基于Ventsim的深井采礦熱環境分析*

趙小稚，崔 崳，王敬志

(1.山東理工大學，山東 淄博 255091;2.招遠市曹家洼金礦，山東 招遠 265415)

1 引言

隨著礦產資源的不斷開發，我國的淺表礦床及開采技術條件相對簡單的礦床儲量不斷消耗，迫使大多數礦山轉入深部或復雜礦床的開采[1]。我國采礦界一般認為，開采深度在600～2000m為深井開采[2]，開采深度超過2000m的稱為超深礦井。深井開采中，突出的一個問題是井下熱環境惡化。礦井熱環境是指地下采掘空間中的微氣候(溫度、濕度、風速和熱輻射)對人體散熱的綜合影響與作用，人們習慣把惡劣的熱環境稱為熱害。隨著礦井開采深度和范圍的逐漸增加，各種熱源(圍巖冷卻、空氣壓縮、氧化過程、機械設備做功等)的放熱作用、擴散過程和其它原因，使井下溫度越來越高，高溫礦井數目日益增多，而且危害程度也日趨嚴重[3]。另一方面，隨著開采范圍和深度的增加，礦井通風網路也越來越復雜。尤其是同時存在高溫熱害與礦井延伸等因素的礦井，其礦井通風網路極其復雜[4]。因此，應用計算機仿真技術分析深井開采通風系統及其熱環境將更為科學準確，也是十分必要的。

早在1953年，Scott和Hinsley采用計算機解決礦井通風網路解算問題，這是借助計算機技術解決礦井通風問題的開端。涉及礦井通風系統應用領域的計算機技術隨著計算機及計算技術的發展而得到了很大的發展。目前，國際上很有影響的礦井通風系統仿真軟件有 VentPC2000，MinTeeh 和 DataMine[5]以及Ventsim等。在國內，有代表性的是有關高校開發研制的MVSS礦井通風仿真系統，在多家礦山礦井通風系統優化改造和設計中得到了應用。

曹家洼金礦于1989年11月投產，為采選聯合企業，目前正在開采的小尹格莊礦段開采深度超過800m，現有－450～－600共6個中段作業，其中－570、－600中段的風溫接近30℃，個別作業面風溫甚至達到32℃。因此，該礦已出現一定程度的高溫熱害狀況，致使工人的勞動條件趨于惡化，勞動生產效率降低，這已成為制約該礦安全高效開采的一個亟待解決的問題。本文將應用Ventsim三維礦井通風仿真系統分析曹家洼金礦深部開采的熱環境，同時提出礦井通風系統通風降溫方案。

2 Ventsim三維通風仿真系統

Ventsim三維通風仿真系統以其良好的可視化效果和簡單易學的特點，逐漸成為礦井通風設計和通風管理最強有力的工具，是集通風三維仿真、井下環境模擬分析于一體，可以同時對通風系統進行三維顯示、通風解算、風機選型、熱模擬、污染物模擬及經濟性分析的綜合模擬軟件[6]。

該系統考慮的熱參數主要包括圍巖和地下水的熱量和濕度、不同種類巖石的熱性質、點源熱量、線源熱量、柴油機熱量以及礦石的氧化作用產生的熱量、空氣自動壓縮產生的熱量、空氣的制冷和局部降溫，井下隨深度、溫度和通風壓力變化而變化的空氣密度、考慮空氣密度變化的自然風壓、諸如除塵水霧的人工加濕、飽和空氣的壓縮等因素[7]。

3 井下熱環境分析

3.1 井下熱參數的確定

圖1 曹家洼金礦開拓系統示意圖

曹家洼金礦小尹格莊礦段內主要斷裂為招平斷裂帶，礦體賦存于主裂面以下50m范圍內;構造帶自上而下分別為碎裂巖、糜棱巖、斷層泥、絹英巖、絹英巖化花崗質碎裂巖、鉀化碎裂狀花崗巖等。小尹格莊礦段所處構造破碎帶富水性差，補給條件差，屬水文地質條件簡單的礦床。曹家洼金礦所在的招遠市屬于暖溫帶季風型大陸型半濕潤氣候區，多年(1971～2000年)平均氣溫為12℃，最熱月平均氣溫22℃。

根據地溫測量所得數據及當地地熱特性[8]并參考《地熱資源評價方法》(DZ40－85)，用于井下熱環境分析所用的熱參數有:恒溫帶巖溫20℃，地溫梯度1.82℃/100m，巖石綜合導熱系數2.59W/m℃，圍巖比熱容839J/kg℃，巖石密度2.81kg/m3，圍巖潮濕系數0.17，圍巖散熱性0.941。

將上述參數錄入Ventsim三維通風仿真系統工程環境數據庫。

3.2 曹家洼金礦熱環境現狀

曹家洼金礦開拓系統見圖1，小尹格莊礦段設計開采深度達－660m。原有通風系統為中央對角式通風，1號、2號豎井進風，1號斜井回風。1號豎井進風經2號斜井，由－265中段措施巷到達3號豎井大巷;2號豎井進風經－265m南大巷進入3號豎井大巷，然后通過3號豎井送入小尹格莊礦段各中段;其中－450中段、－510中段由－480中段進風，－570中段由－600中段進風。污風經由6號、5號斜井和－265m回風道通過2號斜井、－85中段回風措施巷，由1號斜井排到地表。整個系統安裝有5臺37kW通風機，分別安裝在－480、－510、－540中段回風端斜井石門和－265m回風道及－85中段回風措施巷中。

經測定分析，原有通風系統存在風流路線紊亂，污風串聯嚴重，用風地點風量小，風機安裝位置不合理等問題。

將礦井通風系統圖(CAD格式)繪制成單線圖(DXF格式)，然后將單線圖導入Ventsim系統，建立礦井通風二維視圖。輸入完風路的標高、斷面尺寸等基本參數，Ventsim軟件會自動生成礦井通風系統三維視圖，在已設定礦井大氣物理參數和熱參數的基礎上，通過運行“熱模擬”，即可獲得井下熱環境的仿真分析結果。

原有通風系統中－450～－600m各中段的熱環境分析結果見表1。

表1 原通風系統深部開采中段熱環境分析結果表

分析結果說明，－450、－570副中段缺少直接進風而循環風嚴重，整個中段的風溫較高;由于風路不合理，造成－600中段無風，風溫升高。井下熱環境仿真分析的結果與實際測量的數據基本相符。

3.3 通風降溫方案

對于深部開采礦井，為了改善其熱環境和通風質量，依其熱害和空氣污染的嚴重程度，一般按如下順序來考慮治理措施:(1)加大風量，強化通風。(2)隔絕熱源。(3)局部制冷。(4)集中制冷。(5)個體防護。采用增加風量的方法是高溫礦井最簡捷、也是最經濟的降溫手段之一。增加風量可以大大降低空氣的含熱量，具有兩個優點:一是減少環境對單位風量的加熱量，為進一步降低圍巖的放熱強度創造條件，以降低風流的溫度;二是提高風速，改善井下氣候條件，增加工人的舒適感。隨著流過巷道的風量增加，從礦巖中放出的氧化熱和其它熱源放出的熱量，分散在更大數量的空氣中，使風流溫度降低[9]。

從曹家洼金礦通風系統的實際情況分析，作業中段范圍內的開采通風系統優化以優化通風網路，合理布置風機，加大作業區域風量的技術方法為主。為此，提出了用風段分區回風側多級機站通風系統。具體做法是(參見圖1)，保持通風系統整體為中央對角式不變，針對礦井多中段同時作業的特點，將－480～－660m7個作業中段劃分為兩個通風分區，－480、－510、－540和 －570為第一分區，其中－480、－510和－540由－540進風、－570由－600進風，總回風由設置在－480的主扇直接排入5號斜井。第二分區－600、－630、－660中段統一從－660進風，總回風由安裝在－570的主扇排入6號斜井，經由－510北翼的巷道進入5號斜井排走。形成2臺主扇對5號斜井的并聯運轉。

考慮到井下進風段行人運輸頻繁，為了避免行人運輸與通風之間的相互影響，選擇在通風系統的回風側取多級機站抽出式通風方式。Ⅲ級機站由－480主扇和－570主扇組成，2臺主扇分別對作業區域的兩個通風分區作抽出式通風;Ⅳ級機站主扇安裝在－55m總回風道內。

用風段兩通風分區相對獨立，通風阻力也相對較低，風量大幅增加，有利于深部開采通風降溫;另外，系統的回風側布置機站不影響礦井生產的行人運輸。

3.4 通風降溫方案的熱環境分析

針對曹家洼金礦深部采礦通風降溫方案的熱環境，應用Ventsim軟件進行模擬分析，圖2表現了分析模型的一部分，其結果與實測數據列于表2中。

圖2 曹家洼金礦熱模擬模型局部示意圖

表2 通風降溫方案熱環境分析結果表

模擬結果表明，所制定的通風系統方案降溫明顯。從方案實際實施的情況看，曹家洼金礦小尹格莊礦段的總進風量比原系統增加了42%，達到了通風降溫的預期目標，同時避免了污風串聯和循環風，收到了良好的通風效果。

4 結語

(1)隨著經濟社會發展與礦產資源需求的增長，深井采礦的礦山越來越多，尤其是金屬礦山。能否有效解決深井采礦中熱環境趨于惡化的問題，是地下礦開采不斷向更大深度發展的一個關鍵制約因素。深井采礦的熱環境具有復雜性和動態性的特點，用計算機仿真技術分析研究這類問題具有科學準確的優點。

(2)Ventsim三維通風仿真系統以其良好的可視化效果和科學實用的特點，對礦井通風進行網絡解算和系統動態模擬，以及井下熱環境、污染物遷移等的仿真分析，為礦井通風專業人員優化通風系統、防范通風事故、實現通風系統數字化管理，提供了一個十分先進實用的方法和工具。

(3)基于Ventsim三維通風仿真系統的應用，為解決曹家洼金礦深部開采存在一定程度熱害的問題所提出的通風降溫方案，增風顯著，降溫明顯，收到了很好的通風效果。

[1]胡漢華.金屬礦山熱害控制技術研究[D].長沙:中南大學，2007.

[2]姚香.關于深部開采技術的探討[J].黃金，1998(2):17－20.

[3]岑衍強，侯祺綜.礦內熱環境工程[M].武漢:武漢工業大學出版社，1989.

[4]田洪建，王樹剛.礦井通風網絡多功能模擬可視化的實現[J].煤礦安全，2008(4):42－44.

[5]林增勇.礦井通風可視化系統研究與應用[D].武漢:中國地質大學，2008.

[6]馮偉，朱方平，劉全義.三維仿真軟件Ventsim在礦井熱害控制中的應用[J].西安科技大學學報，2011(6):776－779.

[7]McPherson M J.Subsurface ventilation engineering[M].England:Springer，1993.

[8]吳立進.山東省地熱資源特征及其分區研究[D].青島:山東科技大學，2008.

[9]王文，桂祥友，王國君.礦井熱害的治理[J].礦業安全與環保，2002(3):31－33.