按需通風技術在加拿大léonore金礦的應用

曹龍 楊敏

摘要：隨著礦山開采不斷向深部區域推進，良好的礦井通風技術對于改善井下工作環境、保證地下礦山安全、高效開采至關重要。以加拿大léonore金礦為工程背景，利用按需通風技術，采用智能化調節礦井通風網絡，實現了主風機、局扇、風門及風窗等通風構筑物的遠程、自動化、閉環控制，提高了風流利用率，有效保證了井下通風效果。現場試驗結果表明：采用按需通風技術，通風量和冬季井口預熱熱質消耗量節約28.57 %，主扇耗電量節約66 %，局扇耗電量節約90 %以上。

關鍵詞：深部開采;通風技術;按需通風;智能化通風;通風系統

中圖分類號：TD72文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）12-0038-04doi：10.11792/hj20211208

引 言

礦井通風是保障礦井安全高效生產的重要技術手段，礦山在生產過程中必須源源不斷地將新鮮風流輸送至井下各工作面，稀釋和排除污風流，保證井下人員、設備的工作環境符合要求。科學的礦井通風是將新鮮風流“按時、按需”輸送至井下各工作面，使得新鮮風流最大程度被有效利用，保證工作面通風效果，降低通風成本[1]。

礦山按需通風（Ventilation on demand，VOD）技術于20世紀末開始應用，其主要目的是使用最少的通風成本，最大限度地保證井下工作環境舒適，保障井下工作人員身心健康[2]。國外按需通風技術起步較早，經過多年發展，目前已相對成熟，

國內隨著礦山發展的需求，眾多專家學者進行了諸多研究。

伍海亮等[1]從作業面類型分布等影響實際需風量大小的因素著手，通過一定的監測手段反饋到VOD智能通風控制系統及風量監測技術并自動計算實際需風量和實際供風量，實現自動調節控制風機的開停或變頻調速和通風系統風機風量的閉環控制。

謝賢平等[3]初步研究了礦井通風信息的采集和處理，確定了信息界定的原則、依據、方法和范圍，初步探討了礦井通風設計與決策技術的多種綜合集成方法。葛啟發等[4]從通風計劃、通風設備、人員定位、風流監測和按需通風控制管理系統等方面對整個礦山的按需通風系統進行介紹，并運用三維通風仿真軟件Ventsim Visual對全礦區域通風方案進行模擬比較，分析其節能效果。周福寶等[5]基于風網調節的非線性優化模型提出了礦井智能控風模型，設計了礦井通風智能調控執行與反饋的標準化工作流程，圍繞礦井智能通風系統功能的具體實現，分別從礦井通風參數精準監測等關鍵技術詳細闡明了礦井智能通風功能的實現路徑。吳玉水等[6]在全面分析總結中國南方某鈾礦礦井通風系統存在問題的基礎上，以按需分風的通風網絡優化技術對原有通風系統進行優化，提出了礦井通風系統總體改造方案。

目前，國內礦山處于通風網絡局部智能控制階段，尚無全礦實現按需通風的工程案例。本文介紹了加拿大léonore金礦采用按需通風技術，利用井下通風的供需動態平衡原理，建設了礦井通風智能控制系統，實時監測工作面空氣質量和人員、設備位置等，實現了井下通風設備的自動化控制，降低了礦井的通風能耗及成本，為國內礦山按需通風技術發展提供借鑒及技術支撐。

1 工程概況

léonore金礦位于加拿大魁北克省蒙特利爾市北部，距離蒙特利爾市區80 km。礦區屬于溫帶大陸性濕潤氣候，年平均氣溫6.4 ℃，最高氣溫37.8 ℃，極端最低氣溫-36.1 ℃，年平均相對濕度80.76 %。2003年美國弗吉尼亞州地質公司探獲了léonore金礦資源，2006年加拿大黃金礦業公司收購了léonore金礦的礦業權。該礦山于2011年開始建設，并于2015年建成投產。礦山設計采礦規模300×104 t/a，年產金金屬量11 t，礦體賦存深度0～1 400 m。采用豎井+斜坡道開拓方式，分段充填采礦法回采。礦山在垂直方向上共劃分7個采區，單采區垂高120～200 m，以分段為回采單元進行回采，分段高度30 m，全礦共設置42個分段。采用中央并列式通風系統，分區壓抽結合通風方式。礦山地處寒冷地區，為避免冬季井口結冰，設生物質熱風鍋爐進行井口預熱，燃燒熱質為丙烷。一般從10月至次年4月需井口預熱，全年采暖期約7個月。

2 按需通風設計

礦山井下通風時時刻刻影響著井下工作人員的安全及礦山工作效率，為保障井下工作順利進行，需要向井下連續輸送必要數量的新鮮空氣，以稀釋并排除有毒有害氣體和礦塵。本文根據按需通風原理，設計采用通訊網絡、通風控制系統（Ventsim ControlTM）、通訊柜（Communications Cabinets）、監測控制站（MCS/MCSG）、傳感器、風機啟動器、調速裝置、自動調節門、實時定位跟蹤系統等構成礦井通風智能控制系統，通過監測并計算井下需風量，及時向井下輸送新鮮風流。礦井通風智能控制系統構成及控制邏輯如圖1所示。

通過使用礦井通風智能控制系統，可利用傳感器和實時定位跟蹤系統將井下工作面空氣質量和人員、設備位置等數據傳輸至監測控制站，經通訊柜處理后傳輸至地表通風控制系統。地表通風控制系統對通風網絡進行自動解算、優化后，將控制指令經通訊柜處理后發送至監測控制站，并對主扇、局扇及通風構筑物進行調節，保證工作面風流質量。

3 按需通風技術的應用

léonore金礦采用中央并列式通風系統，分區壓抽結合通風方式，如圖2所示。礦山設計最大需風量590 m3/s。為滿足礦井生產作業通風需要，1號豎井地表井口設置2臺300 kW主扇、2號豎井地表井口設置2臺750 kW主扇，壓入式;斜坡道地表井口設置2臺2 000 kW主扇，抽出式;全礦設置63臺25 kW局扇、71臺75 kW局扇和60臺150 kW局扇。全礦地表主扇電動機總功率6 100 kW，地下局扇電動機總功率15 900 kW。為保證通風系統的安全性和高效性，léonore金礦采用了較先進的按需通風技術。

léonore金礦配備了一套礦山全范圍追蹤定位監測系統，其144臺作業車輛均配備無線射頻識別卡（RFID），以實時、準確地顯示這些車輛的井下位置及車輛引擎的運行情況。同時，每名井下工作人員也配備了唯一的無線射頻識別卡，該識別卡可將信息傳輸至礦內254個數據信息接入點中的其中一點，以進行后續的數據分析，之后這些接入點通過混合光纖網絡將追蹤定位信息傳輸至地面的控制室。利用追蹤定位系統傳輸的實時數據，地表控制室的按需通風邏輯分析軟件可以解算出井下各區域的實際通風需求量，然后將計算結果反饋給井下112臺局部通風機、60套調節風窗和7套調節風門，實現主扇風機轉速調整，以及局扇開停和風門、風窗狀態的自動調整，實現了井下各工作面新鮮風流的按需供給，提高了風流利用率，節約了通風能耗。該礦山配備的主扇、局扇均采用變頻控制系統，且葉片角度智能可調，以保證主扇和局扇一直處于高效區運行，達到最優節能效果;該礦山配備的風門、風窗運行狀態均為液壓智能調節，保證風量分配的高效性和合理性。采區監測監控設備布置是智能通風系統的基礎，該礦山通風設施分段布置如圖3所示。

目前léonore金礦所有通風設備可實現自動化控制，可向井下各區域供應充足的新鮮空氣，為所有井下人員創造舒適的作業環境。同時，由于采用按需通風技術，礦井通風成本大幅下降，主要表現在礦井總通風量下降和局扇無效運行減少等方面。

1）礦井總通風量下降。礦山井下為多工種、相互交替的生產工序，井下工作面位置和個數根據生產組織要求頻繁發生調整，井下同時運行設備數量也時刻在發生變化，因此礦井實際需風量一般為動態變化數值，而按需通風技術正是利用礦井通風供需動態平衡原理，實現通風節能的效果，如圖4所示。

由圖4可知：若不采用按需通風技術，井下各工作面風量均按工作面最大需風量要求分配，全礦總通風量約490 m3/s，主扇按額定功率持續運行，通風耗能較大;采用按需通風技術，礦井實際通風量與需風量接近動態平衡，實際通風量一般約350 m3/s，主扇實際轉速下降為額定轉速的70 %左右，主井運行功率下降為34 %（功率與轉速三次方成正比），主扇節能66 %;采用按需通風技術，礦山17：30：00—19：00：00時段為倒班時間，井下無作業人員，礦井需風量為0，主扇實際轉速下降為額定轉速的30 %左右，主井運行功率下降為3 %，主扇耗能極小。

同時，由于采用按需通風技術，礦井實際平均通風量由490 m3/s下降為350 m3/s左右，下降28.57 %，冬季井口預熱風量、預熱熱質消耗量也均隨之下降28.57 %，減少了丙烷熱質消耗量，節約了井口預熱成本，減少了二氧化碳等污染物排放，利于環境保護。

2）局扇無效運行減少。高效調節局扇運行是按需通風技術的核心，léonore金礦配備不同功率等級局扇為礦山服務，采用150 kW局扇負責采區風量分配，采用75 kW局扇負責分區內各分段風量分配，采用25 kW局扇負責分段內各工作面風量分配。各功率等級局扇運行累計時間、實際轉速和耗電量如表1所示。

由表1可知：若不采用按需通風技術，工人手動開停局扇，一般考慮倒班暫停作業時間等，局扇每天運行時間約21.6 h，由于缺少智能調控，局扇通常按額定轉速運行。采用按需通風技術，局扇根據生產通風需要實時開停，同時根據工作面需風量智能調節轉速。局扇服務范圍不同，節能效果略有不同，但是3個功率等級局扇均可以實現節能90 %以上。

4 結 論

1）按需通風技術達到最優節能效果的前提是礦井主扇和局扇均為變頻控制，且主扇和局扇葉片角度可智能調節，保證主扇和局扇高效運行，而目前國產風機設備尚未實現葉片角度智能調節，因此本文對國內風機設備發展有一定指導意義。

2）按需通風技術實現工作面合理、高效風量分配的前提是風門、風窗等通風構筑物運行狀態均為液壓智能調節。

3）利用按需通風技術，能大幅降低礦山通風能耗，節約礦山開采成本，在加拿大léonore金礦的應用中，其通風量和冬季井口預熱熱質消耗量均節約28.57 %，主扇耗電量節約66 %，局扇耗電量節約90 %以上。

4）按需通風技術可以提高新鮮風流利用率，在保證礦井良好通風效果的同時，能夠大幅減小通風耗能、井口預熱耗能、井下制冷降溫耗能，簡化通風管理，在嚴寒地區或大型熱害礦井中，優勢更加突出。

5）近年來，中國礦山開采技術快速發展，隨著“機械化換人、自動化減人、智能化無人”綠色智慧礦山理念的提出，引入礦山按需通風技術，實現礦山通風系統數字化、智能化管理，是中國金屬礦山礦井通風發展方向。

[參 考 文 獻]

[1] 伍海亮，王鵬，潘軍義，等.金屬礦山井下VOD智能通風技術研究[J].金屬礦山，2014（6）：123-127.

[2] 萬三明，劉祖文，朱易春，等.基于Ventsim軟件的金屬礦山礦井通風系統優化[J].江西理工大學學報，2014，35（5）：12-16.

[3] 謝賢平，韓孟微.礦井通風信息化和智能化研究[J].云南冶金，2012，41（5）：1-7.

[4] 葛啟發，于潤滄，朱維根，等.按需通風技術在某礦山工程設計中的應用[J].中國有色冶金，2017，46（6）：58-63.

[5] 周福寶，魏連江，夏同強，等.礦井智能通風原理、關鍵技術及其初步實現[J].煤炭學報，2020，45（6）：2 225-2 235.

[6] 吳玉水，周泉宇，李向陽，等.我國南方某鈾礦井通風系統優化改造研究[J].南華大學學報（自然科學版），2013，27（3）：16-19.

Application of ventilation on demand technology in léonore Gold Mine，Canada

Cao Long1，Yang Min2

（1.Changchun Gold Design Institute Co.，Ltd.; 2.Houghton Group Canada）

Abstract：With the continuous advancement of mining to the deep region，good mine ventilation technology is very important for improving the underground working environment and ensuring the safety and efficient mining of underground mines.Based on the engineering background of léonore Gold Mine in Canada，this paper adopted the technology of ventilation on demand and the intelligent regulation of mine ventilation network to realize the remote，automatic and closedloop control of ventilation structures such as main fan，local fan，air door and air window，which improves the utilization rate of air flow and effectively ensures the underground ventilation effect.The field experiment results show that? the ventilation volume and preheating thermal mass consumption in the winter can be reduced by 28.57 %，that the main fan power consumption can be reduced by 66 %，and that local fan power consumption can be reduced by over 90 % by using VOD technology.

Keywords：deep mining;ventilation technology;ventilation on demand;intelligent ventilation;ventilation system