張國勝，蘇成哲

(蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

Ventsim軟件在礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張國勝，蘇成哲

(蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

針對某銅礦二期開采過程中礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，提出了兩種通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并運(yùn)用Ventsim軟件對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算及風(fēng)流動態(tài)模擬。通過對通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的模擬比較，確定了最優(yōu)的通風(fēng)方案，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了理想的效果。

Ventsim； 三維建模； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 風(fēng)網(wǎng)解算

1 前言

礦井通風(fēng)的主要任務(wù)是向井下連續(xù)輸送新鮮空氣，稀釋并排出有毒、有害氣體和粉塵等，調(diào)節(jié)礦井內(nèi)小氣候，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境[1]。因此，礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的合理與否直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)、礦工的安全與健康、礦井的抗災(zāi)害能力、礦山的生產(chǎn)效益。隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，我國淺表的礦床及開采技術(shù)條件相對簡單的礦床儲量不斷消耗，迫使大多數(shù)礦山轉(zhuǎn)入深部或復(fù)雜礦床的開采[2]。大型復(fù)雜深部礦井的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與管理一直是礦井設(shè)計(jì)及現(xiàn)場管理人員關(guān)注的重點(diǎn)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心及關(guān)鍵技術(shù)[3]。采用傳統(tǒng)的手工方式進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算存在解算過程時(shí)間長、效率低、容易出錯(cuò)、后期的通風(fēng)管理困難等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)在礦業(yè)方面的不斷發(fā)展，國內(nèi)外相繼涌現(xiàn)了一批礦井通風(fēng)模擬軟件來求解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，如國外有影響的礦井通風(fēng)系統(tǒng)仿真軟件有GIS、VentPC2000、MinTeeh和DataMine[4～5]等，在國內(nèi)有代表性的礦井通風(fēng)仿真軟件有CFIRE、MVSS[6～7]等,這些仿真模擬軟件取得了許多成果，但大多停留在專家級別，難以簡單操作且交互性差，很難得到推廣。而澳大利亞Chasm公司開發(fā)的Ventsim礦山通風(fēng)模擬軟件集三維模型可視化、通風(fēng)管理、熱模擬、污染物模擬為一體的三維仿真系統(tǒng)，可以滿足金屬礦山通風(fēng)管理的要求。本文以白銀深部銅礦設(shè)計(jì)為背景，介紹Ventsim軟件在礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2 Ventsim三維仿真系統(tǒng)

(1)具有良好的兼容性，可直接導(dǎo)入DXF格式的文件生成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，建好的三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型又可導(dǎo)出到AutoCAD中形成通風(fēng)立體圖。

(2)礦井三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型可直觀、立體、動態(tài)地展現(xiàn)通風(fēng)狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)需要可以顯示井下工程的通風(fēng)數(shù)據(jù)。

(3)在三維通風(fēng)立體模型上動態(tài)顯示風(fēng)流方向和相關(guān)通風(fēng)參數(shù)，真實(shí)反映井下巷道風(fēng)流關(guān)系。具備將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中特定區(qū)間數(shù)據(jù)突出展現(xiàn)功能，方便通風(fēng)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)或超限數(shù)據(jù)。

(4)具備任意風(fēng)路定點(diǎn)優(yōu)化調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)風(fēng)量分配要求反算調(diào)節(jié)風(fēng)阻大小或調(diào)節(jié)風(fēng)窗開口面積。

(5)在風(fēng)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上自動進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型和風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)分析。

(6)在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上對風(fēng)門、風(fēng)窗、密閉等通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置和風(fēng)量調(diào)節(jié)效果實(shí)現(xiàn)預(yù)先仿真模擬、可靠性展示和經(jīng)濟(jì)性分析。

(7)可模擬井巷斷面或風(fēng)機(jī)葉片角變化對通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，方便進(jìn)行短期和長期通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)劃。

3 礦山概況

某銅礦是一個(gè)開采多年的老礦山，1 639m水平以上為露天開采，于1959年10月建成投產(chǎn)，1984年8月露天開采結(jié)束。1974年進(jìn)行了露天轉(zhuǎn)地下的一期工程，開采范圍為1 655～1 475m共4個(gè)中段，一期工程采用北風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，西風(fēng)井和東風(fēng)井回風(fēng)的中央對角雙翼抽出式通風(fēng)，由于一期開采的開拓系統(tǒng)較簡單，井下通風(fēng)構(gòu)筑物布置相對簡單。二期開采范圍為1 475～1 275m(即四中段以下)。二期開采過程中，礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要存在如下問題。

(1)漏風(fēng)嚴(yán)重。由于一期工程形成的采空區(qū)部分未封閉，漏風(fēng)嚴(yán)重。

(2)通風(fēng)線路長，阻力大。礦井通風(fēng)系統(tǒng)未合理地布置通風(fēng)構(gòu)筑物，導(dǎo)致礦井通風(fēng)線路長，通風(fēng)阻力大，局部存在角聯(lián)現(xiàn)象。

(3)通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜。礦井掘進(jìn)工作面多，井下需風(fēng)工作面點(diǎn)多面廣，致使礦井通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜。

以上問題導(dǎo)致勞動生產(chǎn)率下降，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益降低。因此，必須對礦山的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化改造。

4 礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

(1)封閉廢棄巷道。為提高礦井的局部通風(fēng)效果，對井下廢棄的巷道進(jìn)行封閉，有效避免漏風(fēng)，確保井下各需風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)量要求。

(2)縮短通風(fēng)線路，減小通風(fēng)阻力。在礦井的東、西兩礦區(qū)的中部設(shè)置一條進(jìn)風(fēng)井，使礦井東、西兩礦區(qū)采掘工作面均形成獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，有效縮短通風(fēng)線路，減小通風(fēng)阻力。

(3)合理布置通風(fēng)構(gòu)筑物。井下需風(fēng)點(diǎn)隨開采進(jìn)度而變化，為滿足井下各中段需風(fēng)點(diǎn)用風(fēng)量，通過合理布置通風(fēng)構(gòu)筑物確保新鮮風(fēng)流送入井下并按需要分配到每個(gè)工作面。

根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造的內(nèi)容，擬定以下2種優(yōu)化方案。

方案一：新建盲主井方案。將原盲主井改造成盲副井，盲副井負(fù)擔(dān)廢石、人員、設(shè)備材料的提升及下放，同時(shí)兼作進(jìn)風(fēng)井。同時(shí)在300線附近新建盲主井，盲主井在1 535～1 275m各中段設(shè)置馬頭門，負(fù)擔(dān)礦石提升，同時(shí)兼作進(jìn)風(fēng)井。

方案二:新建盲副井方案。在300線附近新建盲副井，盲副井在1 535～1 275m各中段設(shè)置馬頭門，負(fù)擔(dān)廢石、人員、設(shè)備材料的提升及下放，同時(shí)兼作進(jìn)風(fēng)井。原盲主井繼續(xù)利用。

4.2 構(gòu)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)模型

①在CAD中繪制礦井通風(fēng)系統(tǒng)的單線圖并保存為.dxf格式；②在Ventsim軟件中導(dǎo)入礦井通風(fēng)系統(tǒng)單線圖形成三維通風(fēng)系統(tǒng)圖；③將現(xiàn)場測定的巷道斷面尺寸、摩擦阻力系數(shù)等基本數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)軟件；④運(yùn)行“風(fēng)流模擬”檢測整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，將重復(fù)、末端未閉合的風(fēng)路進(jìn)行修改。最終形成的礦井三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖1，方案一礦井通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示，方案二礦井通風(fēng)系統(tǒng)模擬如圖3所示。

不同通風(fēng)方案比較見表1。

方案一的主要優(yōu)點(diǎn)：①改造費(fèi)用少，電費(fèi)省，通風(fēng)線路短，通風(fēng)阻力?。虎谕L(fēng)順暢，便于生產(chǎn)過程中的通風(fēng)管理；③盲主井與已有明主井的距離短，礦石運(yùn)輸費(fèi)用??；④若井下發(fā)生危險(xiǎn)，盲副井作為井下安全出口距北風(fēng)井近，可縮短逃生及應(yīng)急救援線路。

圖1 礦井三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖2 方案一礦井通風(fēng)系統(tǒng)模擬圖

圖3 方案二礦井通風(fēng)系統(tǒng)模擬圖

5 結(jié)語

通過利用Ventsim礦井通風(fēng)軟件對某銅礦二期通風(fēng)系統(tǒng)方案的模擬和優(yōu)化，可得到如下結(jié)論。

(1)運(yùn)用Ventsim軟件建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)模型，能以三維形式直觀展示礦井通風(fēng)狀態(tài)，同時(shí)能方便、快捷地查詢各條風(fēng)路通風(fēng)參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)從二維向三維的轉(zhuǎn)化。

表1 通風(fēng)方案比較表

(2)運(yùn)用Ventsim軟件能快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算、風(fēng)量按需分配，同時(shí)可以模擬任何時(shí)期的通風(fēng)狀態(tài)，大大提高通風(fēng)設(shè)計(jì)工作效率。

(3)根據(jù)風(fēng)路的風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)壓等參數(shù)能快速判斷各風(fēng)路的斷面是否符合通風(fēng)安全要求，同時(shí)可為各風(fēng)路推薦經(jīng)濟(jì)斷面，為斷面設(shè)計(jì)提供參考并節(jié)省井巷投資。

(4)運(yùn)用Ventsim軟件能快速地優(yōu)選風(fēng)機(jī)，并能進(jìn)行風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況分析，隨著礦體開采變化實(shí)時(shí)、動態(tài)地調(diào)節(jié)礦井通風(fēng)系統(tǒng)，便于礦山通風(fēng)管理人員在生產(chǎn)過程中對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)管理。

[1] 吳 超.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)[M].長沙:中南大學(xué)出版社，2008.

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Application of Ventsim software in the design of mine ventilation system

In view of problems existing in ventilation system in the second phase mining of a copper mine, two kinds of ventilation design schemes were put forward, and Ventsim software was used for the wind network calculation and dynamic simulation. Through the simulation and comparison of ventilation design schemes, the optimum ventilation plan was determined. The optimization design of the ventilation system was achieved, and good effect was obtained.

Ventsim; 3D modeling; optimization design; wind network calculation

1672-609X(2017)02-0011-03

TD724

A

2016-11-22

張國勝(1974-)，男，甘肅天水人，高級工程師，主要從事礦床開采應(yīng)用及采礦設(shè)計(jì)方面的研究工作。