基于Ventsim軟件的礦井通風系統(tǒng)全局經濟性優(yōu)化

馬艷玲

摘要：為確保JAMA銅礦礦井通風系統(tǒng)全生命周期達到最佳經濟性運行，采用Ventsim礦井通風三維仿真軟件對通風系統(tǒng)進行模擬研究，通過對通風網絡中關鍵井巷的結構尺寸進行經濟性優(yōu)選，發(fā)現(xiàn)超大型礦山通風系統(tǒng)具有非常大的經濟性優(yōu)化潛力，可供同類型礦山參考借鑒。

關鍵詞：Ventsim；礦井通風系統(tǒng)；全局經濟性；井巷結構；數值模擬

中圖分類號：TD72文章編號：1001-1277（2023）05-0028-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230508

礦井通風在礦山全生命周期生產活動中所占的成本比重較大，在以往設計階段，風速合規(guī)和采礦方面的需求作為井巷結構尺寸選擇的條件［1］，因缺少科學先進的技術手段對井巷工程結構尺寸進行經濟性論證，導致系統(tǒng)在全生命周期中綜合成本過高。這一潛在的成本增加往往被設計單位及礦山企業(yè)所忽視［2］。本文借助Ventsim礦井通風三維仿真軟件對國外某超大型礦山初步設計方案及全生命周期進行深度經濟性論證并優(yōu)化，達到系統(tǒng)全生命周期投資最低，具有非常高的推廣價值。

1工程背景

JAMA銅礦項目位于塞爾維亞共和國Bor城附近。該礦山為露天轉地下開采，老系統(tǒng)目前開采最深標高為-150 m，年生產能力為66萬t，采用南北主副井開拓，礦體中央布置回風井，副井主要運輸人員、材料及設備，主井箕斗提升礦石。目前，國內礦業(yè)公司對其進行收購，并規(guī)劃對BR礦體進行開發(fā)建設。該礦體為巨大的斑巖型銅礦體，礦體傾角45°～55°，走向長約1 450 m，寬約360 m，垂向延伸約1 400 m，賦存標高92～-934 m。采用自然崩落采礦法開采，單中段回采連續(xù)崩落方案，設計生產能力為1 850萬t/a。井下采用新建膠帶斜井、副井聯(lián)合開拓系統(tǒng)，其中膠帶斜井兼作斜坡道（見圖1）。礦井通風系統(tǒng)主通風機設計總裝機功率為4 776 kW，年通風費用高昂，因此需要對該礦山礦井通風系統(tǒng)進行優(yōu)化，以達到安全高效開采的目的。

Ventsim礦井通風三維仿真軟件作為通風領域最為先進的軟件系統(tǒng)，所提供的功能包括：三維通風設計、風網解算、風機選型和通風過程動態(tài)模擬等，高級功能提供熱模擬、污染物擴散模擬，以及通風經濟性分析工具，在三維可視化的環(huán)境中對通風方法的合理性和經濟性進行模擬，在保證通風安全的前提下節(jié)約通風成本［3-4］。Ventsim礦井通風三維仿真軟件具有如下特色功能：

1）真三維可視化環(huán)境，操作簡單易學。

2）可非常方便地對風流、壓力、通風成本和其他通風相關的主要數據進行建模；熱流、濕度及降溫過程建模和三維模擬。

3）提供直觀的通風網絡優(yōu)化工具，合理減少通風和采礦成本。

4）粉塵和污染物擴散模擬。

5）支持風路規(guī)模優(yōu)化和風機選型。

2礦井通風系統(tǒng)經濟性優(yōu)化實踐

2.1通風系統(tǒng)簡介

井下采用進風井、原副井-盲進風井、新副井和膠帶斜井（兼斜坡道）進風，1#回風井和2#回風井出風的對角通風系統(tǒng)。新鮮風流經進風井、原副井-盲進風井、新副井和膠帶斜井（斜坡道）進入井下各水平，沖刷工作面后，污風分別匯入1#回風井和2#回風井，最后排出地表。設計總需風量為970 m3/s。通風方式為負壓抽出式，回風井地表布置主通風機。

礦井通風系統(tǒng)主要通風路線為：副井、風井、斜坡道→-434 m拉底水平→-450 m出礦水平→-470 m專用回風水平→1#、2#回風井→地表；副井、風井、斜坡道→-500 m運輸水平→1#、2#回風井→地表。

2.2通風系統(tǒng)全局經濟性優(yōu)化

1）Ventsim礦井通風三維仿真軟件全局經濟性功能模塊可以快速地對系統(tǒng)進行井巷結構參數優(yōu)選，新系統(tǒng)全局經濟性優(yōu)化由以下幾個步驟構成：步驟一，模型構建及基礎參數設置；步驟二，基于設計模型提出框架性的方案，對基礎設計方案進行經濟性優(yōu)化及分析；步驟三，模擬分析出最優(yōu)巷道結構參數并進行調整；步驟四，模擬并確定新方案主通風機的工況參數及運行成本；步驟五，新方案與原方案綜合對比，確定方案可行性及經濟潛力。

2023年第5期/第44卷礦業(yè)工程礦業(yè)工程黃金2）模型構建及基礎參數設置。

（1）將實測或設計巷道工程CAD圖件，通過新建圖層，巷道繪制中線并另存為.DXF格式圖件。打開Ventsim礦井通風三維仿真軟件，點擊文件→導入，需要勾選設置的主要有：轉換為實體巷道，需要導入的中線圖層，設置Z值標高。注意：CAD圖件要調整至原坐標，防止因坐標偏移導致導入的圖形發(fā)生嚴重偏移。豎井工程采用“繪制風路”里的坐標繪制。巷道導入具體參數見圖2。

（2）將導入的圖件在Ventsim礦井通風三維仿真軟件中進行巷道參數編輯，需要編輯的巷道參數主要有：結構尺寸、摩擦阻力系數、梯度，與地表貫通需要進行框選，獨頭巷道需要框選末端不閉合，其他參數結合巷道實際情況進行修訂。具體設置見圖3。

（3）框選所有井巷，點擊工具，風網處理工具，框選綁定，框選簡化，框選重復項搜索，點擊確定，確保風網處于連接狀態(tài)，最后點擊模擬，成功后風網模型處理完畢。

（4）按照設計選型在模型中植入風機，選中需要植入的井巷并點選快捷鍵F，調出風機編輯界面，框選風機，點擊下方編輯風機曲線（在此過程中要收集到選型的風機特性曲線），點擊文件新建，將風機對應安裝角度的特性曲線填入風量風壓表格中，空氣密度按照海拔高度推算設置，反轉風量調整至0.6 m3/s，反轉風壓調整至0.6 Pa，點擊文件保存。注意：新的礦井通風系統(tǒng)進行經濟性優(yōu)化時應按設計的固定風量進行模擬，確定工況參數后進行風機選型配置。具體見圖4。

（5）經濟性優(yōu)化的基礎參數設置。通風系統(tǒng)經濟性優(yōu)化主要目的是尋求基建投資與全生命周期運行期間總成本最低?；ㄍ顿Y主要包括井巷工程造價；全生命周期運行成本主要包括主通風機采購成本、風機運行的能耗成本等［5］。具體操作如下：點擊系統(tǒng)設置，成本、采礦、功率，出現(xiàn)下拉菜單后按照該項目屬地的造價成本輸入設置，其中風機成本一般在1 000～1 500元/kW。具體見圖5。

2.3框架性方案

通過專家研討及現(xiàn)場實際踏勘，發(fā)現(xiàn)盲進風井在國外施工難度大，造價成本高昂，在新的礦井通風系統(tǒng)規(guī)劃中起到增加進風斷面、降低通風阻力的目的［6］。替代性措施可增加一些輔助工程將原系統(tǒng)與新的礦井通風系統(tǒng)貫通替代盲進風井。具體為：

1）-13.5 m老副井馬頭門增加聯(lián)絡巷道貫通新副井，-75 m增加聯(lián)絡工程與膠帶斜井貫通，-150 m增加天井工程與斜坡道貫通。

2）設計-450 m出礦水平污風通過回風井排至-470 m專用回風水平，最終由回風井排出至地表，因此，-450 m回風巷道工程無使用意義。

2.4全局經濟性優(yōu)化結果

對原有模型進行調整，盲風井及需要優(yōu)化的巷道可通過密閉的方式替代，點擊經濟性全局模擬，具有經濟性優(yōu)化價值的巷道在模型中開始閃動，雙擊“風路已優(yōu)化”對話框中的風路，即可彈出右側對話框，推薦巷道結構尺寸及通風功率。按推薦的巷道結構尺寸進行全局調整。全局經濟性優(yōu)化結果見圖6。

2.6不同方案基建及運行成本對比

通過優(yōu)化后的工程對比發(fā)現(xiàn)，采用深度優(yōu)化后無盲風井方案比有盲風井方案工程投入可降低約474.0萬元（未計算井下盲豎井施工時輔助硐室工程成本），具體見表2。

采用不施工盲進風井深度優(yōu)化后與施工盲進風井2種不同方案，在15年全生命周期運行進行對比。礦井通風總投入成本主要包括：井巷工程成本、通風設施設備購置成本、15年運行期間主通風機能耗成本。工程可降低成本474.0萬元；-450 m回風石門873.6 m，斷面面積19.4 m2，總成本1 694.78萬元。

通風設施設備維持原設計成本不變，15年主通風機可降低能耗成本6 493.03萬元，全局優(yōu)化后可降低礦井通風總成本為8 661.7萬元。

3結論

1）Vensim礦井通風三維仿真軟件是一款科學有效的專業(yè)性軟件，為礦井通風全局經濟性優(yōu)化提供了高效的解決方式，應用前景廣闊，特別是對采用傳統(tǒng)方式設計的新建大型礦山，通風系統(tǒng)進行全生命周期經濟性優(yōu)化具有重要意義。

2）對全礦通風系統(tǒng)設計優(yōu)化還應注意在調整方案后，各進回風通道風速是否超標及能否達到適宜生產作業(yè)的需求，項目優(yōu)化過程也進一步考慮了上述安全問題。

3）礦井通風費用成本主要包括：基建工程投入、機電設備及運行管理費用、主通風機多年運行能耗費用等。通過對該項目進行優(yōu)化，以15年期的運行成本作為時間節(jié)點，可降低總通風成本約8 661.7萬元，經濟效益突出。

［參 考 文 獻］

［1］徐學成.用數學分析法確定井巷工程最佳斷面尺寸的探討［J］.新疆有色金屬，1998（2）：6-10.

［2］眾信通.Ventsim通風成本優(yōu)化［EB/OL］.（2021-06-10）［2022-11-20］.http：∥www.0355zxt.com/html/Knowledge/tongfengjishujiaoliu/6624.html.

［3］柳明明.Ventsim三維通風仿真系統(tǒng)在金屬礦山的應用［J］.金屬礦山，2010（10）：120-122.

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

［5］吳超.礦井通風與空氣調節(jié)［M］.長沙：中南大學出版社，2008：210-212.

［6］史煥一.限量并聯(lián)風道的通風阻力計算方法［J］.河北煤炭，1985（4）：37-39.

Global economics optimization of mine ventilation systems based on Ventsim softwareMa Yanling

（Zijin Mining Group Co.，Ltd.）

Abstract：To ensure the best economic operation during the whole life cycle of mine ventilation systems in Jiama Copper Mine，the ventilation system was simulated by Ventsim mine ventilation 3D simulation software.And by selecting the structure size of key shafts and lanes in the ventilation network from economic perspectives，it was found that the ventilation systems of super large-scale mines had great economic optimization potentials.The study can be used as a reference for similar mines.

Keywords：Ventsim;mine ventilation system;global economics;structure of shafts and lanes;numerical simulation