基于三維通風數字孿生系統的通風系統優化研究

王小龍 呂志文 董 峰 劉春秋 林 彬 劉允秋

（1.山東黃金集團福建省政和縣宏坤礦業有限公司；2.山東黃金集團福建省政和縣源鑫礦業有限公司；3.山東黃金集團福建省政和縣香爐坪礦業有限公司；4.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

近年來，隨著金屬礦山開采深度不斷加深，礦井通風網絡日益復雜。如何對復雜的通風網絡、風機和通風構筑物進行有效管理，達到協同工作，為井下作業場所送去足量新鮮風流，保障礦井安全生產，已經成為制約金屬礦井發展的普遍問題。宏坤礦區通風系統同樣面臨一些困難，由于開采中段不斷加深，深部中段存在高油煙、高粉塵和高濕度現象，極大影響井下作業效率，通風系統一定程度上成為影響了系統產能提升的主要因素。為解決這些問題，宏坤礦區探索借助于三維通風數字孿生技術，來對礦井通風系統進行數字化管理。

1 項目概述

數字孿生是工業數字化及自動化進程中的關鍵技術之一，同時也是礦山智能開采的關鍵底層技術之一［1］。金屬礦井三維通風數字孿生系統是一個集礦井通風系統主要參數精準測量、三維通風數值分析模型建模、人機交互與風流動態展現、通風系統調整預先模擬驗證為一體的未來礦井通風管理模式［2］。

1.1 GinVent三維通風數字孿生技術構架

GinVent三維通風數字孿生系統整體技術構架如圖1 所示，系統由物理系統和孿生系統兩部分構成，可以及時發現通風系統隱患，減少盲目調風，實現礦井按需通風，幫助企業節能增效。

三維通風數字孿生系統建設是一項系統工程，在基礎設施不十分完善的情況下，金屬礦山依然可以分步實施，并最大限度地讓科學定量的通風管理為采礦服務［3］。基于宏坤礦區現狀，三維通風數字孿生系統采取統一規劃、分步實施的方式實現。

1.2 宏坤礦區通風系統概況

宏坤礦區礦井開采方式為硐采，采用平硐-溜井開拓，淺孔留礦法采礦。礦區地表標高為+320 m，生產作業區域深部目前位于+70 m 水平。由于通風系統在生產推進過程中逐步形成，礦井通風系統整體較紊亂，有效風量率低，井下柴油機尾氣排除困難，底部采場溫度已經偏高、工人工作環境不理想，影響井下安全生產。隨著開采繼續往下延伸，通風系統治理已經成為影響宏坤礦區產能接續的重要因素。礦區現有風機布置情況見表1。

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2 宏坤礦區通風系統三維建模

通過現場調研和井下實測，掌握全礦井巷道幾何物理參數、巷道流體力學參數、風機工況參數、主要構筑物壓力參數，通過調研和勘查確定井下設備功率、使用率及活動位置、巷道圍巖參數等。通過測量診斷系統外部漏風與內部漏風，確定漏風地點與漏風風量。依據實測數據建立1∶1 全礦井通風系統三維數值分析模型，并通過校驗將模型誤差控制在標準范圍之內。

2.1 建?；A資料數據清單

通風系統三維建模基礎資料以當前礦井生產數據資料為主，主要包括基礎圖紙資料、通風參數實測資料、風機特性曲線數據、礦區地形地質資料、礦井主要生產設備資料、中長期采掘計劃等。各部分所需資料如表2所示。

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2.2 融合多元數據的三維通風數值分析模型

依據礦井空氣動力學原理和熱平衡方程，融合影響礦井風流分配和變化的主要因素，建立礦井三維通風動態模型，模型建立后，風流按照流體運動規律在通風網絡內分配和流動，風速、阻力、溫度、風機工況點、構筑物壓力等參數一目了然，并可通過顏色對重點關注的數據區間突出顯示［3］。融合多元數據的宏坤礦區三維通風數值分析模型如圖2所示。

2.3 模型數據可靠性分析

表3 為宏坤礦區主要巷道三維通風模型數據與井下實測數據匯總，可以看出，整個系統模擬的數據與實測數據誤差均小于5%，最大誤差為4.35%。同時主回風線路阻力誤差小于5%，宏坤礦區通風網絡有超過20 個中段和分段參與通風，是一個較復雜的通風網絡，由于人為測量誤差和設備運行干擾等因素存在，整個系統的模擬精度完全滿足井下生產和進一步制定通風系統優化方案的需要。

2.4 通風系統現狀分析

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依托所建立的三維通風數字孿生分析模型，對通風系統現狀進行全方位、多維度三維數據展現和定量診斷，確定當前通風系統主要瓶頸和優化方向。

（1）巷道風速分析。礦區巷道當前風速分布區間為0～7.3 m/s，最高風速出現在252 m 中段至300 m中段回風天井處，+50 m 以下中段巷道基本處于微風狀態，新鮮風流主要從252 m 新老斜坡道進入礦井，經過205 m中段后，新鮮風流已經損失過半。

（2）污染源分析。模擬分析發現，即使主斜坡道上部的油煙也將順斜坡道向下影響礦區所有深部區域，由此可見，采用主斜坡道作為主要進風巷道（主斜坡道進風比例占63.5%），對深部區域作業環境非常不利。要解決這一問題，必須開拓或利用其他巷道作為主要進風巷。

（3）循環風分析。數字孿生系統顯示，系統未形成完善的進風回路和回風回路，進、回風路線相互交錯，淺部區域存在進、回風短路，影響通風系統將井下采油機尾氣和炮煙排出礦井。

（4）總風量分析。從測風數據和模擬數據均可看出，宏坤礦區有效風量存在一定缺口，需要通過增大總風量、提高有效風量率來保障深部區域作業地點用風。

3 通風系統優化方案制定及定量分析

根據宏坤礦區通風系統現狀及存在問題，在深入現場調查研究、收集融合相關圖紙、資料和數據、了解礦井生產和通風基本情況的基礎上，設計擬定了3 種通風優化方案，并對其進行技術經濟比較，以最終確定通風系統調整方案。

3.1 構建專用回風道+疏通增加進風井口（方案I）

通過嚴格規劃主要回風路線，加強主要回風路線與各中段及主要進風路線間構筑物隔離，疏通350 m 平硐和通205 m 中段盲斜井作為進風巷道，減少主斜坡道進風比例，暫不改變當前機站位置和風機配置。通過三維通風數字孿生系統建立通風數值分析模型。

數值模擬顯示，構建專用回風路線，采用252 m新斜坡道、252 m 老斜坡道、通205 m 中段盲斜井和350 m 平硐作為進風巷道，在不改變現有風機位置和配置的條件下，礦井深部區域進風量明顯改善，+300 m 平硐口回風量達到29.2 m3/s，斜坡道110 m 下方20 m處進風量達到19.9 m3/s，+30 m至-15 m分段配風均可超過0.5 m/s。主要運輸用途的主斜坡道進風占比明顯降低，減少至37.3%，主斜坡道上部炮煙對深部的影響程度明顯降低，150 m 中段炮煙排出+300 m 硐口時間從32.5 min 減少為16.9 min。由此可以看出，構建專用回風通道，減少205 m 中段以上中段風流短路和漏風，對深部區域通風改善非常明顯，有效風量率得到明顯提升。

3.2 方案I+調整風機位置（方案Ⅱ）

針對方案I存在的礦井回風通道上部風機和下部風機通風能力不匹配的問題，在方案I基礎上，將+300 m 平硐口37 kW 風機和+252 m 中段90 kW 風機位置對調，采用現有設備最大程度地提升井下污風排出能力。通過三維通風數字孿生系統建立方案Ⅱ優化模型。

數據分析顯示：通過將+300 m 平硐口37 kW 風機和+252 m 中段90 kW 風機位置對調，在不同風機葉片角搭配情況下，方案Ⅱ相對方案I通風系統回風能力提升幅度可達23.3%，通風系統總回風能力可以得到明顯提升，+110 m 中段以下深部區域新風進風量同步獲得提升，斜坡道110 m下方20 m處進風量達到24.6 m3/s，相對方案I提升23.6%，對礦井深部通風改善作用更加明顯。在對礦井深部作業點環境改善方面，方案Ⅱ相對方案I的優勢更加明顯，150 m 中段炮煙排出+300 m 硐口時間從方案I的16.9 min，進一步減少為12.45 min。通過方案Ⅱ的調整，風機運行狀態明顯更趨合理，風網通風能力得到進一步的提升，但從風機運行工況點可以看出，同一主回風線路上，37 kW 風機與90 kW 風機性能不匹配仍然是阻礙風網通風能力進一步提升的障礙。

3.3 方案Ⅱ+新掘專用回風豎井（方案Ⅲ）

在205 m 中段及以上中段對回風巷道進行維護，構建專用回風巷（同方案I），在247 線新掘專用回風豎井，豎井連接150 m 中段至205 m 中段，與205 m 上部回風巷道相連，構成礦井專用回風路徑。

豎井貫通后關停+110 m、+150 m 中段2 臺30 kW風機，維護205 m 中段至300 m 回風平硐沿線專用回風巷道，對新掘專用回風豎井，初步按照1.8 m方形斷面設計，在不改變205 m 中段（含）以上專用回風巷道斷面的情況下，對宏坤礦區通風系統通風能力提升潛力進行建模分析，分析數據見表4。

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通過對表4 的數據進行分析可以看出：方案Ⅲ按總回風量一狀態運行時，通過新掘專用回風豎井，將現有90 kW 風機和37 kW 風機位置對調，宏坤礦區通風系統可以在關停+110 m、+150 m 中段2臺30 kW 風機，且不購買新的風機的情況下，實現系統總風量提升38.9%，系統有效風量率達到70.6%，+110 m 中段下方新風進風量相對當前系統提升3.9 倍（當前值6.1 m3/s），-15 m 中段炮煙排出井口時間大幅降低至5.6 min，進而可以大幅縮短工作面放炮后的排煙時間，提升排班周轉率。該方案在新掘專用回風豎井情況下，充分利用現有風機設備，實現礦井有效風量大幅提升，同時風機運行在高效節能區間。該方案相對方案Ⅱ的優勢在于：在關停2 臺30 kW 風機的情況下，有效風量提升量基本一致。通過新掘專用回風豎井，將通風系統進風線路和回風線路總體隔開，更加有利于深部污風排出、提升深部空氣質量。

方案Ⅲ按總回風量二狀態運行時，將+300 m 平硐口系統總回風量提升至45 m3/s，+252 m 機站利用現有90 kW 風機，專用回風豎井回風量提升至29.6 m3/s，相對宏坤當前通風系統，總風量和有效風量率均大幅提升。系統總阻力提升較快，達到2 730.9 Pa，+300 m 平硐口風機需要新購，專用回風井1.8 m方形斷面設計基本能滿足要求，風機通風能力與風網相匹配，風機工況點基本合理。通風系統排煙、排塵能力進一步提升。

方案Ⅲ按總回風量三和總回風量四狀態運行時，系統總風量和有效風量進一步同步提升，但與此同時，系統通風阻力快速增加，系統總阻力明顯偏高。

在方案Ⅲ按總回風量一狀態運行時，+252 m 中段37kW 風機采用29°葉片角、+300 m 平硐口90 kW風機采用26°葉片角情況下，對專用回風豎井斷面按1.5、1.8、2.1 m 矩形斷面設計，建模模擬專用回風豎井斷面變化對通風系統主要參數的影響（表5）。

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綜合表4 和表5 的數據可以看出，當系統總回風量在45 m3/s 以下時，專用回風井斷面按1.8 m×1.8 m設計基本合理。

在方案Ⅲ按總回風量一狀態運行時，采用Gin-Vent 通風數字孿生系統模擬分析，主要風機運行工況點如圖3、圖4所示。

方案Ⅲ按總回風量一（35 m3/s）運行時，系統對應的改造工程主要包括-15 m 中段至205 m 中段1.8 m方形斷面豎井工程，專用回風道沿線風門、密閉構造，90 kW 風機與37 kW 風機位置對調工程，其他必要風門的構造和維護。

3.4 優化方案限制條件

宏坤礦區屬于生產礦山，通風系統優化方案是在受到居多條件限制的情況下給出的，這些限制包括［4］：

（1）主要回風巷道已經形成，巷道斷面面積擴充難度較大，且會影響生產。

（2）回風井口選擇余地小，受審批和實際環境等因素限制，方案Ⅲ所述的專用回風豎井無法直接貫通至地表形成專用回風豎井。

（3）主要風機已經購置，優化方案盡可能利用現有設備提高井下有效風量。

在上述現實因素限制下，通過構建專用回風路線、疏通現有廢棄井口擴充進風通道、優化風機布局和風機運行參數、優化構筑物布置、優化設計150 m中段至205 m 中段專用回風豎井等維度，在盡量采用現有設備、不影響礦井生產的情況下，大幅提高宏坤礦區有效風量，改善井下作業環境。

4 結 論

（1）創新性提出建設金屬礦井三維通風數字孿生系統——一個集礦井通風系統主要參數精準測量、三維通風數值分析模型建模、人機交互與風流動態展現、通風系統調整預先模擬驗證為一體的未來礦井通風管理模式，實現礦井通風全要素、全流程、全數據的集成和融合，達到當前礦井通風系統風流最優配置、災害情況下風流快速調整以及對未來通風系統調整方案及效果定量預判。三維通風數值孿生系統為金屬礦井通風管理本質提升奠定了基礎。

（2）應用礦井三維通風數字孿生系統，定量分析當前通風系統主要瓶頸，構建通風系統改造方案模型，對通風系統進行多維度優化分析，定量分析優化方案各參數對應的通風系統優化提升效果。提出對進風線路和回風線路進行重新規劃、調整風機運行葉片角或位置達到各級機站通風能力匹配、優化設計150 m至205 m水平專用回風豎井等總體優化方案。

（3）圍繞宏坤礦區存在的深部中段風量不足、井下炮煙和柴油機尾氣排出緩慢等問題，通過構建專用回風通道、提高有效風量率，大幅提高深部中段有效風量供給量和風質水平，優化方案將深部-15 m 中段炮煙排出井口時間從32.5 min減少為5.6 min、+110 m中段下方新風進風量提升3.9 倍，從而大幅縮短工作面放炮后的排煙時間，提升排班周轉率。該思路為金屬礦山通風系統優化、深部熱害控制、產能提升等提供了技術參考。

（4）金屬礦井三維通風數字孿生系統模型同樣適用于高溫礦井熱害治理定量分析，通過對影響井下空氣溫度的地表環境參數、圍巖屬性、地熱梯度、大型設備放熱、井下排水等進行建模，定量分析礦井通風降溫經濟邊界參數，同時可對設備降溫位置選擇、制冷負荷和降溫效果進行定量分析，從整體和時間維度為高溫礦井熱害治理提供定量分析預判，成果對國內其他金屬礦山通風管理具有重要的參考價值。