矿井扩能通风系统计算机优化研究

张水平， 黄亮亮， 张驰， 何忠国

（1.江西理工大学，a.信息工程学院；b.资源与环境工程学院；江西 赣州 341000，2.贵州开磷矿业总公司，贵阳 550302）

0 引 言

矿井通风系统是创造矿井正常生产环境和安全生产条件的基础，矿井通风系统的合理与否，与矿井的生产安全及经济效益都有着重大的关系[1-2].但随着开采深度、范围的不断变化，现有矿井通风系统已不能满足生产需求，矿井出现总风量不足，井下风流紊乱，矿井漏风严重等诸多问题[3-5].因此，必须对矿井通风系统进行优化改造，使矿井通风系统经济上合理，技术上有效，安全上可靠[6].

1 马路坪矿通风系统概述

马路坪矿开拓系统为胶带斜井与主斜坡道联合开拓系统，提升系统为1#号胶带斜井和2#胶带斜井联合提升，矿体薄且走向长，多中段，多作业面，采用充填采矿法开采.

1.1 马路坪矿通风系统现状

马路坪矿原设计开采范围：+700m中段到+580m中段，矿井通风系统为中央进风两翼对角抽出式通风系统.新风主要由专用进风井、主斜坡道、北辅斜井进入，经各中段运输平巷、盘区斜坡道，进入分层巷道再到采场，排走工作面的烟尘，通过盘区间的回风斜井进入上一中段，由上一中段回风道进入回风井，污风由南回风井或北回风井排至地表.矿井通风系统立体图如图1.

图1 矿井通风系统立体图

1.2 矿井通风系统存在的问题

矿井扩能后，开采范围由+700 m到+480 m，马路坪矿现有通风系统存在以下问题：

1）风量不足.扩能后矿井所需风量 260 m3/s，原系统设计所需风量180m3/s.

2）开采深度由+580 m下延到+480m，通风线路变长，通风阻力增大.

3）风机能力不足.扩能后，南、北主扇所需风量各为141 m3/s，现有北风井主扇的效率58%，风量62 m3/s，南风井主扇的效率约有53%，南风机的风量为82m3/s.

4）“多中段、多盘区、多分层和多采场”，导致井下风流紊乱，风流的质量与数量得不到保证.

5）回风网络回风能力不足.+750m中段以上采用空场采矿法，形成采空区，与地表相连，漏风严重.回风井巷断面偏小，并且布置在底板红页岩内，部分坍塌，回风网路阻塞，通风系统不能形成，疏通、维护工程量大、费用高.

鉴于上述情况，马路坪矿现有通风系统已不能满足后期生产与扩能的需要，必须进行技术改造.

2 矿井通风系统优化研究

矿井通风系统优化改造是一项复杂的工作，它需要综合考虑各个方面，比如当前矿井的生产条件、通风网络状况、通风设施状况等，不仅要考虑规划期间，而且要考虑到未来矿井可能发生的变化.矿井通风系统方案的优选是矿井通风系统优化改造的关键，其实质就是解决一个复杂的决策问题.尽可能详尽地列举出各种可行性方案，然后再从技术、经济等方面对其进行分析和比较，最后从中确定出总体最优方案[7-10].

2.1 专用进风井优化

通过计算得出马路坪矿专用进风斜井的最佳经济通风断面为25.44m2，取25.40m2.鉴于现有+640m中段以上的专用进风斜井已按16.90 m2施工完成（因原按120万t/a生产能力优化计算专用进风井巷的最佳经济通风断面），可以不再扩邦.

考虑到将来马路坪矿+860m主斜坡道没有重车出碴运输现象，可充分考虑利用+860m主斜坡道来辅助进风，这样可以满足年产220万t（因进风井断面偏小能耗高）的进风需求.但是马路坪矿专用进风斜井在+640m中段往下延伸时，按25.40 m2断面进行设计施工（保证矿井通风能力有富余，利于向深部开采）.

2.2 中段网络优化

1）本中段平巷进风，上中段平巷回风.

2）中段内设置风窗和辅扇等进行风量调控.盘区内，在两盘斜坡道中央新掘回风斜井.

3）优化布局中段回采顺序（集中回采方式），上中段适当超前下中段.

2.3 优化方案的拟定

为了进一步优化完善马路坪矿通风系统，就需要对回风井进行优化.通过对回风井井口地表现场实地调查、选点，再经过各类因素综合分析比较，提出马路坪矿南、北回风井的优化设计研究方案.

2.3.1 南回风井研究方案

1）顶板方案：从矿体顶板方向白云岩内，在地表+1 222m处新掘一回风竖井至+963m标高，在+963m标高联络平巷，施工回风井至+700m中段，与+700m中段回风斜巷相接，并在距+700m回风井100m处施工+700m中段以下南回风井至+640 m中段.井筒部分先利用反井钻机施工2 m直径井筒，人工再将井筒刷扩至设计断面.

2）底板方案：在+700 m中段矿体底板红页岩内施工回风井至+820 m中段，+700 m中段以下通过回风联络道在矿体顶板方向，向下延伸至+500m标高，各中段通过施工回风联络石门与南回风井相连.

2.3.2 回风井研究方案

1）顶板方案：从矿体顶板方向白云岩内，在地表+937m处新掘一回风竖井至+716 m标高，在+716 m标高掘进一回风斜坡道与+700m中段北上下盘联络道相接.井筒部分先利用反井钻机施工2 m直径井筒，人工再将井筒刷扩至设计断面.

2）底板方案：在矿体底板红页岩内，地表+937 m处新掘一回风斜井至+865m标高，再掘一回风斜井与+820 m中段北上下盘联络道相接.在+820 m中段以下新掘回风井至+700m中段北上下盘联络道，并从+700m中段开始，再在两盘矿之间的白云岩中下掘北回风井至+500m标高.

2.4 方案比较

1）各方案井巷工程经济比较.根据以上各种方案的具体平面布置方式和井巷工程具体情况，得出马路坪矿南、北回风井优化设计研究方案井巷工程及投资概算，见表1、表2.

表1 南回风井优化方案井巷工程量及投资概算比较

表2 北回风井优化方案井巷工程量及投资概算比较

2）各方案井巷工程技术比较.各方案井巷工程技术优缺点见表3.

表3 各方案井巷工程技术优缺点

2.5 方案优选

顶板方案具有后期维护费小、通风线路短、通风阻力小、通风能耗低的优势；底板方案具有井下反掘优势，可以缩短工期，但是井巷容易变形和垮塌，整改难度大，后期的维护工程难度大，阻力大.从各方案技术施工难度、通风技术条件、经济投资概算和运行维护等综合因素分析，确定马路坪矿南、北回风井最优方案为顶板方案.

3 矿井通风系统数值仿真试验

Ventsim三维系统是一套基于独立平台开发的、应用于矿井通风的计算机辅助软件，兼容性能很好，与其他矿井设计软件或者通风软件能够方便地对接，快速地导入或导出基础数据.Ventsim系统包含了多个功能包，能够实现风流模拟、热模拟、污染物模拟和通风经济性分析等功能.在通风仿真和分析领域，Ventsim系统目前是最先进的软件系统之一，并且在不断地改进和创新，未来将成为通风设计与模拟系统的新标准[11-13].

3.1 矿井通风系统仿真模型的建立

将CAD中的矿井立体图以.dxf格式导入Ventsim系统中，形成初步的三维通风系统图.根据通风系统测定数据和计算结果，给系统中每条巷道赋予相应的参数，得到各巷道的周长、断面积、风阻系数等基本参数[14-15].

3.2 风流的动态模拟

基础参数输入后，就会形成三维矿井通风系统图（图2），在工具栏里对风路进行“绑定与简化”，避免风流断开不能模拟及简化风流线路.通过运行“风流模拟”，检查风网运行是否正常.接着赋予系统通过计算得到的矿井总需风量及各中段的按需分配风量，主要进风巷道采用自然分风方式进行分配.必要时在部分巷道设置构筑物，进行风量调节[16-17].

图2 马路坪矿Ventsim系统数值试验模型

3.3 主扇风机选型

根据马路坪矿自然风压、通风阻力、风机计算阻力、全矿风阻（见表4），利用 Ventsim系统进行通风网络解算，初步选择南、北主扇风机型号为FBCDZ-8-NO26B对旋轴流通风机.FBCDZ-8-NO26B对旋轴流主扇风机的主要技术性能参数见表5.

表4 风机选型优化计算数据

表5 FBCDZ-8-NO 26B主扇的工况点及参数

3.4 通风系统数值仿真试验结果分析

针对本次马路坪矿通风系统优化设计方案的数值仿真试验，主要考虑在现有生产布局条件下，以完成220万t/a生产能力为基本目的，合理优化+640m中段、+580m中段、+530m中段和+480m中段的生产布局，研究分析该通风系统优化设计方案能否满足实际生产所需的通风要求，还涉及考虑到自然风压对全矿通风系统的影响程度.试验结果如下：

矿井主要通过龙洞沟专用进风斜井、主斜坡道、北辅斜井进风，风量分别为126.00 m3/s、46.3 m3/s和36.9 m3/s，总风量为 215.20 m3/s.+580 m、+570 m、+530m、+480m、+470m各中段风量分别为79.35m3/s、6.9m3/s、79.5m3/s、27.6m3/s、20.7m3/s.

试验结果表明：南、北风机主扇运行良好，均处于合理工况区；根据全矿总需风量为202.52 m3/s（未将回风段漏风和主扇风机硐室漏风考虑），可以得出就所优选的南、北主扇风机提供的机械动力均能满足生产通风要求；各用风地点风量分配合理.

通过矿井通风系统仿真试验结果分析可知，该通风优化方案合理可行.

4 优化后通风系统效果

优化方案实施后，对矿井通风系统进行测定，通过评价指标比较矿井通风系统优化前后通风系统效果，见表6.

表6 优化前后通风系统评价比较

由表 6可知：优化后，通风系统存在的主要问题得到解决，通风效率显著提高；主扇的供风量能够满足矿井的需风量要求；各用风地点风速、风量等相关参数均满足通风要求.

5 结束语

实践表明，该矿井通风系统经改造后能满足近期和远景规划的通风需求，可为类似矿山通风系统优化提供技术参考.但矿井通风系统是个动态的过程，矿井需风量、风阻、主扇工况等都会随着生产条件的改变而变化，任何通风设计都不能永久满足生产.因此，必须及时掌握矿井通风系统动态，根据通风基本原理及变化规律，不断优化改进，通风系统才能合理、有效、稳定地运行，保证矿山的安全高效生产.

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