基于Ventsim的某鉛鋅礦不同時期通風阻力解算

摘要：井下通風系統作為礦山八大系統之一，是安全生產的重中之重，而風機選型則是決定通風系統運行是否流暢的關鍵所在。針對甘肅某鉛鋅礦井下采空區較多，采場與開拓工程設置集中的生產特點，設計將原有的“兩翼進風、中央回風”改為“中央進風、兩翼回風”的中央對角式通風系統。采用Ventsim仿真軟件建立礦山三維通風模型，根據不同生產中段、生產采場求解不同時期的通風阻力，從而為風機選型提供重要的理論依據。

關鍵詞：中央對角式通風;Ventsim仿真軟件;阻力解算;三維通風模型;風機選型

中圖分類號：TD72????????? 文章編號：1001-1277（2022）06-0040-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20220609

引 言

礦井通風是礦山生產過程中的重要一環，負責輸送新鮮風流、排出污風等任務，其運行狀態將直接影響礦山的安全生產和經濟效益[1]。另一方面，風機是通風系統的靈魂中樞，直接決定了通風的效果是否能達到或者滿足設計需求。因此，如何通過現有礦山資料，計算不同時期的通風阻力，進而進行風機選型是眾多礦山的生產剛需。目前，有研究者發現通過Ventsim仿真軟件，可以對礦井巷道風流的風量、風速及阻力進行模擬，以達到通風系統優化的目標[2]。其中，聶軍等[3]提出了“三進兩回”通風系統優化方案，并基于Ventsim對通風優化方案進行模擬分析，對其優化效果進行了論證。石乃敏[4]針對某地下礦井深部風量小、能耗高、氣溫高等通風問題，對通風參數進行實際測量，并建立了該礦山的Ventsim三維通風仿真系統，對通風現狀進行了模擬，使這些問題得到有效改善，從而達到安全生產的要求。本文在甘肅某鉛鋅礦通風方式優化的基礎上，利用Ventsim仿真軟件對其不同時期的通風阻力進行驗算，從而進行風機選型等，為礦山通風系統優化提供理論依據。

1 礦井通風系統優化

1.1 原通風系統

甘肅某鉛鋅礦地處隴南，由多個老礦山重組而成，由于歷史遺留問題且多年采用空場采礦法開采，致使現有采空區體積已超280萬m3。而井下采空區分布雜亂無章，不僅極易造成采空區冒頂、坍塌等安全事故，且給通風系統的貫通帶來巨大挑戰。目前，該鉛鋅礦生產采場主要集中在860 m、890 m、960 m、1 000 m、1 090 m、1 120 m這6個中段，生產能力約100萬t/a。

原通風系統主要采用兩翼多路入風、中央回風的機械抽出式通風方式（見圖1）。主要進風點為天洛1 150 m平硐之5A斜井和9勘探線斜井、洛壩1 180 m平硐之盲豎井和16#斜井、洛壩3#坑、3#主斜井及沙壩3#斜井，設計總進風量為168 m3/s。污風依次通過9#斜井、1 120 m回風平巷、回風天井、1 162 m回風平巷、設計1 230 m回風斜井到達地表。采用兩級機站通風，一級機站設置在1 230 m總回風斜井坑口處，二級機站采用按需分風網絡，設置在1 090 m、1 060 m、1 030 m中段入風口處。一級機站設置2臺K45-6-NO19型風機并聯，風機所配電動機型號為Y355M3-6，功率200 kW;二級機站在相應中段入風口各設置1臺K40-6-NO16型風機，風機所配電動機型號為Y280M-6，功率55 kW。但是，經過礦井實際調查觀測與分析，該鉛鋅礦通風系統存在以下問題：

1）參考國內同類型礦山生產經驗，100萬t/a的生產規模總用風量應為200 m3/s左右。礦山目前采場個數僅為30個，其中回采礦塊24個（淺孔留礦采礦法10個、淺孔房柱采礦法4個、中深孔房柱采礦法5個和垂直走向布置分段空場采礦法5個），備采礦塊6個（淺孔留礦采礦法2個、淺孔房柱采礦法2個、中深孔房柱采礦法1個和垂直走向布置分段空場采礦法1個），按照目前的生產規模，遠遠達不到產能。以當前生產工藝，為滿足100萬t/a產能要求，采場需要將近100個。因此，其風量計算值（168 m3/s）偏小。

2）礦區面積大、走向長，主要的開拓工程和采場均集中在礦區中部，采用兩翼多路入風、中央回風的方式，污風極易污染中部采場和巷道，進而影響生產作業安全[5]。

3）礦山采空區規模龐大、數量眾多，漏風和風量短路現象突出，而回風井距離主進風井（洛壩3#、1#平硐）較近，更易誘發風流短路現象，容易造成兩翼采場風量不足。

4）部分中段僅有一條斜井與上部中段貫通（如洛壩1 090 m中段、沙壩918 m中段），實際生產過程中此斜井既進風又回風，通風效果差。

5）兩翼進風、中央回風的通風方式一般用于兩翼走向較短的集中礦區，礦體走向長度超過2 000 m，采用此種通風方式通風效果較差。

1.2 優化后的通風系統

針對礦山中部開拓工程與采場較為集中的特點，推薦采用洛壩3#、1#平硐進風，沙壩3#斜井、虎頭山斜井和天洛1 150 m平硐回風的“中央進風、兩翼回風”的中央對角式通風系統，通風方式為抽出式，見圖2。

由圖2可知，現有通風各中段通風線路（以1 090 m中段為例）為：

1）新鮮風流由1 180 m平硐→盲副井→1 090 m中段→工作面→污風→1#回風天井、5A斜井→1 120 m水平→沙壩3#斜井、9A斜井、1 150 m平硐。

2）新鮮風流由洛壩3#斜井→1 120 m水平→斜坡道→1 090 m中段→工作面→污風→1#回風天井、5A斜井→1 120 m水平→沙壩3#斜井、7A斜井、1 150 m平硐。

3）新鮮風流由進風斜井→1 120 m水平→18#斜井→1 090 m中段→工作面→污風→1#回風天井、5A斜井→1 120 m水平→沙壩3#斜井、7A斜井、1 150 m平硐。

2 Ventsim 仿真模擬及計算

2.1 三維通風仿真模型建立

以該鉛鋅礦開拓系統及主巷的CAD實測圖、各個巷道的斷面圖及風門設置資料等作為建模原始數據，采用Ventsim仿真軟件進行建模（見圖3），步驟如下：

1）在CAD中描出主要進、回風通道的巷道中心線，并將其連接起來，然后根據所在水平賦予對應的標高。

2）將連接好的原始通風系統圖層以dxf 格式導入Ventsim系統中，形成初步的三維通風系統圖。

3）根據礦山提供的原始數據對每條巷道進行參數輸入，包括各巷道的周長、斷面面積、風阻系數等基本參數。

4）考慮作業面分風需要，并為減少因負壓不平衡而產生風量分配不合理的現象，擬在各主要需風岔口和回風聯絡道中設置測風站和活動式調節風門，根據實測差值調節風量。生產中，隨采掘面轉移應及時密閉采空區通道和調整通風系統，以減少漏風并適應作業面轉移時的通風需要。

5）在Ventsim仿真軟件中設置礦井總需風量及各中段的按需分配風量后，對通風系統進行網絡解算，得出各巷道通風阻力、通風風量、風阻等參數。

2.2 通風網絡解算分析

一般而言，在礦井主扇的整個服務年限內，礦井通風總阻力隨著生產中段的下降（即開采深度的增加）而增大。為了使最終選定的礦井主扇在整個服務年限內均能在合理的、較高的效率范圍內實際運轉，選擇主扇時必須以最大的礦井通風總阻力和最小的礦井通風總阻力作為依據。主扇服務年限內，最大的礦井通風總阻力稱為困難時期的通風阻力，而最小的礦井通風總阻力稱為容易時期的通風阻力。進行礦井通風總阻力計算的具體做法是：分別計算每個中段的通風線路總摩擦阻力，從而得到最大及最小中段總摩擦阻力。由此，通過Ventsim仿真軟件分別對每個中段的通風阻力進行解算，其中，860 m中段通風解算結果見圖4。

以860 m中段的1 180 m平硐至沙壩3#斜井通風路徑為例，得到該中段該路徑下的通風阻力解算結果，見表1。

采用Ventsim仿真軟件分別對每個中段的通風阻力進行解算，結果如下：

1）860 m中段。1 180 m平硐至1 150 m平硐路

徑通風的總摩擦阻力為2 120.24 Pa，1 180 m平硐至沙壩3#斜井路徑通風的總摩擦阻力為1 983.60 Pa。

2）890 m中段。1 180 m平硐至1 150 m平硐路徑通風的總摩擦阻力為2 010.40 Pa，1 180 m平硐至沙壩3#斜井路徑通風的總摩擦阻力為1 979.90 Pa。

3）960 m中段。1 180 m平硐至1 150 m平硐路徑通風的總摩擦阻力為1 324.55 Pa，1 180 m平硐至沙壩3#斜井路徑通風的總摩擦阻力為1 582.30 Pa。

4）1 000 m中段。主斜坡道至1 150 m平硐路徑通風的總摩擦阻力為1 906.80 Pa，主斜坡道至沙壩3#斜井路徑通風的總摩擦阻力為1 880.00 Pa。

5）1 090 m中段。主斜坡道至1 150 m平硐路徑通風的總摩擦阻力為1 314.81 Pa，主斜坡道至沙壩3#斜井路徑通風的總摩擦阻力為1 582.40 Pa。

6）1 120 m中段。主斜坡道至1 150 m平硐路徑通風的總摩擦阻力為1 298.08 Pa，主斜坡道至沙壩3#斜井路徑通風的總摩擦阻力為1 582.30 Pa。

由以上解算結果可知：通風的總摩擦阻力為1 298.08～2 120.24 Pa，因此在風機選擇上必須滿足該風壓及礦山需要的風量。根據驗算，現有風機型號為K45-6-NO19（見表2），其風量、風壓均滿足優化后的通風要求，風機布置在回風井井口及進風井井底，通風方式采用抽出式。局部通風地點主要有采場、掘進、噴錨支護工作面和各類硐室等。采掘工作面和各類硐室視需風量大小和線路長短，采用局扇進行風量調節和輔助通風，型號為K40-6-NO16，滿足設計要求。

3 結 論

1）甘肅某鉛鋅礦由于歷史遺留問題，導致采空區密布，井下串風、漏風情況突出，嚴重影響了該鉛鋅礦的安全生產。基于此，對其通風方式進行了優化，從“兩翼進風，中央回風”的通風方式優化為“中央進風，兩翼回風”的中央對角式通風系統。

2）基于Ventsim仿真軟件及礦山實測資料，建立三維通風仿真模型，對各生產中段不同回風路徑下的通風阻力進行了解算。根據解算結果，通風總摩擦阻力為1 298.08～2 120.24 Pa，即容易時期通風阻力為1 298.08 Pa，困難時期通風阻力為2 120.24 Pa。

3）根據通風網絡解算結果，對現有風機進行了能力校核，發現現有風機能夠滿足通風系統需求。因此，在充分利用現有風機的基礎上，僅需改變通風方式，就能夠有效改善井下通風環境，并減少設備采購等不必要的投資。

[參 考 文 獻][1] 黃傳寶，盛佳，李向東，等.基于Ventsim系統的多中段通風系統優化研究[J].采礦技術，2018，18（5）：63-66.

[2] 王明建，陳健，黃文爭.基于Ventsim仿真系統的礦井通風系統優化[J].煤，2021，30（1）：51-55.

[3] 聶軍，陳新.基于Ventsim的礦井通風系統優化及應用[J].黃金，2021，42（5）：29-34.

[4] 石乃敏.Ventsim軟件在某深部礦體通風系統優化中的應用[J].礦業工程，2018，16（6）：52-56.

[5] 吳超.礦井通風與空氣調節[M].長沙：中南大學出版社，2008.

Calculation of ventilation resistance in different periods of a lead-zinc mine based on Ventsim

Shen Yanyuan

（Yiyang Geo-environmental Monitoring Station）

Abstract：As one of the eight mine systems，underground ventilation system is the top priority for safe production，while the selection of fans is the key point to determine whether the ventilation system operates smoothly.In view of the production features such as excessive underground goafs and concentrated layout of stopes and development projects in a lead-zinc mine in Gansu，the original ventilation system "air inlet for two wings and air return for the center" has shifted to "air inlet for the center and air return for two wings" central diagonal type ventilation system by design.Ventsim simulation software was used to establish a three-dimensional ventilation model，which calculated ventilation resistance of different periods based on different production levels and stopes，so as to provide an important theoretical basis for the selection of fans.

Keywords：central diagonal ventilation;Ventsim simulation software;resistance calculation;three-dimensional ventilation model;fan selection

收稿日期：2022-01-20; 修回日期：2022-04-30

作者簡介：申燕元（1988—），女，湖南益陽人，工程師，碩士，從事礦產資源保護、礦產資源儲量評價及綠色礦山建設等工作;湖南省益陽市龍洲南路229號，益陽市地質環境監測站，413000;E-mail：451966983@qq.com