通風三維仿真系統在礦山通風系統優化設計中的推廣與應用

代 楨

大屯錫礦是一個擁有60 多年開采歷史的大型地下礦山，經過多年建設形成了一個龐大而復雜的井下通風網絡，井下用風點多、分布廣，通風機站多，且過風巷道斷面尺寸不一，且最大風阻線路達到了12.1km，這些因素給通風系統的管理和優化工作帶來了巨大的難度，因此礦山于2021 年3 月引進VUMA 三維仿真通風系統，對通風系統進行風網解算，協助工程師們完成通風系統優化設計。

本次設計是在昆明設計院設計的一級、四級通風機站的基礎上利用VUMA 通風三維仿真系統進行二級、三級通風機站和通風構筑物的匹配設計，目的是為了提高與一級、四級主通風機站的適應性，同時按產能合理分配風量、降低通風電耗、提高風機效率，確保礦山安全穩步持續生產。

1 礦山概況

大屯礦區按礦段分為松樹腳礦段和大屯礦段，其中松樹腳礦段建設有“大、馬、蘆”生產區（大箐東生產區、蘆塘壩生產、馬吃水生區、黑碼石生產區）、大箐硫化礦生產區；大屯礦段建設有松硫Ⅱ期一個生產區。

礦山設計總產能為106.3 萬t/a，其中大屯礦段36.3 萬t/a；松樹腳礦段70 萬t/a。

“大、馬、蘆”生產區總產能20萬t/a，大箐硫化礦生產區50萬t/a。

2 現狀模型構建

2.1 風網搭建

由于礦山的風網非常復雜，直接應用VUMA 軟件繪制礦山的三維坑道工程不僅工作量大，且精度不高，所以需要依賴AutoCAD 輔助完成基礎的三維坑道模型的搭建。

第一步：基于AutoCAD 繪制1：1 的風網三維中心線模型。模型中巷道的岔口為一個節點，兩岔口的節點采用三維多段線連接，連接線為一分支；通地表的平硐、豎井或獨頭巷道為一獨立節點，這類節點僅與下級節點相連接。同時為降低風網總節點數，將彎道弧線改為三維多段線，兩節點間距控制在5m 以內。為便于后期圖層劃分，中心線模型按中段順序分別建模生成DWG 文件。

第二步：在VUMA 中導入各中段的DWG 文件，每次導入后均要先設置圖層，并檢測分支連通性和分支重疊。待所有中段中心線模型導入后再次檢測分支連通性和分支重疊，并修改不連通分支和刪除重疊分支。

第三步：設置連通地表節點，形成虛擬分支。篩選和排除不參與解算的分支，即獨頭巷道。

第四步：進行一次風速動態模擬測試，檢測風網連通性，如果通過測試則可以進入下一步，如果未通過測試則返回至第二步修改模型。

2.2 參數輸入

（1）全局參數輸入。全局參數主要為地表四季濕球、干球平均溫度及地表大氣壓，設置參照水平巖溫、地熱梯度、氡釋放系數、巖石類型和濕度評級等基礎參數。

（2）斷面參數導入。使用AUTOcad繪制斷面圖，過風巷道為1/5 三心拱，斷面尺寸分別為2.4×2.6（m2）、2.7×2.6（m2）、4×3.8（m2）、2×2（m2）；通風豎井為圓形斷面，直徑分別為2m、3m。

（3）風機導入。輸入風機名稱和型號、轉速、風機用途、類型等基礎參數，以及傳動方式、電機效率、額定功率等高級參數，在導入6 個風機工況點，生成風機特性曲線完成風機導入。

（4）通風構筑物導入。采用控制分支的方式加載風窗、風門、密閉墻調節過風巷道風量。

（5）設置摩擦阻力系數。摩擦阻力系數結合礦山測定的實際系數和行業內通用系數進行設定，單位為牛·秒2/米4（N·S2/m4）。自然支護平巷系數取0.014，豎井、大斜井系數取0.005，混凝土澆灌、錨噴支護巷道取0.0058。

3 通風系統優化方案設計

3.1 解算精度驗證

因通風系統受制因素較多，解算精度根據行業經驗判斷，風量解算誤差應控制在±15%以內，才可作為設計方案的支撐依據。（表1）。

表1

經解算模型解算數據與設計院提供的數據誤差均控制在15%以內。

3.2 二級、三級通風機站及通風構筑物匹配性驗證

將通風現狀模型的一級、四級機站按昆明設計院交付的優化方案加載風機型號、風機運行方式、葉片角度等參數進行一級、四級機站獨立模擬和演算，檢查井下風路、風向和各生產中段進風量和回風量是否滿足需求。經演算檢查，發現井下主要反風線路較多，反風風量0.9m3/s ～16.2m3/s 不等；有三處循環風路，循環風量2.2m3/s ～16.9m3/s 不等；部分中段供需風分配不合理。。

3.3 風網設計

3.3.1 設計原則

（1）需風量計算。①生產區需風量：生產區需風量按萬噸風量比進行推算，礦山總產能為106.3 萬t/a，屬于大型地下礦山。根據大型礦山萬噸風量比經驗數據（1.2m3/s/萬～3.5m3/s/萬t）進行推算。②作業面需風量：硐室型采場最低風速不小于0.15m/s；巷道型采場最低風速不小于0.25m/s；裝運機作業的工作面最低風速不小于0.4m/s；電耙道和二次破碎巷道不小于0.5m/s。③設備需風量：按每臺每千瓦每分鐘4m3的需風量計算。④人員需風量：按每人每分鐘4m3的需風量計算。

（2）分風方式。①增阻調節。增阻調節主要采用密閉和縮小過風斷面積兩種方式。密閉：主要用于隔斷風流，防止生產區相互串風。模型設置時將分支類型改變為控制類型，并設置為密閉墻控制，開啟比置為0%。風窗調節：主要用于風量調節。根據設計風量值在各中段回風端或礦體采場回風端的分支模型設置固定風量，再將固定風量轉化為等效過風面積，從而得到風窗面積和尺寸。②增壓調節。根據設計風量和模型解算出的風壓要求選擇風機型號，并加載至模型中進行風網解算，驗證風機合理性。

（3）風量分配。本次設計分風遵循以產定風，按需分配的原則，避免風量浪費，合理利用系統風量，提高風量利用率。

（4）有效風量率。礦井有效風量率為礦區內各生產區的實際進風與max[總進風、總回風]的比值，單位為%。

3.3.2 需風量計算

（1）生產區需風量。礦山總產能為106.3 萬t/a，3221.2t/d（330 天工作日），其中大屯礦段36.3 萬t/a，1100t/d（330 天工作日），松樹腳礦段70 萬t/a，2121.2t/d，根據萬噸風量比初算礦井總需風量為218.6m3/s，其中大屯礦段需風量為43.6m3/s，松樹腳礦段需風量為175m3/s。

（2）作業面需風量。①掘進作業面。有軌掘進作業面規格為2.4×2.6（m2），按最低風速0.25m/s 計算需風量，即需風量為1.52m3/s。無軌掘進作業面規格為4×3.8（m2），按最低風速0.25m/s 計算需風量，即需風量為3.65m3/s。

②采礦作業面。礦山所使用的采礦方法為有底柱分段崩落法、有底柱自然崩落法、上向分層進路式充填法、下向分層進路式充填法。a.有底柱分段崩落法、有底柱自然崩落法。采場出礦電耙道規格為2×2（m2），按0.5m/s 最低風速計算需風量，即需風量為2m3/s。b.上向分層進路式充填法、下向分層進路式充填法。采場回采進路為4×4（m2），按0.25m/s 最低風速計算需風量，即需風量為4m3/s。

（3）排尾需風量。大屯錫礦為有軌開拓系統，不涉及排尾通風工作。

松樹腳礦段采用有軌與無軌開拓相結合的開拓系統，設計使用設備有4 臺鏟車、7 臺運載卡車，總功率為1887kw，排尾需風量為125.8m3/s。

3.3.3 風量校核

（1）按產能校核。大屯礦段：礦段主要采用有底柱分段崩落法和有底柱自然崩落法，有底柱分段崩落法設計產能150t/d，有底柱自然崩落法設計產能120t/t，設計出礦采場8 個，采場需風量為16m3/s 小于43.6m3/s，滿足生產要求。剩余風量將用于礦段內探礦、開拓、升級工程施工，以及溜井排塵和區域內各類硐室的通風。

松樹腳礦段：礦段主要采用有底柱分段崩落法、上向分層進路式充填法和下向分層進路式充填法，有底柱分段崩落法設計產能150t/d，上向分層進路式充填法設計產能250t/d，下向分層進路式充填法250t/d，設計出礦采場11 個，其中有底柱分段崩落法5 個，上向分層進路式充填法2 個，下向進路式充填法4 個，采場需風量34m3/s 小于175m3/s，滿足生產需求，剩余風量將用于礦段內探礦、開拓、升級工程施工，以及溜井排塵和區域內各類硐室的通風。

（2）按排尾校核。松樹腳礦段排尾需風量為125.8m3/s，設計總回風量為175m3/s 大于排尾需風量，能夠滿足生產需求，剩余風量將用于礦段內探礦、開拓、升級工程施工，以及溜井排塵和區域內各類硐室的通風。

（3）人員需風量校核。①大屯礦段。單班最大入坑人數60人（含技術、管理、參觀人員），按人員需風量計算風量為4m3/s，小于設計43.6m3/s，設計風量滿足人員需風量。②松樹腳礦段。單班最大入坑人數350 人（含技術、管理、參觀人員），按人員需風量計算風量為23.5m3/s，小于設計175m3/s，設計風量滿足人員需風量。

3.3.4 分風方式

（1）增阻調節。增阻調節主要采用密閉和縮小過風斷面積兩種方式。密閉：主要用于隔斷風流，防止生產區相互串風。模型設置時將分支類型改變為控制類型，并設置為密閉墻控制，開啟比置為0%。風窗調節：主要用于風量調節。根據設計風量值在各中段回風端或礦體采場回風端的分支模型設置固定風量，再將固定風量轉化為等效過風面積，從而得到風窗面積和尺寸。所有調節風窗均建在中段或采區回風端。

（2）增壓調節。根據設計風量和模型解算出的風壓要求選擇風機型號，并加載至模型中進行風網解算，驗證風機合理性。

3.3.5 風路優化

松樹腳礦段在用的132 專用進風系統為原老通風巷道改造而來，巷道斷面較小，進風風阻大且維護困難，因此此次方案中將該系統的下部進風通道調整為主斜井進風。同時根據新建主回風工程調整大箐東生產1570 ～1720m 生產中段的端部回風路線。其余通風線路經軟件解算驗證后可維持不變。

經軟件解算驗證，該礦段通風線路可維持不變。

3.3.6 機站調整

（1）松樹腳礦段。該礦段采用多級機站機械通風系統，二級、三級通風機站根據一、四級通風機站進行匹配設計。通過模型解算后，發現由于生產區內作業面較多，分布廣，且單點作業面用風量不大，各中段總需風量不高，大部分二級、三級機站出現風壓過大、供風大于需風的情況，有少部分機站出現風壓不足的情況，因此本次設計中將以增壓調節為主的分風方式調整為以增阻調節為主增壓為輔的分風方式，拆除風壓過大、風量過剩的通風機站，對風壓不足的通風機站重新選型風機。通過設計和模擬驗算，系統優化前總裝機容量744kw（21 臺輔扇），拆除輔扇風機13 臺，新增1 臺，更換1 臺，維持在用6 臺，優化后298.5kw（9 臺輔扇）。

（2）大屯礦段。根據仿真通風系統模型模擬和解算，生產區采用抽出式通風即可滿足生產區通風需求，因此將多級機站通風改為單一式通風，拆除區域內三級通風機站。

3.3.7 通風構筑物優化調整

因礦段分風調節方式由增壓調節為主變為增阻調節為主，通過風窗縮小過風斷面積實現風量調節。風窗建在各中段回風側，同時為防止與相鄰生產區串風，在各生產區串風通口建設風門隔斷風流。

此次優化調整共增加通風構筑物32 套，維持在用構筑物22套。

4 風網解算數據

4.1 系統總風量

表2

優化方案解算后總進風為235m3/s，總回風量為235.6m3/s（VUMA 通風三維仿真系統）。

這里為了再一次驗證本次設計方案的數據可靠性，將礦山解算的通風系統總風量與昆明設計院解算總回風量進行了對比，昆明設計解算的總回風量為235.26m3/s，礦山解算的總風量為235.6 m3/s，二者數據基本一致。

4.2 生產供風量

松樹腳礦段設計風量175m3/s，優化方案解算風量183.3m3/s。生產區有效風量183.3m3/s。

大屯礦段設計風量43.6m3/s，解算風量44.2m3/s。生產區有效風量44.2m3/s。

兩個礦段設計總風量218.6m3/s，解算風量227.5m3/s，有效風量227.5m3/s，解算有效風量率96.5%。

4.3 主風機參數解算數據

表3

根據行業規范要求主通風風機效率不能低于70%，本次設計方案經演算后所有主通風機均大于70%。

4.4 循環風檢測

本次優化方案經VUMA 軟件解算模擬后仍存在3 條循環風路。

經分析后主要原因為在高風壓區域密閉墻仍會有漏風，軟件解算后主回風端部和主進風密閉墻漏風在0.2 ～0.4m3/s，漏出風流重新回流至系統最終導致系統出現循環風流。該漏風量不會影響通風系統安全穩定運行。

5 二級、三級機站運營成本

方案實施后三個生產區二級、三級通風機站總裝機功率由原來的744kw 降為298.5kw，運營成本由每年192 萬元降為每年90 萬元，每年預計節約101.5 萬元。

6 結語

VUMA 通風三維仿真系統能夠有效的解決因風網復雜、分風困難、多級機站聯合運行解算難等問題，大大提高了礦山通風系統的設計能力、工作效率和系統管理能力，后期將繼續將平臺的更多功能應用到實際生產中，進一步提升礦山通風系統的穩定性、安全性和可靠性。