基于VentNetLab的凡口鉛鋅礦深部通風系統優化

李方波 代涵 陳新

摘要：隨著凡口鉛鋅礦逐漸進入深井開采階段，其現有通風系統也隨之面臨更大的壓力，對深部通風系統進行優化已成為當前通風管理的重點工作。利用VentNetLab通風模擬軟件建立了凡口鉛鋅礦深部通風系統的三維仿真模型，對深部通風系統進行模擬及通風網絡解算，深部通風系統主要存在通風阻力過大、循環風嚴重、深部進風不足及風流調控不合理等4方面的問題。針對上述問題，提出從新增進風措施井、優化深部盤區通風構筑物、挖掘深部盤區進風潛力及增設輔扇等4個方面對深部通風系統進行改造，以期改善凡口鉛鋅礦深部盤區通風系統現狀，并提高深部盤區的安全生產能力。

關鍵詞：深井開采;通風系統;仿真模擬;VentNetLab軟件;盤區進風;通風網絡解算

中圖分類號：TD724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）06-0031-04doi：10.11792/hj20210606

引 言

礦山通風系統在礦山的安全生產中起著至關重要的作用，建立一個可靠穩定的通風系統是眾多礦山的共同需求[1-3]。礦山通風系統作為一個動態性的系統，并不是一成不變的，而是隨著礦山開采規模的增加而逐漸趨于復雜[4-5]，尤其是當礦山進入深部開采階段后，其通風問題會變得越來越突出，通風系統可靠性也越來越低[6-8]，這些問題的存在嚴重影響礦山的正常生產，開展與加強礦山深部開采階段通風系統優化的有關研究就顯得尤為重要。

中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦（下稱“凡口鉛鋅礦”）是集采、選于一體的特大型地下開采礦山，采用中央主、副井加斜坡道的開拓方式，開采深度已經達到800 m，采用的主要采礦方法有盤區淺孔上向分層膠結充填采礦法、盤區機械化高分層充填采礦法和無底柱后退式大直徑深孔充填采礦法（又稱“VCR法”）。目前，凡口鉛鋅礦年產礦石量130萬t，鉛、鋅的綜合品位達到13 %，資源質量好、儲量大，是中國重要的鉛鋅資源基地之一。經過多年的開采，凡口鉛鋅礦的生產重心逐步往深部轉移，而其深部生產作業點集中，采準與回采、出礦和充填同時進行，相互影響大[9]，深部通風系統面臨較大的壓力，對其進行問題分析與優化改造已經成為該礦山通風工作的重中之重。若要改善該礦山的深部通風系統現狀，則必須要通過準確的通風參數測定、科學的建模模擬分析，對存在的問題采取系統的優化方案加以解決[10]。

VentNetLab軟件是由中南大學胡漢華教授開發的一款具有自主知識產權的礦井通風網絡解算及三維可視化仿真軟件，其依托CAD進行二次開發，能夠實現礦山通風系統的三維可視化，操作簡便，非專業人員也能靈活運用[11]。鑒于此，本文利用VentNetLab軟件建立了凡口鉛鋅礦深部通風系統模型，并以模型的通風網絡解算等結果為依據，對凡口鉛鋅礦深部通風系統提出了針對性的優化措施。

1 通風系統概況

凡口鉛鋅礦深部采用中央進風、兩翼對角抽出式通風系統，即新鮮風流經新、老副井、大斜坡道、小斜井等井巷進入，洗刷工作面產生的污風經東風井及新、老南回風井由主扇抽出至地表。

各中段通風采用平行雙巷式通風網絡，即新鮮風流經各中段主巷、無軌巷進入，經采場穿脈進入各采掘工作面，洗刷工作面產生的污風經采場回風天井進入上一中段回風巷，最后經各回風井排出地表。采場通風網絡基本采用本中段（分段平巷）進風，經采場至上中段專用回風巷回風，在各采場通風天井的穿脈靠近中段回風巷一側均設有采場調節風窗，用于調節和控制各采場的風量，改善各采場的作業環境，以達到最佳空氣條件[12-13]。凡口鉛鋅礦VCR法采場通風示意圖見圖1。

對凡口鉛鋅礦深部通風系統進行測定后發現，其深部總進風量為246.15 m3/s，總回風量為334.82 m3/s，存在明顯的漏風和循環風現象。同時，為了進一步了解深部盤區的通風阻力分布情況，選擇2條最能反映深部通風阻力實際情況的連續風路進行通風阻力測定。

1）-550 m中段北回風路線：新副井→-550 m中段主巷→大斜坡道→一分段→209#S采場→15-WN1-1#天井→-500 m中段深部北回風井。

2）-550 m中段南回風路線：新副井→-550 m中段主巷→盤區斜坡道→一分段→采場0（2）→15-S10-01#天井→-500 m中段深部南回風井。

經計算，-550 m中段南、北回風線路阻力分別達到831.50 Pa和509.50 Pa。這說明凡口鉛鋅礦深部通風阻力較大、風流合理分配困難、有效風量率低。因此，降低深部盤區通風阻力應是其通風系統優化的一項重要工作。

2 通風系統模擬

借助凡口鉛鋅礦礦山數字化實現全CAD制圖，以井下工程實測圖為建?；A，建立基于通風系統運行現狀、最貼近通風系統運行實際情況的VentNetLab仿真模型，并根據實際工程增加和變化及時進行模型更新。

2.1 VentNetLab模型建立

VentNetLab軟件具體建模步驟如下：

1）準備圖紙與描畫底圖。按中段名稱將各中段工程平面圖的全部巷道輪廓線置于一個圖層，由此得到各中段dwg格式的絕對平面圖。將形成的底圖按照巷道中線所在位置以折線代替，從而得到礦山通風系統風道轉化底圖的草圖（見圖2）。

2）通風風道轉化。在VentNetLab軟件運行狀態下，對風道的默認參數進行設置，以減少模型轉換后風道的設置工作量。對通風網絡的相對標高設置是一項重要的工作，可以幫助系統對井巷空間的垂直關系進行定位，準確地進行模型構建和通風解算。之后，選中底圖全部分支后，利用軟件的風路轉化功能即可將二維通風線路轉化為三維通風風道。

3）風路參數設定。對風路參數的設定主要包括2個方面：一是對需風巷道的設定;二是對需風節點進行設置，主要包括對風路長度、巷道尺寸、巷道壁面參數等進行設定。

4）風網動力參數設定。風網動力參數設定主要是指定出入口和通風動力（安放風機或指定需風量）。這2部分設定是整個風網解算基本設置中的核心，一個完整的風網必須具備動力參數才能進行解算。參數應根據礦井通風系統實際測風結果進行設定，以提高模擬結果與實際通風網絡的吻合度。

采用VentNetLab軟件建立的凡口鉛鋅礦深部通風系統三維仿真模型見圖3。

2.2 模擬結果及分析

通過VentNetLab軟件模擬及通風網絡解算，凡口鉛鋅礦深部盤區總風阻為0.47 N·s2/m8，屬于阻力中等偏上礦井;其外部漏風率4.9 %，依據有關規定，凡口鉛鋅礦屬于外部漏風較小礦井;深部回風量大于進風量，系統進風不足。通過對模擬結果進行分析，發現凡口鉛鋅礦深部盤區主要存在以下幾個問題：

1）深部盤區風阻較大，通風困難。選擇最簡風路Sh-600 mS2#N VCR法采場進行通風網絡解算，得出其風阻為2.43 N·s2/m8，最長分支風阻為4.69 N·s2/m8?？梢?，深部盤區風阻較大，普遍超出礦井總風阻的5倍。

2）深部盤區循環風嚴重。根據模擬結果共整理出10條模擬風向與實際風向相反且風量變化較大的分支，各分支具體情況見表1。由表1可知：10條分支的循環風風量合計為90.76 m3/s，超過了深部總進風量的40 %，深部盤區循環風現象較為嚴重。此外，與中段臨近的上下2個分段出現了污風多次循環的現象，導致風流質量較差。局部風機的不合理設置和溜礦井的存在也是造成污風循環的重要原因。

3）深部進風方式存在問題，進風不足。由于深部通風困難，在各分段平巷基本都安裝有一定數量的局扇加強進風，控制分段平巷反風。在風機安裝的局部區域，實現了控制分段平巷不反風，但未能解決分段進風困難的問題，同時導致進風紊亂，造成大量局部循環風流，反而影響了進風的效率和質量。從模擬結果查找到的2v→2w分支（見圖4）為其中一條循環風回路。結合現場對應為Sh-600 mN5#穿，應為Sh-600 m中段的新鮮風源，在進入盤區采場前發生循環。說明新鮮風源從水平主巷經過大斜坡道后，通過分段平巷繞一圈，再進入采場時的進風阻力大，出現進風困難。

4）現有風流調控方式不滿足需求。凡口鉛鋅礦中段通風為平行雙向式網絡結構，在中段水平的穿脈西側均構筑有小風門，東側設有調節風窗，溜井、措施井口等暫不用的基本都構筑了密閉墻或調節風窗。對Sh-550 m盤區至Sh-500 m盤區進行模擬分析（見圖5）可知：新鮮風流進入各中段平巷后，多數風流直接從阻力較小的盤區小斜坡道進入一、五分段，后從各小斜坡道或溜井進入其他需風分段和采場，未按照“主巷→大斜坡道→分段平巷→采場”的規劃路線進行送風，這與實際控風需求相差較大，表明現有主扇-風窗的調控方式不能滿足深部盤區的控風需求。

3 通風系統優化措施

在利用VentNetLab軟件全面確定凡口鉛鋅礦深部通風系統問題的基礎上，本著優化通風網絡、降低通風阻力、提高深部通風系統可靠性的目的，提出以下幾點優化措施：

1）新增專用通風措施井改變進風線路。深部盤區進風線路不合理是深部通風阻力較大的主要原因，要解決此問題，需要重新規劃進風線路。通過新增進風措施井將盤區現有進風線路由“副井→中段主巷→大斜坡道→分段平巷→采場”變為“副井→中段主巷→進風措施井→采場”，該措施改變了各分段采場的進風線路，同時相較于原有的進風線路，其長度也大大縮短，從而降低了通風阻力。

2）選取合適的通風構筑物。深部盤區出現循環風的原因主要是通風構筑物不完善、不合理。要解決該問題，需要對通風構筑物進行優化。依據各巷道通風、行人的實際情況安裝不同的通風構筑物進行控制。例如：對于回風聯巷應采取砌筑水泥磚墻的方式進行密閉，對于需通過行人與設備的小斜坡道設置充氣風墻進行控制，而對于既要隔斷風流又要行人或通車的巷道設立自動風門進行控制。

3）挖掘深部盤區現有進風潛力，提高進風量。通過對增加深部盤區進風量可行途徑進行分析，得出3個不同增加進風方案：方案1，設計施工S1#錯位接力專用進風井，將上部盤區-240 m、-320 m水平的多余風引入深部盤區;方案2，延伸獅嶺南盲進風井，將其供風范圍擴展至深部盤區;方案3，將-600 m廢棄火工材料發放硐室改為回風凈化硐室，對深部南盤區回風凈化后循環利用。

4）改變深部風流調控方式。依據各中段實際需風量與風壓，選取合適的輔扇，將深部盤區風流的調控方式改為主扇—輔扇調控。依據深部盤區需風量與風壓的實際情況，增設輔扇型號及數量見表2。

4 結 論

1）在凡口鉛鋅礦深部通風系統參數測量與調研的基礎上，利用VentNetLab軟件建立了凡口鉛鋅礦深部通風系統的三維仿真模型，該模型不僅實現了深部通風系統的可視化三維建模，同時為通風網絡解算、通風問題分析提供了一種可靠便捷的方法。

2）由VentNetLab軟件的模擬及通風網絡解算結果可知，凡口鉛鋅礦深部通風系統主要存在通風阻力過大、循環風嚴重、深部進風不足及風流調控不合理等4方面的問題。

3）針對存在的問題，提出分別從新增進風措施井、優化深部盤區通風構筑物、挖掘深部盤區進風潛力及增設輔扇4個方面對深部通風系統進行優化，以期使凡口鉛鋅礦深部通風系統能夠滿足深部生產的實際需要。

4）針對凡口鉛鋅礦深部盤區通風系統存在的問題提出了切實可行的優化措施，但這些措施在實施過程中需要構筑大量的通風設施，如何實現對這些通風設施的集中、有效管理是這些措施能否發揮效用的關鍵所在，而現有的人工或半人工管理手段則遠不能滿足對這些通風設施的調控需求，因此研究與應用新的通風設施管理手段應是凡口鉛鋅礦深部通風系統的進一步優化與改造內容。

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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”國家重點研發計劃（2017YFC0602902）

作者簡介：李方波（1985—），男，貴州獨山人，工程師，碩士，從事礦山通風安全管理工作;廣東省韶關市仁化縣凡口，中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦，512000;E-mail：fangbo1107@163.com

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