沃溪坑口礦井通風系統測定與分析

王軍民

摘要：隨著采礦不斷走向深部，開采強度變大，地質條件更加復雜，造成井下生產作業環境惡劣等現實難題。為了保障井下生產作業環境，實現礦井安全高效通風是最有效的手段。在沃溪坑口礦井通風實施管理過程中，面臨通風管理數字化程度低，整體協同性差，生產管理難度大等問題。通過現場測定、數值模擬等手段，對沃溪坑口礦井通風系統中主要巷道風阻分布和礦井風量分配等情況進行測定和分析，為礦井通風系統的后續優化和改造提供數據支撐和理論依據。

關鍵詞：礦井通風系統;通風測定;風量分析;iVent礦井通風軟件;數值模擬

中圖分類號：TD724文章編號：1001-1277（2021）10-0038-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20211008

引 言

隨著開采深度和強度不斷加大，開采的地質條件更加復雜，井下作業環境對人員安全與礦井生產效率的影響越來越大。隨著礦山開采活動的進行，礦井通風系統實時變化，及時調整通風網絡，滿足礦山深部安全生產要求，提高通風系統的穩定性顯得尤為重要[1-2]。

沃溪坑口是湖南辰州礦業有限責任公司（下稱“辰州礦業公司”）沃溪礦區的主采坑口，地溫梯度為1 ℃/39.5 m，是一個多中段、超100個采掘作業點同時作業的高溫熱害礦井，也是國內為數不多的千米礦井之一[3]。由于深井原巖溫度高，而深部通風系統不完善，排風能力嚴重不足，通風困難，采礦作業環境差，加之礦井提升級數多，導致員工進出時間長，有效作業時間短，勞動效率低。目前，沃溪坑口通風系統面臨一些亟需解決的問題[4-5]：①通風管理工作量大。隨著采礦不斷走向深部，采、掘工作面越來越多，多中段同時開采，作業點多面廣，普遍存在多中段串風。②技術管理難度大。隨著礦井開拓變化，通風網絡越來越復雜，供風地點多，分布廣，調風越來越困難，通風質量不達標，深部通風降溫效果不理想。③職業健康影響大[6]。

為改善和優化深井采礦作業環境，保障員工和設備作業效率，穩定目前地下開采生產能力、延長礦山服務年限，采用基于DIMINE數字采礦軟件系統平臺開發的可用于通風系統設計、改造、優化與測定管理等工作的三維仿真通風動態模擬作業平臺iVent礦井通風軟件，構建了沃溪坑口三維通風網絡模型，并在礦井通風網絡中布置測點，測定了現有通風系統中的阻力分布和礦井風量分配情況，將測定的數據導入軟件進行相關分析，從而為礦井通風系統優化和改造提供數據支撐和理論依據。

1 工程概況

辰州礦業公司沃溪坑口擁有世界罕見的特大型金、銻、鎢共生礦床，已經開采了140余年，是當前國內少數千米深井開采的礦山之一。沃溪坑口礦體屬于緩傾斜薄礦體，主要采用豎分條空場廢石膠結充填采礦法開采，斜、豎井聯合開拓，工程布置方式為：沿礦體走向每50 m劃分1個礦塊，階段高度為25 m、傾斜長40～60 m，礦房內沿走向劃分成分條，每分條寬度為4 m，礦塊間不留間柱，保留少量底柱和頂柱，采礦前先將天井錨網護頂，清刷底板礦石后從上向下退采礦房，分條間隔回采、清底后干式充填，采用電耙配合裝巖機出礦。主要技術經濟指標為：采切比6.13 m/kt，出礦能力20～30 t/d，礦石貧化率8 %，采礦損失率10 %[7]。

目前沃溪坑口新鮮風流由西部風井、1#主井（240 m平硐口）、2#副井、1#副井進風至16中段，經2#主井、3#副井至32中段，再經V3地井、V7地井、4#副井進入42中段，西部風井進入28中段，東部風井至32中段，同時礦區新建2#明豎井的進風直接進入42，44中段新回風豎井回風。礦井風流清洗作業面和吸收深部高溫區域的熱量后匯流至36，41中段通風聯絡道，在新回風豎井地表主扇風機作用下排出地表，系統總排風能力大于160 m3/s。通風系統見圖1。

2 通風系統測定

2.1 測定目的

現場測定目的主要包括：①了解現有通風系統中阻力分布和礦井風量分配情況，為了使通風系統更為經濟合理，為下一步提出切合實際的改進意見提供依據;②通過測定各種類型井巷的通風阻力、風量等，提供實際的風阻和摩擦阻力系數，為通風系統優化[8-9]等提供依據。

2021年第10期/第42卷采礦工程采礦工程黃 金

2.2 測定內容

現場測定內容主要包括：①巷道壁面特征實測，包括巷道形狀、支護形式、凈寬、凈高及斷面面積;②巷道的風速、風量、測點壓差;③測點的動壓計算;④礦井通風阻力、摩擦阻力系數計算。

2.3 測定方法

測定方法選用差壓計法[10]。其中，氣壓測定采用CPD2/20型礦用便攜氣壓測定器，風速測定采用的機械風表為CFJ-5低速風表、CFJ-10中速風表和CFJ-25高速風表。測定原理是采用氣壓測定器測出兩測點間的絕對靜壓差，再加上速壓差和位壓差，最終計算出通風阻力。由于同一天短時間內地面大氣壓和礦井通風狀況變化不大，本文測定計算忽略其影響，同一中段不考慮位壓差。兩測點之間通風阻力（F 阻i-j）計算方法見式（1）。

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

式中：p 靜i為靜讀i氣壓計的讀數（Pa）;p 靜j為靜讀j氣壓計的讀數（Pa）;Z i為i點標高（m）;Z j為j點標高（m）;g為重力加速度，取9.8 m/s2;ρ i為i點空氣密度（kg/m3）;ρ j為j點空氣密度（kg/m3）;v i為i點風速（m/s）;v j為j點風速（m/s）。

另外，采用iVent礦井通風軟件構建三維通風網絡模型，錄入礦山通風數據，并根據通風參數實際測定結果，修正三維通風網絡模型，使三維通風網絡模型與礦山實際狀況相符。

2.4 測定路線選擇與測點布置

2.4.1 測定路線選擇

根據沃溪坑口的生產布局和通風系統現狀，從有利于系統現狀分析出發，選擇測定路線布置測點。主要測定路線選擇在通風路線長、風量大，且包含風井、運輸大巷、主要工作面、回風上山、回風巷道等，能反映礦井通風系統特征的風路上。通過測定其結果反映礦井通風現狀，并為礦井通風系統改造提供依據。

2.4.2 測點布置

礦井通風系統測定的主要中段包括：-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）。由于一些布置測點風速過低或受通風設施影響，實測有效測點相比布置測點有所調整，實測有效測點共42個，見表1。以41中段和44中段為例，實測點位置情況見圖2。

3 測定結果與分析

3.1 測定數據整理

根據實測結果，對礦井各中段實測風量進行統計，部分中段通風測定記錄見表2。

3.2 礦井風量分配狀態分析

沃溪坑口礦井通風系統主要回風分兩路：一是41中段以上從上往下通過36，41中段回風聯絡道排到專用回風豎井;二是41中段以下從下往上通過41中段回風聯絡道排到專用回風豎井，最后排出地表。中段回風量計算結果見表3。

基于iVent礦井通風軟件中所建立的通風網絡模型，根據風量配色分析礦井整體風量分配，結果見圖3、圖4。由圖3、圖4可知：大部分區域風量過低，只有主要的進風、回風巷道風量較大，風量分配不均勻，部分內部巷道形成均壓，無風流流動，造成圍巖排熱效果差，作業地點溫度上升。41中段以上從上往下通過36，41中段回風聯絡道排到專用回風豎井，為下行排風;41中段以下從下往上通排，為上行排風。經對比分析可知，41中段以下的上行排風效果優于41中段以上的下行排風效果。

沃溪坑口采用控制主要回風路線風量的方法控制系統通風，經過分析可以看出：單控制回風路線回風量很難實現按需風量供風，阻力小的路線風流大，由于運輸路線的障礙少，形成以主要運輸路線為風路的系統，風流沒有有效流經工作面及時排出圍巖散熱。

3.3 礦井總風阻與阻力分布

3.3.1 礦井通風難易程度

礦井通風難易程度一般用等積孔衡量，分級標準[11]見表4。在相同條件下穿過斷面越小的孔其壓差損失越大，所以等積孔越大，壓差損失越小，其通風越容易。根據在iVent礦井通風軟件中建立的完整三維通風網絡，可得到總風壓1 732.11 Pa，總風量161.69 m3/s，總風阻0.066 27 N·s2/m8，等積孔4.62 m2。根據表4通風難易程度的分級標準，沃溪坑口為小阻力礦，通風比較容易，總回風量也滿足礦井通風需求。

3.3.2 礦井阻力分布狀態

通過在iVent礦井通風軟件中對解算結果進行配色顯示來分析礦井通風阻力分布情況，結果見圖5。由圖5可以看出：阻力分布比較大的區域集中在專用回風豎井、各主要運輸系統風量大的巷道;造成這樣的原因主要是其路線風量大。產生的不良影響是風量分配不均勻，區域處于均壓狀態，造成大部分作業地點風量不夠，風速小，排熱不順暢。

4 結 論

通過調研、梳理和分析礦山實際情況，基于iVent礦井通風軟件系統平臺構建了三維通風網絡模型，采用現場測定、數值模擬等手段，對沃溪坑口礦井通風系統中主要巷道阻力分布和礦井風量分配等情況進行了測定和分析，可為礦井通風系統優化和改造提供理論依據。

1）沃溪坑口41中段以下的上行排風效果優于41中段以上的下行排風效果。

2）沃溪坑口大部分區域風量過低，只有主要進風、回風巷道風量較大，風量分配不均勻，部分內部巷道形成均壓，無風流流動，難以實現按需風量供風，造成圍巖排熱效果差，作業地點溫度上升。

3）沃溪坑口為小阻力礦，阻力分布比較大的區域集中在專用回風豎井、各主要運輸系統風量大的巷道，導致風量分配不均勻及區域處于均壓狀態，大部分作業地點風量不足，風速小，排熱不順暢。

[參 考 文 獻]

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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