 m中段的新鲜风源，在进入盘区采场前发生循环。说明新鲜风源从水平主巷经过大斜坡道后，通过分段平巷绕一圈，再进入采场时的进风阻力大，出现进风困难。

4）现有风流调控方式不满足需求。凡口铅锌矿中段通风为平行双向式网络结构，在中段水平的穿脉西侧均构筑有小风门，东侧设有调节风窗，溜井、措施井口等暂不用的基本都构筑了密闭墙或调节风窗。对Sh-550 m盘区至Sh-500 m盘区进行模拟分析（见图5）可知：新鲜风流进入各中段平巷后，多數风流直接从阻力较小的盘区小斜坡道进入一、五分段，后从各小斜坡道或溜井进入其他需风分段和采场，未按照“主巷→大斜坡道→分段平巷→采场”的规划路线进行送风，这与实际控风需求相差较大，表明现有主扇-风窗的调控方式不能满足深部盘区的控风需求。

3 通风系统优化措施

在利用VentNetLab软件全面确定凡口铅锌矿深部通风系统问题的基础上，本着优化通风网络、降低通风阻力、提高深部通风系统可靠性的目的，提出以下几点优化措施：

1）新增专用通风措施井改变进风线路。深部盘区进风线路不合理是深部通风阻力较大的主要原因，要解决此问题，需要重新规划进风线路。通过新增进风措施井将盘区现有进风线路由“副井→中段主巷→大斜坡道→分段平巷→采场”变为“副井→中段主巷→进风措施井→采场”，该措施改变了各分段采场的进风线路，同时相较于原有的进风线路，其长度也大大缩短，从而降低了通风阻力。

2）选取合适的通风构筑物。深部盘区出现循环风的原因主要是通风构筑物不完善、不合理。要解决该问题，需要对通风构筑物进行优化。依据各巷道通风、行人的实际情况安装不同的通风构筑物进行控制。例如：对于回风联巷应采取砌筑水泥砖墙的方式进行密闭，对于需通过行人与设备的小斜坡道设置充气风墙进行控制，而对于既要隔断风流又要行人或通车的巷道设立自动风门进行控制。

3）挖掘深部盘区现有进风潜力，提高进风量。通过对增加深部盘区进风量可行途径进行分析，得出3个不同增加进风方案：方案1，设计施工S1#错位接力专用进风井，将上部盘区-240 m、-320 m水平的多余风引入深部盘区;方案2，延伸狮岭南盲进风井，将其供风范围扩展至深部盘区;方案3，将-600 m废弃火工材料发放硐室改为回风净化硐室，对深部南盘区回风净化后循环利用。

4）改变深部风流调控方式。依据各中段实际需风量与风压，选取合适的辅扇，将深部盘区风流的调控方式改为主扇—辅扇调控。依据深部盘区需风量与风压的实际情况，增设辅扇型号及数量见表2。

4 结 论

1）在凡口铅锌矿深部通风系统参数测量与调研的基础上，利用VentNetLab软件建立了凡口铅锌矿深部通风系统的三维仿真模型，该模型不仅实现了深部通风系统的可视化三维建模，同时为通风网络解算、通风问题分析提供了一种可靠便捷的方法。

2）由VentNetLab软件的模拟及通风网络解算结果可知，凡口铅锌矿深部通风系统主要存在通风阻力过大、循环风严重、深部进风不足及风流调控不合理等4方面的问题。

3）针对存在的问题，提出分别从新增进风措施井、优化深部盘区通风构筑物、挖掘深部盘区进风潜力及增设辅扇4个方面对深部通风系统进行优化，以期使凡口铅锌矿深部通风系统能够满足深部生产的实际需要。

4）针对凡口铅锌矿深部盘区通风系统存在的问题提出了切实可行的优化措施，但这些措施在实施过程中需要构筑大量的通风设施，如何实现对这些通风设施的集中、有效管理是这些措施能否发挥效用的关键所在，而现有的人工或半人工管理手段则远不能满足对这些通风设施的调控需求，因此研究与应用新的通风设施管理手段应是凡口铅锌矿深部通风系统的进一步优化与改造内容。

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Optimization of deep ventilation system of Fankou Lead-Zinc Mine based on VentNetLab

Li Fangbo1，Dai Han2，Chen Xin2

（1.Fankou Lead-Zinc Mine，Zhongjin Lingnan Nonferrous Metals Co.，Ltd.;

2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：As Fankou Lead-Zinc Mine has gradually entered the stage of deep mining，its existing ventilation system is also facing greater pressure.The optimization of deep ventilation system has become the focus of the current ventilation management.A three-dimensional simulation model of deep ventilation system is established by using VentNetLab ventilation simulation software to simulate the deep ventilation system and calculate the ventilation network.There are four main problems in the deep ventilation system of Fankou Lead-Zinc Mine，such as excessive ventilation resistance，serious circulating air，insufficient deep air intake and unreasonable air flow control.In view of the above problems，it is proposed to renovate the deep ventilation system from four aspects：adding air intake measures shaft，optimizing ventilation structure in deep panel，tapping air intake potential in deep panel and adding auxiliary fan，in order to improve the current situation of ventilation system in deep panel and increase the safety production capacity of deep panel of Fankou Lead-Zinc Mine.

Keywords：deep mining;ventilation system;analogue simulation;VentNetLab software;panel air intake;ventilation network calculation

收稿日期：2021-03-25; 修回日期：2021-04-18

基金項目：“十三五”国家重点研发计划（2017YFC0602902）

作者简介：李方波（1985—），男，贵州独山人，工程师，硕士，从事矿山通风安全管理工作;广东省韶关市仁化县凡口，中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿，512000;E-mail：fangbo1107@163.com

通信作者，E-mail：chenxin_ck@csu.edu.cn，15116336263