基于VentNetLab的凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

李方波 代涵 陳新

摘要：隨著凡口鉛鋅礦逐漸進(jìn)入深井開采階段，其現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)也隨之面臨更大的壓力，對(duì)深部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化已成為當(dāng)前通風(fēng)管理的重點(diǎn)工作。利用VentNetLab通風(fēng)模擬軟件建立了凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)系統(tǒng)的三維仿真模型，對(duì)深部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，深部通風(fēng)系統(tǒng)主要存在通風(fēng)阻力過大、循環(huán)風(fēng)嚴(yán)重、深部進(jìn)風(fēng)不足及風(fēng)流調(diào)控不合理等4方面的問題。針對(duì)上述問題，提出從新增進(jìn)風(fēng)措施井、優(yōu)化深部盤區(qū)通風(fēng)構(gòu)筑物、挖掘深部盤區(qū)進(jìn)風(fēng)潛力及增設(shè)輔扇等4個(gè)方面對(duì)深部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，以期改善凡口鉛鋅礦深部盤區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，并提高深部盤區(qū)的安全生產(chǎn)能力。

關(guān)鍵詞：深井開采;通風(fēng)系統(tǒng);仿真模擬;VentNetLab軟件;盤區(qū)進(jìn)風(fēng);通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算

中圖分類號(hào)：TD724文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）06-0031-04doi：10.11792/hj20210606

引 言

礦山通風(fēng)系統(tǒng)在礦山的安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，建立一個(gè)可靠穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)是眾多礦山的共同需求[1-3]。礦山通風(fēng)系統(tǒng)作為一個(gè)動(dòng)態(tài)性的系統(tǒng)，并不是一成不變的，而是隨著礦山開采規(guī)模的增加而逐漸趨于復(fù)雜[4-5]，尤其是當(dāng)?shù)V山進(jìn)入深部開采階段后，其通風(fēng)問題會(huì)變得越來越突出，通風(fēng)系統(tǒng)可靠性也越來越低[6-8]，這些問題的存在嚴(yán)重影響礦山的正常生產(chǎn)，開展與加強(qiáng)礦山深部開采階段通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的有關(guān)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(jīng)達(dá)到800 m，采用的主要采礦方法有盤區(qū)淺孔上向分層膠結(jié)充填采礦法、盤區(qū)機(jī)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(chǎn)礦石量130萬(wàn)t，鉛、鋅的綜合品位達(dá)到13 %，資源質(zhì)量好、儲(chǔ)量大，是中國(guó)重要的鉛鋅資源基地之一。經(jīng)過多年的開采，凡口鉛鋅礦的生產(chǎn)重心逐步往深部轉(zhuǎn)移，而其深部生產(chǎn)作業(yè)點(diǎn)集中，采準(zhǔn)與回采、出礦和充填同時(shí)進(jìn)行，相互影響大[9]，深部通風(fēng)系統(tǒng)面臨較大的壓力，對(duì)其進(jìn)行問題分析與優(yōu)化改造已經(jīng)成為該礦山通風(fēng)工作的重中之重。若要改善該礦山的深部通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，則必須要通過準(zhǔn)確的通風(fēng)參數(shù)測(cè)定、科學(xué)的建模模擬分析，對(duì)存在的問題采取系統(tǒng)的優(yōu)化方案加以解決[10]。

VentNetLab軟件是由中南大學(xué)胡漢華教授開發(fā)的一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算及三維可視化仿真軟件，其依托CAD進(jìn)行二次開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)礦山通風(fēng)系統(tǒng)的三維可視化，操作簡(jiǎn)便，非專業(yè)人員也能靈活運(yùn)用[11]。鑒于此，本文利用VentNetLab軟件建立了凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)系統(tǒng)模型，并以模型的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算等結(jié)果為依據(jù)，對(duì)凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)系統(tǒng)提出了針對(duì)性的優(yōu)化措施。

1 通風(fēng)系統(tǒng)概況

凡口鉛鋅礦深部采用中央進(jìn)風(fēng)、兩翼對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，即新鮮風(fēng)流經(jīng)新、老副井、大斜坡道、小斜井等井巷進(jìn)入，洗刷工作面產(chǎn)生的污風(fēng)經(jīng)東風(fēng)井及新、老南回風(fēng)井由主扇抽出至地表。

各中段通風(fēng)采用平行雙巷式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，即新鮮風(fēng)流經(jīng)各中段主巷、無軌巷進(jìn)入，經(jīng)采場(chǎng)穿脈進(jìn)入各采掘工作面，洗刷工作面產(chǎn)生的污風(fēng)經(jīng)采場(chǎng)回風(fēng)天井進(jìn)入上一中段回風(fēng)巷，最后經(jīng)各回風(fēng)井排出地表。采場(chǎng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基本采用本中段（分段平巷）進(jìn)風(fēng)，經(jīng)采場(chǎng)至上中段專用回風(fēng)巷回風(fēng)，在各采場(chǎng)通風(fēng)天井的穿脈靠近中段回風(fēng)巷一側(cè)均設(shè)有采場(chǎng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗，用于調(diào)節(jié)和控制各采場(chǎng)的風(fēng)量，改善各采場(chǎng)的作業(yè)環(huán)境，以達(dá)到最佳空氣條件[12-13]。凡口鉛鋅礦VCR法采場(chǎng)通風(fēng)示意圖見圖1。

對(duì)凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定后發(fā)現(xiàn)，其深部總進(jìn)風(fēng)量為246.15 m3/s，總回風(fēng)量為334.82 m3/s，存在明顯的漏風(fēng)和循環(huán)風(fēng)現(xiàn)象。同時(shí)，為了進(jìn)一步了解深部盤區(qū)的通風(fēng)阻力分布情況，選擇2條最能反映深部通風(fēng)阻力實(shí)際情況的連續(xù)風(fēng)路進(jìn)行通風(fēng)阻力測(cè)定。

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

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

經(jīng)計(jì)算，-550 m中段南、北回風(fēng)線路阻力分別達(dá)到831.50 Pa和509.50 Pa。這說明凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)阻力較大、風(fēng)流合理分配困難、有效風(fēng)量率低。因此，降低深部盤區(qū)通風(fēng)阻力應(yīng)是其通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的一項(xiàng)重要工作。

2 通風(fēng)系統(tǒng)模擬

借助凡口鉛鋅礦礦山數(shù)字化實(shí)現(xiàn)全CAD制圖，以井下工程實(shí)測(cè)圖為建?；A(chǔ)，建立基于通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀、最貼近通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況的VentNetLab仿真模型，并根據(jù)實(shí)際工程增加和變化及時(shí)進(jìn)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(zhǔn)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(gè)圖層，由此得到各中段dwg格式的絕對(duì)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(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道轉(zhuǎn)化底圖的草圖（見圖2）。

2）通風(fēng)風(fēng)道轉(zhuǎn)化。在VentNetLab軟件運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)風(fēng)道的默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以減少模型轉(zhuǎn)換后風(fēng)道的設(shè)置工作量。對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)標(biāo)高設(shè)置是一項(xiàng)重要的工作，可以幫助系統(tǒng)對(duì)井巷空間的垂直關(guān)系進(jìn)行定位，準(zhǔn)確地進(jìn)行模型構(gòu)建和通風(fēng)解算。之后，選中底圖全部分支后，利用軟件的風(fēng)路轉(zhuǎn)化功能即可將二維通風(fēng)線路轉(zhuǎn)化為三維通風(fēng)風(fēng)道。

3）風(fēng)路參數(shù)設(shè)定。對(duì)風(fēng)路參數(shù)的設(shè)定主要包括2個(gè)方面：一是對(duì)需風(fēng)巷道的設(shè)定;二是對(duì)需風(fēng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，主要包括對(duì)風(fēng)路長(zhǎng)度、巷道尺寸、巷道壁面參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定。

4）風(fēng)網(wǎng)動(dòng)力參數(shù)設(shè)定。風(fēng)網(wǎng)動(dòng)力參數(shù)設(shè)定主要是指定出入口和通風(fēng)動(dòng)力（安放風(fēng)機(jī)或指定需風(fēng)量）。這2部分設(shè)定是整個(gè)風(fēng)網(wǎng)解算基本設(shè)置中的核心，一個(gè)完整的風(fēng)網(wǎng)必須具備動(dòng)力參數(shù)才能進(jìn)行解算。參數(shù)應(yīng)根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)風(fēng)結(jié)果進(jìn)行設(shè)定，以提高模擬結(jié)果與實(shí)際通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的吻合度。

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

2.2 模擬結(jié)果及分析

通過VentNetLab軟件模擬及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，凡口鉛鋅礦深部盤區(qū)總風(fēng)阻為0.47 N·s2/m8，屬于阻力中等偏上礦井;其外部漏風(fēng)率4.9 %，依據(jù)有關(guān)規(guī)定，凡口鉛鋅礦屬于外部漏風(fēng)較小礦井;深部回風(fēng)量大于進(jìn)風(fēng)量，系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)不足。通過對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)凡口鉛鋅礦深部盤區(qū)主要存在以下幾個(gè)問題：

1）深部盤區(qū)風(fēng)阻較大，通風(fēng)困難。選擇最簡(jiǎn)風(fēng)路Sh-600 mS2#N VCR法采場(chǎng)進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，得出其風(fēng)阻為2.43 N·s2/m8，最長(zhǎng)分支風(fēng)阻為4.69 N·s2/m8。可見，深部盤區(qū)風(fēng)阻較大，普遍超出礦井總風(fēng)阻的5倍。

2）深部盤區(qū)循環(huán)風(fēng)嚴(yán)重。根據(jù)模擬結(jié)果共整理出10條模擬風(fēng)向與實(shí)際風(fēng)向相反且風(fēng)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(huán)風(fēng)風(fēng)量合計(jì)為90.76 m3/s，超過了深部總進(jìn)風(fēng)量的40 %，深部盤區(qū)循環(huán)風(fēng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。此外，與中段臨近的上下2個(gè)分段出現(xiàn)了污風(fēng)多次循環(huán)的現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)流質(zhì)量較差。局部風(fēng)機(jī)的不合理設(shè)置和溜礦井的存在也是造成污風(fēng)循環(huán)的重要原因。

3）深部進(jìn)風(fēng)方式存在問題，進(jìn)風(fēng)不足。由于深部通風(fēng)困難，在各分段平巷基本都安裝有一定數(shù)量的局扇加強(qiáng)進(jìn)風(fēng)，控制分段平巷反風(fēng)。在風(fēng)機(jī)安裝的局部區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了控制分段平巷不反風(fēng)，但未能解決分段進(jìn)風(fēng)困難的問題，同時(shí)導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)紊亂，造成大量局部循環(huán)風(fēng)流，反而影響了進(jìn)風(fēng)的效率和質(zhì)量。從模擬結(jié)果查找到的2v→2w分支（見圖4）為其中一條循環(huán)風(fēng)回路。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)為Sh-600 mN5#穿，應(yīng)為Sh-600 m中段的新鮮風(fēng)源，在進(jìn)入盤區(qū)采場(chǎng)前發(fā)生循環(huán)。說明新鮮風(fēng)源從水平主巷經(jīng)過大斜坡道后，通過分段平巷繞一圈，再進(jìn)入采場(chǎng)時(shí)的進(jìn)風(fēng)阻力大，出現(xiàn)進(jìn)風(fēng)困難。

4）現(xiàn)有風(fēng)流調(diào)控方式不滿足需求。凡口鉛鋅礦中段通風(fēng)為平行雙向式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在中段水平的穿脈西側(cè)均構(gòu)筑有小風(fēng)門，東側(cè)設(shè)有調(diào)節(jié)風(fēng)窗，溜井、措施井口等暫不用的基本都構(gòu)筑了密閉墻或調(diào)節(jié)風(fēng)窗。對(duì)Sh-550 m盤區(qū)至Sh-500 m盤區(qū)進(jìn)行模擬分析（見圖5）可知：新鮮風(fēng)流進(jìn)入各中段平巷后，多數(shù)風(fēng)流直接從阻力較小的盤區(qū)小斜坡道進(jìn)入一、五分段，后從各小斜坡道或溜井進(jìn)入其他需風(fēng)分段和采場(chǎng)，未按照“主巷→大斜坡道→分段平巷→采場(chǎng)”的規(guī)劃路線進(jìn)行送風(fēng)，這與實(shí)際控風(fēng)需求相差較大，表明現(xiàn)有主扇-風(fēng)窗的調(diào)控方式不能滿足深部盤區(qū)的控風(fēng)需求。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化措施

在利用VentNetLab軟件全面確定凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)系統(tǒng)問題的基礎(chǔ)上，本著優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、降低通風(fēng)阻力、提高深部通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的目的，提出以下幾點(diǎn)優(yōu)化措施：

1）新增專用通風(fēng)措施井改變進(jìn)風(fēng)線路。深部盤區(qū)進(jìn)風(fēng)線路不合理是深部通風(fēng)阻力較大的主要原因，要解決此問題，需要重新規(guī)劃進(jìn)風(fēng)線路。通過新增進(jìn)風(fēng)措施井將盤區(qū)現(xiàn)有進(jìn)風(fēng)線路由“副井→中段主巷→大斜坡道→分段平巷→采場(chǎng)”變?yōu)椤案本卸沃飨铩M(jìn)風(fēng)措施井→采場(chǎng)”，該措施改變了各分段采場(chǎng)的進(jìn)風(fēng)線路，同時(shí)相較于原有的進(jìn)風(fēng)線路，其長(zhǎng)度也大大縮短，從而降低了通風(fēng)阻力。

2）選取合適的通風(fēng)構(gòu)筑物。深部盤區(qū)出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)的原因主要是通風(fēng)構(gòu)筑物不完善、不合理。要解決該問題，需要對(duì)通風(fēng)構(gòu)筑物進(jìn)行優(yōu)化。依據(jù)各巷道通風(fēng)、行人的實(shí)際情況安裝不同的通風(fēng)構(gòu)筑物進(jìn)行控制。例如：對(duì)于回風(fēng)聯(lián)巷應(yīng)采取砌筑水泥磚墻的方式進(jìn)行密閉，對(duì)于需通過行人與設(shè)備的小斜坡道設(shè)置充氣風(fēng)墻進(jìn)行控制，而對(duì)于既要隔斷風(fēng)流又要行人或通車的巷道設(shè)立自動(dòng)風(fēng)門進(jìn)行控制。

3）挖掘深部盤區(qū)現(xiàn)有進(jìn)風(fēng)潛力，提高進(jìn)風(fēng)量。通過對(duì)增加深部盤區(qū)進(jìn)風(fēng)量可行途徑進(jìn)行分析，得出3個(gè)不同增加進(jìn)風(fēng)方案：方案1，設(shè)計(jì)施工S1#錯(cuò)位接力專用進(jìn)風(fēng)井，將上部盤區(qū)-240 m、-320 m水平的多余風(fēng)引入深部盤區(qū);方案2，延伸獅嶺南盲進(jìn)風(fēng)井，將其供風(fēng)范圍擴(kuò)展至深部盤區(qū);方案3，將-600 m廢棄火工材料發(fā)放硐室改為回風(fēng)凈化硐室，對(duì)深部南盤區(qū)回風(fēng)凈化后循環(huán)利用。

4）改變深部風(fēng)流調(diào)控方式。依據(jù)各中段實(shí)際需風(fēng)量與風(fēng)壓，選取合適的輔扇，將深部盤區(qū)風(fēng)流的調(diào)控方式改為主扇—輔扇調(diào)控。依據(jù)深部盤區(qū)需風(fēng)量與風(fēng)壓的實(shí)際情況，增設(shè)輔扇型號(hào)及數(shù)量見表2。

4 結(jié) 論

1）在凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量與調(diào)研的基礎(chǔ)上，利用VentNetLab軟件建立了凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)系統(tǒng)的三維仿真模型，該模型不僅實(shí)現(xiàn)了深部通風(fēng)系統(tǒng)的可視化三維建模，同時(shí)為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、通風(fēng)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(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果可知，凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)系統(tǒng)主要存在通風(fēng)阻力過大、循環(huán)風(fēng)嚴(yán)重、深部進(jìn)風(fēng)不足及風(fēng)流調(diào)控不合理等4方面的問題。

3）針對(duì)存在的問題，提出分別從新增進(jìn)風(fēng)措施井、優(yōu)化深部盤區(qū)通風(fēng)構(gòu)筑物、挖掘深部盤區(qū)進(jìn)風(fēng)潛力及增設(shè)輔扇4個(gè)方面對(duì)深部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以期使凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿足深部生產(chǎn)的實(shí)際需要。

4）針對(duì)凡口鉛鋅礦深部盤區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題提出了切實(shí)可行的優(yōu)化措施，但這些措施在實(shí)施過程中需要構(gòu)筑大量的通風(fēng)設(shè)施，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)這些通風(fēng)設(shè)施的集中、有效管理是這些措施能否發(fā)揮效用的關(guān)鍵所在，而現(xiàn)有的人工或半人工管理手段則遠(yuǎn)不能滿足對(duì)這些通風(fēng)設(shè)施的調(diào)控需求，因此研究與應(yīng)用新的通風(fēng)設(shè)施管理手段應(yīng)是凡口鉛鋅礦深部通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化與改造內(nèi)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(xiàng)目：“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFC0602902）

作者簡(jiǎn)介：李方波（1985—），男，貴州獨(dú)山人，工程師，碩士，從事礦山通風(fēng)安全管理工作;廣東省韶關(guān)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