通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)在礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的推廣與應(yīng)用

代 楨

大屯錫礦是一個(gè)擁有60 多年開(kāi)采歷史的大型地下礦山，經(jīng)過(guò)多年建設(shè)形成了一個(gè)龐大而復(fù)雜的井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，井下用風(fēng)點(diǎn)多、分布廣，通風(fēng)機(jī)站多，且過(guò)風(fēng)巷道斷面尺寸不一，且最大風(fēng)阻線路達(dá)到了12.1km，這些因素給通風(fēng)系統(tǒng)的管理和優(yōu)化工作帶來(lái)了巨大的難度，因此礦山于2021 年3 月引進(jìn)VUMA 三維仿真通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算，協(xié)助工程師們完成通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本次設(shè)計(jì)是在昆明設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的一級(jí)、四級(jí)通風(fēng)機(jī)站的基礎(chǔ)上利用VUMA 通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)進(jìn)行二級(jí)、三級(jí)通風(fēng)機(jī)站和通風(fēng)構(gòu)筑物的匹配設(shè)計(jì)，目的是為了提高與一級(jí)、四級(jí)主通風(fēng)機(jī)站的適應(yīng)性，同時(shí)按產(chǎn)能合理分配風(fēng)量、降低通風(fēng)電耗、提高風(fēng)機(jī)效率，確保礦山安全穩(wěn)步持續(xù)生產(chǎn)。

1 礦山概況

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

礦山設(shè)計(jì)總產(chǎn)能為106.3 萬(wàn)t/a，其中大屯礦段36.3 萬(wàn)t/a；松樹(shù)腳礦段70 萬(wàn)t/a。

“大、馬、蘆”生產(chǎn)區(qū)總產(chǎn)能20萬(wàn)t/a，大箐硫化礦生產(chǎn)區(qū)50萬(wàn)t/a。

2 現(xiàn)狀模型構(gòu)建

2.1 風(fēng)網(wǎng)搭建

由于礦山的風(fēng)網(wǎng)非常復(fù)雜，直接應(yīng)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(chǔ)的三維坑道模型的搭建。

第一步：基于AutoCAD 繪制1：1 的風(fēng)網(wǎng)三維中心線模型。模型中巷道的岔口為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩岔口的節(jié)點(diǎn)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(dú)頭巷道為一獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，這類節(jié)點(diǎn)僅與下級(jí)節(jié)點(diǎn)相連接。同時(shí)為降低風(fēng)網(wǎng)總節(jié)點(diǎn)數(shù)，將彎道弧線改為三維多段線，兩節(jié)點(diǎn)間距控制在5m 以內(nèi)。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(dǎo)入各中段的DWG 文件，每次導(dǎo)入后均要先設(shè)置圖層，并檢測(cè)分支連通性和分支重疊。待所有中段中心線模型導(dǎo)入后再次檢測(cè)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(shè)置連通地表節(jié)點(diǎn)，形成虛擬分支。篩選和排除不參與解算的分支，即獨(dú)頭巷道。

第四步：進(jìn)行一次風(fēng)速動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試，檢測(cè)風(fēng)網(wǎng)連通性，如果通過(guò)測(cè)試則可以進(jìn)入下一步，如果未通過(guò)測(cè)試則返回至第二步修改模型。

2.2 參數(shù)輸入

（1）全局參數(shù)輸入。全局參數(shù)主要為地表四季濕球、干球平均溫度及地表大氣壓，設(shè)置參照水平巖溫、地?zé)崽荻取㈦贬尫畔禂?shù)、巖石類型和濕度評(píng)級(jí)等基礎(chǔ)參數(shù)。

（2）斷面參數(shù)導(dǎo)入。使用AUTOcad繪制斷面圖，過(guò)風(fēng)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(fēng)豎井為圓形斷面，直徑分別為2m、3m。

（3）風(fēng)機(jī)導(dǎo)入。輸入風(fēng)機(jī)名稱和型號(hào)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)用途、類型等基礎(chǔ)參數(shù)，以及傳動(dòng)方式、電機(jī)效率、額定功率等高級(jí)參數(shù)，在導(dǎo)入6 個(gè)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)，生成風(fēng)機(jī)特性曲線完成風(fēng)機(jī)導(dǎo)入。

（4）通風(fēng)構(gòu)筑物導(dǎo)入。采用控制分支的方式加載風(fēng)窗、風(fēng)門、密閉墻調(diào)節(jié)過(guò)風(fēng)巷道風(fēng)量。

（5）設(shè)置摩擦阻力系數(shù)。摩擦阻力系數(shù)結(jié)合礦山測(cè)定的實(shí)際系數(shù)和行業(yè)內(nèi)通用系數(shù)進(jìn)行設(shè)定，單位為牛·秒2/米4（N·S2/m4）。自然支護(hù)平巷系數(shù)取0.014，豎井、大斜井系數(shù)取0.005，混凝土澆灌、錨噴支護(hù)巷道取0.0058。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

3.1 解算精度驗(yàn)證

因通風(fēng)系統(tǒng)受制因素較多，解算精度根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)判斷，風(fēng)量解算誤差應(yīng)控制在±15%以內(nèi)，才可作為設(shè)計(jì)方案的支撐依據(jù)。（表1）。

表1

經(jīng)解算模型解算數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)院提供的數(shù)據(jù)誤差均控制在15%以內(nèi)。

3.2 二級(jí)、三級(jí)通風(fēng)機(jī)站及通風(fēng)構(gòu)筑物匹配性驗(yàn)證

將通風(fēng)現(xiàn)狀模型的一級(jí)、四級(jí)機(jī)站按昆明設(shè)計(jì)院交付的優(yōu)化方案加載風(fēng)機(jī)型號(hào)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式、葉片角度等參數(shù)進(jìn)行一級(jí)、四級(jí)機(jī)站獨(dú)立模擬和演算，檢查井下風(fēng)路、風(fēng)向和各生產(chǎn)中段進(jìn)風(fēng)量和回風(fēng)量是否滿足需求。經(jīng)演算檢查，發(fā)現(xiàn)井下主要反風(fēng)線路較多，反風(fēng)風(fēng)量0.9m3/s ～16.2m3/s 不等；有三處循環(huán)風(fēng)路，循環(huán)風(fēng)量2.2m3/s ～16.9m3/s 不等；部分中段供需風(fēng)分配不合理。。

3.3 風(fēng)網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.3.1 設(shè)計(jì)原則

（1）需風(fēng)量計(jì)算。①生產(chǎn)區(qū)需風(fēng)量：生產(chǎn)區(qū)需風(fēng)量按萬(wàn)噸風(fēng)量比進(jìn)行推算，礦山總產(chǎn)能為106.3 萬(wàn)t/a，屬于大型地下礦山。根據(jù)大型礦山萬(wàn)噸風(fēng)量比經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（1.2m3/s/萬(wàn)～3.5m3/s/萬(wàn)t）進(jìn)行推算。②作業(yè)面需風(fēng)量：硐室型采場(chǎng)最低風(fēng)速不小于0.15m/s；巷道型采場(chǎng)最低風(fēng)速不小于0.25m/s；裝運(yùn)機(jī)作業(yè)的工作面最低風(fēng)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(shè)備需風(fēng)量：按每臺(tái)每千瓦每分鐘4m3的需風(fēng)量計(jì)算。④人員需風(fēng)量：按每人每分鐘4m3的需風(fēng)量計(jì)算。

（2）分風(fēng)方式。①增阻調(diào)節(jié)。增阻調(diào)節(jié)主要采用密閉和縮小過(guò)風(fēng)斷面積兩種方式。密閉：主要用于隔斷風(fēng)流，防止生產(chǎn)區(qū)相互串風(fēng)。模型設(shè)置時(shí)將分支類型改變?yōu)榭刂祁愋?，并設(shè)置為密閉墻控制，開(kāi)啟比置為0%。風(fēng)窗調(diào)節(jié)：主要用于風(fēng)量調(diào)節(jié)。根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)量值在各中段回風(fēng)端或礦體采場(chǎng)回風(fēng)端的分支模型設(shè)置固定風(fēng)量，再將固定風(fēng)量轉(zhuǎn)化為等效過(guò)風(fēng)面積，從而得到風(fēng)窗面積和尺寸。②增壓調(diào)節(jié)。根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)量和模型解算出的風(fēng)壓要求選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)，并加載至模型中進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算，驗(yàn)證風(fēng)機(jī)合理性。

（3）風(fēng)量分配。本次設(shè)計(jì)分風(fēng)遵循以產(chǎn)定風(fēng)，按需分配的原則，避免風(fēng)量浪費(fèi)，合理利用系統(tǒng)風(fēng)量，提高風(fēng)量利用率。

（4）有效風(fēng)量率。礦井有效風(fēng)量率為礦區(qū)內(nèi)各生產(chǎn)區(qū)的實(shí)際進(jìn)風(fēng)與max[總進(jìn)風(fēng)、總回風(fēng)]的比值，單位為%。

3.3.2 需風(fēng)量計(jì)算

（1）生產(chǎn)區(qū)需風(fēng)量。礦山總產(chǎn)能為106.3 萬(wàn)t/a，3221.2t/d（330 天工作日），其中大屯礦段36.3 萬(wàn)t/a，1100t/d（330 天工作日），松樹(shù)腳礦段70 萬(wàn)t/a，2121.2t/d，根據(jù)萬(wàn)噸風(fēng)量比初算礦井總需風(fēng)量為218.6m3/s，其中大屯礦段需風(fēng)量為43.6m3/s，松樹(shù)腳礦段需風(fēng)量為175m3/s。

（2）作業(yè)面需風(fēng)量。①掘進(jìn)作業(yè)面。有軌掘進(jìn)作業(yè)面規(guī)格為2.4×2.6（m2），按最低風(fēng)速0.25m/s 計(jì)算需風(fēng)量，即需風(fēng)量為1.52m3/s。無(wú)軌掘進(jìn)作業(yè)面規(guī)格為4×3.8（m2），按最低風(fēng)速0.25m/s 計(jì)算需風(fēng)量，即需風(fēng)量為3.65m3/s。

②采礦作業(yè)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(jìn)路式充填法、下向分層進(jìn)路式充填法。a.有底柱分段崩落法、有底柱自然崩落法。采場(chǎng)出礦電耙道規(guī)格為2×2（m2），按0.5m/s 最低風(fēng)速計(jì)算需風(fēng)量，即需風(fēng)量為2m3/s。b.上向分層進(jìn)路式充填法、下向分層進(jìn)路式充填法。采場(chǎng)回采進(jìn)路為4×4（m2），按0.25m/s 最低風(fēng)速計(jì)算需風(fēng)量，即需風(fēng)量為4m3/s。

（3）排尾需風(fēng)量。大屯錫礦為有軌開(kāi)拓系統(tǒng)，不涉及排尾通風(fēng)工作。

松樹(shù)腳礦段采用有軌與無(wú)軌開(kāi)拓相結(jié)合的開(kāi)拓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)使用設(shè)備有4 臺(tái)鏟車、7 臺(tái)運(yùn)載卡車，總功率為1887kw，排尾需風(fēng)量為125.8m3/s。

3.3.3 風(fēng)量校核

（1）按產(chǎn)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(shè)計(jì)產(chǎn)能150t/d，有底柱自然崩落法設(shè)計(jì)產(chǎn)能120t/t，設(shè)計(jì)出礦采場(chǎng)8 個(gè)，采場(chǎng)需風(fēng)量為16m3/s 小于43.6m3/s，滿足生產(chǎn)要求。剩余風(fēng)量將用于礦段內(nèi)探礦、開(kāi)拓、升級(jí)工程施工，以及溜井排塵和區(qū)域內(nèi)各類硐室的通風(fēng)。

松樹(shù)腳礦段：礦段主要采用有底柱分段崩落法、上向分層進(jìn)路式充填法和下向分層進(jìn)路式充填法，有底柱分段崩落法設(shè)計(jì)產(chǎn)能150t/d，上向分層進(jìn)路式充填法設(shè)計(jì)產(chǎn)能250t/d，下向分層進(jìn)路式充填法250t/d，設(shè)計(jì)出礦采場(chǎng)11 個(gè)，其中有底柱分段崩落法5 個(gè)，上向分層進(jìn)路式充填法2 個(gè)，下向進(jìn)路式充填法4 個(gè)，采場(chǎng)需風(fēng)量34m3/s 小于175m3/s，滿足生產(chǎn)需求，剩余風(fēng)量將用于礦段內(nèi)探礦、開(kāi)拓、升級(jí)工程施工，以及溜井排塵和區(qū)域內(nèi)各類硐室的通風(fēng)。

（2）按排尾校核。松樹(shù)腳礦段排尾需風(fēng)量為125.8m3/s，設(shè)計(jì)總回風(fēng)量為175m3/s 大于排尾需風(fēng)量，能夠滿足生產(chǎn)需求，剩余風(fēng)量將用于礦段內(nèi)探礦、開(kāi)拓、升級(jí)工程施工，以及溜井排塵和區(qū)域內(nèi)各類硐室的通風(fēng)。

（3）人員需風(fēng)量校核。①大屯礦段。單班最大入坑人數(shù)60人（含技術(shù)、管理、參觀人員），按人員需風(fēng)量計(jì)算風(fēng)量為4m3/s，小于設(shè)計(jì)43.6m3/s，設(shè)計(jì)風(fēng)量滿足人員需風(fēng)量。②松樹(shù)腳礦段。單班最大入坑人數(shù)350 人（含技術(shù)、管理、參觀人員），按人員需風(fēng)量計(jì)算風(fēng)量為23.5m3/s，小于設(shè)計(jì)175m3/s，設(shè)計(jì)風(fēng)量滿足人員需風(fēng)量。

3.3.4 分風(fēng)方式

（1）增阻調(diào)節(jié)。增阻調(diào)節(jié)主要采用密閉和縮小過(guò)風(fēng)斷面積兩種方式。密閉：主要用于隔斷風(fēng)流，防止生產(chǎn)區(qū)相互串風(fēng)。模型設(shè)置時(shí)將分支類型改變?yōu)榭刂祁愋?，并設(shè)置為密閉墻控制，開(kāi)啟比置為0%。風(fēng)窗調(diào)節(jié)：主要用于風(fēng)量調(diào)節(jié)。根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)量值在各中段回風(fēng)端或礦體采場(chǎng)回風(fēng)端的分支模型設(shè)置固定風(fēng)量，再將固定風(fēng)量轉(zhuǎn)化為等效過(guò)風(fēng)面積，從而得到風(fēng)窗面積和尺寸。所有調(diào)節(jié)風(fēng)窗均建在中段或采區(qū)回風(fēng)端。

（2）增壓調(diào)節(jié)。根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)量和模型解算出的風(fēng)壓要求選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)，并加載至模型中進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算，驗(yàn)證風(fēng)機(jī)合理性。

3.3.5 風(fēng)路優(yōu)化

松樹(shù)腳礦段在用的132 專用進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)為原老通風(fēng)巷道改造而來(lái)，巷道斷面較小，進(jìn)風(fēng)風(fēng)阻大且維護(hù)困難，因此此次方案中將該系統(tǒng)的下部進(jìn)風(fēng)通道調(diào)整為主斜井進(jìn)風(fēng)。同時(shí)根據(jù)新建主回風(fēng)工程調(diào)整大箐東生產(chǎn)1570 ～1720m 生產(chǎn)中段的端部回風(fēng)路線。其余通風(fēng)線路經(jīng)軟件解算驗(yàn)證后可維持不變。

經(jīng)軟件解算驗(yàn)證，該礦段通風(fēng)線路可維持不變。

3.3.6 機(jī)站調(diào)整

（1）松樹(shù)腳礦段。該礦段采用多級(jí)機(jī)站機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，二級(jí)、三級(jí)通風(fēng)機(jī)站根據(jù)一、四級(jí)通風(fēng)機(jī)站進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。通過(guò)模型解算后，發(fā)現(xiàn)由于生產(chǎn)區(qū)內(nèi)作業(yè)面較多，分布廣，且單點(diǎn)作業(yè)面用風(fēng)量不大，各中段總需風(fēng)量不高，大部分二級(jí)、三級(jí)機(jī)站出現(xiàn)風(fēng)壓過(guò)大、供風(fēng)大于需風(fēng)的情況，有少部分機(jī)站出現(xiàn)風(fēng)壓不足的情況，因此本次設(shè)計(jì)中將以增壓調(diào)節(jié)為主的分風(fēng)方式調(diào)整為以增阻調(diào)節(jié)為主增壓為輔的分風(fēng)方式，拆除風(fēng)壓過(guò)大、風(fēng)量過(guò)剩的通風(fēng)機(jī)站，對(duì)風(fēng)壓不足的通風(fēng)機(jī)站重新選型風(fēng)機(jī)。通過(guò)設(shè)計(jì)和模擬驗(yàn)算，系統(tǒng)優(yōu)化前總裝機(jī)容量744kw（21 臺(tái)輔扇），拆除輔扇風(fēng)機(jī)13 臺(tái)，新增1 臺(tái)，更換1 臺(tái)，維持在用6 臺(tái)，優(yōu)化后298.5kw（9 臺(tái)輔扇）。

（2）大屯礦段。根據(jù)仿真通風(fēng)系統(tǒng)模型模擬和解算，生產(chǎn)區(qū)采用抽出式通風(fēng)即可滿足生產(chǎn)區(qū)通風(fēng)需求，因此將多級(jí)機(jī)站通風(fēng)改為單一式通風(fēng)，拆除區(qū)域內(nèi)三級(jí)通風(fēng)機(jī)站。

3.3.7 通風(fēng)構(gòu)筑物優(yōu)化調(diào)整

因礦段分風(fēng)調(diào)節(jié)方式由增壓調(diào)節(jié)為主變?yōu)樵鲎枵{(diào)節(jié)為主，通過(guò)風(fēng)窗縮小過(guò)風(fēng)斷面積實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。風(fēng)窗建在各中段回風(fēng)側(cè)，同時(shí)為防止與相鄰生產(chǎn)區(qū)串風(fēng)，在各生產(chǎn)區(qū)串風(fēng)通口建設(shè)風(fēng)門隔斷風(fēng)流。

此次優(yōu)化調(diào)整共增加通風(fēng)構(gòu)筑物32 套，維持在用構(gòu)筑物22套。

4 風(fēng)網(wǎng)解算數(shù)據(jù)

4.1 系統(tǒng)總風(fēng)量

表2

優(yōu)化方案解算后總進(jìn)風(fēng)為235m3/s，總回風(fēng)量為235.6m3/s（VUMA 通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)）。

這里為了再一次驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)可靠性，將礦山解算的通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量與昆明設(shè)計(jì)院解算總回風(fēng)量進(jìn)行了對(duì)比，昆明設(shè)計(jì)解算的總回風(fēng)量為235.26m3/s，礦山解算的總風(fēng)量為235.6 m3/s，二者數(shù)據(jù)基本一致。

4.2 生產(chǎn)供風(fēng)量

松樹(shù)腳礦段設(shè)計(jì)風(fēng)量175m3/s，優(yōu)化方案解算風(fēng)量183.3m3/s。生產(chǎn)區(qū)有效風(fēng)量183.3m3/s。

大屯礦段設(shè)計(jì)風(fēng)量43.6m3/s，解算風(fēng)量44.2m3/s。生產(chǎn)區(qū)有效風(fēng)量44.2m3/s。

兩個(gè)礦段設(shè)計(jì)總風(fēng)量218.6m3/s，解算風(fēng)量227.5m3/s，有效風(fēng)量227.5m3/s，解算有效風(fēng)量率96.5%。

4.3 主風(fēng)機(jī)參數(shù)解算數(shù)據(jù)

表3

根據(jù)行業(yè)規(guī)范要求主通風(fēng)風(fēng)機(jī)效率不能低于70%，本次設(shè)計(jì)方案經(jīng)演算后所有主通風(fēng)機(jī)均大于70%。

4.4 循環(huán)風(fēng)檢測(cè)

本次優(yōu)化方案經(jīng)VUMA 軟件解算模擬后仍存在3 條循環(huán)風(fēng)路。

經(jīng)分析后主要原因?yàn)樵诟唢L(fēng)壓區(qū)域密閉墻仍會(huì)有漏風(fēng)，軟件解算后主回風(fēng)端部和主進(jìn)風(fēng)密閉墻漏風(fēng)在0.2 ～0.4m3/s，漏出風(fēng)流重新回流至系統(tǒng)最終導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)流。該漏風(fēng)量不會(huì)影響通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 二級(jí)、三級(jí)機(jī)站運(yùn)營(yíng)成本

方案實(shí)施后三個(gè)生產(chǎn)區(qū)二級(jí)、三級(jí)通風(fēng)機(jī)站總裝機(jī)功率由原來(lái)的744kw 降為298.5kw，運(yùn)營(yíng)成本由每年192 萬(wàn)元降為每年90 萬(wàn)元，每年預(yù)計(jì)節(jié)約101.5 萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

VUMA 通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)能夠有效的解決因風(fēng)網(wǎng)復(fù)雜、分風(fēng)困難、多級(jí)機(jī)站聯(lián)合運(yùn)行解算難等問(wèn)題，大大提高了礦山通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力、工作效率和系統(tǒng)管理能力，后期將繼續(xù)將平臺(tái)的更多功能應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)一步提升礦山通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。