馬艷玲

摘要：為確保JAMA銅礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)全生命周期達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，采用Ventsim礦井通風(fēng)三維仿真軟件對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，通過(guò)對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵井巷的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)選，發(fā)現(xiàn)超大型礦山通風(fēng)系統(tǒng)具有非常大的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化潛力，可供同類型礦山參考借鑒。

關(guān)鍵詞：Ventsim；礦井通風(fēng)系統(tǒng)；全局經(jīng)濟(jì)性；井巷結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬

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

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230508

礦井通風(fēng)在礦山全生命周期生產(chǎn)活動(dòng)中所占的成本比重較大，在以往設(shè)計(jì)階段，風(fēng)速合規(guī)和采礦方面的需求作為井巷結(jié)構(gòu)尺寸選擇的條件［1］，因缺少科學(xué)先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)井巷工程結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性論證，導(dǎo)致系統(tǒng)在全生命周期中綜合成本過(guò)高。這一潛在的成本增加往往被設(shè)計(jì)單位及礦山企業(yè)所忽視［2］。本文借助Ventsim礦井通風(fēng)三維仿真軟件對(duì)國(guó)外某超大型礦山初步設(shè)計(jì)方案及全生命周期進(jìn)行深度經(jīng)濟(jì)性論證并優(yōu)化，達(dá)到系統(tǒng)全生命周期投資最低，具有非常高的推廣價(jià)值。

1工程背景

JAMA銅礦項(xiàng)目位于塞爾維亞共和國(guó)Bor城附近。該礦山為露天轉(zhuǎn)地下開采，老系統(tǒng)目前開采最深標(biāo)高為-150 m，年生產(chǎn)能力為66萬(wàn)t，采用南北主副井開拓，礦體中央布置回風(fēng)井，副井主要運(yùn)輸人員、材料及設(shè)備，主井箕斗提升礦石。目前，國(guó)內(nèi)礦業(yè)公司對(duì)其進(jìn)行收購(gòu)，并規(guī)劃對(duì)BR礦體進(jìn)行開發(fā)建設(shè)。該礦體為巨大的斑巖型銅礦體，礦體傾角45°～55°，走向長(zhǎng)約1 450 m，寬約360 m，垂向延伸約1 400 m，賦存標(biāo)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(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1 850萬(wàn)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(jiàn)圖1）。礦井通風(fēng)系統(tǒng)主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)總裝機(jī)功率為4 776 kW，年通風(fēng)費(fèi)用高昂，因此需要對(duì)該礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到安全高效開采的目的。

Ventsim礦井通風(fēng)三維仿真軟件作為通風(fēng)領(lǐng)域最為先進(jìn)的軟件系統(tǒng)，所提供的功能包括：三維通風(fēng)設(shè)計(jì)、風(fēng)網(wǎng)解算、風(fēng)機(jī)選型和通風(fēng)過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬等，高級(jí)功能提供熱模擬、污染物擴(kuò)散模擬，以及通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性分析工具，在三維可視化的環(huán)境中對(duì)通風(fēng)方法的合理性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行模擬，在保證通風(fēng)安全的前提下節(jié)約通風(fēng)成本［3-4］。Ventsim礦井通風(fēng)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(jiǎn)單易學(xué)。

2）可非常方便地對(duì)風(fēng)流、壓力、通風(fēng)成本和其他通風(fēng)相關(guān)的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行建模；熱流、濕度及降溫過(guò)程建模和三維模擬。

3）提供直觀的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工具，合理減少通風(fēng)和采礦成本。

4）粉塵和污染物擴(kuò)散模擬。

5）支持風(fēng)路規(guī)模優(yōu)化和風(fēng)機(jī)選型。

2礦井通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化實(shí)踐

2.1通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

井下采用進(jìn)風(fēng)井、原副井-盲進(jìn)風(fēng)井、新副井和膠帶斜井（兼斜坡道）進(jìn)風(fēng)，1#回風(fēng)井和2#回風(fēng)井出風(fēng)的對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)。新鮮風(fēng)流經(jīng)進(jìn)風(fēng)井、原副井-盲進(jìn)風(fēng)井、新副井和膠帶斜井（斜坡道）進(jìn)入井下各水平，沖刷工作面后，污風(fēng)分別匯入1#回風(fēng)井和2#回風(fēng)井，最后排出地表。設(shè)計(jì)總需風(fēng)量為970 m3/s。通風(fēng)方式為負(fù)壓抽出式，回風(fēng)井地表布置主通風(fēng)機(jī)。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要通風(fēng)路線為：副井、風(fēng)井、斜坡道→-434 m拉底水平→-450 m出礦水平→-470 m專用回風(fēng)水平→1#、2#回風(fēng)井→地表；副井、風(fēng)井、斜坡道→-500 m運(yùn)輸水平→1#、2#回風(fēng)井→地表。

2.2通風(fēng)系統(tǒng)全局經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化

1）Ventsim礦井通風(fēng)三維仿真軟件全局經(jīng)濟(jì)性功能模塊可以快速地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行井巷結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選，新系統(tǒng)全局經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化由以下幾個(gè)步驟構(gòu)成：步驟一，模型構(gòu)建及基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置；步驟二，基于設(shè)計(jì)模型提出框架性的方案，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化及分析；步驟三，模擬分析出最優(yōu)巷道結(jié)構(gòu)參數(shù)并進(jìn)行調(diào)整；步驟四，模擬并確定新方案主通風(fēng)機(jī)的工況參數(shù)及運(yùn)行成本；步驟五，新方案與原方案綜合對(duì)比，確定方案可行性及經(jīng)濟(jì)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(gòu)建及基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置。

（1）將實(shí)測(cè)或設(shè)計(jì)巷道工程CAD圖件，通過(guò)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(fēng)三維仿真軟件，點(diǎn)擊文件→導(dǎo)入，需要勾選設(shè)置的主要有：轉(zhuǎn)換為實(shí)體巷道，需要導(dǎo)入的中線圖層，設(shè)置Z值標(biāo)高。注意：CAD圖件要調(diào)整至原坐標(biāo)，防止因坐標(biāo)偏移導(dǎo)致導(dǎo)入的圖形發(fā)生嚴(yán)重偏移。豎井工程采用“繪制風(fēng)路”里的坐標(biāo)繪制。巷道導(dǎo)入具體參數(shù)見(jiàn)圖2。

（2）將導(dǎo)入的圖件在Ventsim礦井通風(fēng)三維仿真軟件中進(jìn)行巷道參數(shù)編輯，需要編輯的巷道參數(shù)主要有：結(jié)構(gòu)尺寸、摩擦阻力系數(shù)、梯度，與地表貫通需要進(jìn)行框選，獨(dú)頭巷道需要框選末端不閉合，其他參數(shù)結(jié)合巷道實(shí)際情況進(jìn)行修訂。具體設(shè)置見(jiàn)圖3。

（3）框選所有井巷，點(diǎn)擊工具，風(fēng)網(wǎng)處理工具，框選綁定，框選簡(jiǎn)化，框選重復(fù)項(xiàng)搜索，點(diǎn)擊確定，確保風(fēng)網(wǎng)處于連接狀態(tài)，最后點(diǎn)擊模擬，成功后風(fēng)網(wǎng)模型處理完畢。

（4）按照設(shè)計(jì)選型在模型中植入風(fēng)機(jī)，選中需要植入的井巷并點(diǎn)選快捷鍵F，調(diào)出風(fēng)機(jī)編輯界面，框選風(fēng)機(jī)，點(diǎn)擊下方編輯風(fēng)機(jī)曲線（在此過(guò)程中要收集到選型的風(fēng)機(jī)特性曲線），點(diǎn)擊文件新建，將風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)安裝角度的特性曲線填入風(fēng)量風(fēng)壓表格中，空氣密度按照海拔高度推算設(shè)置，反轉(zhuǎn)風(fēng)量調(diào)整至0.6 m3/s，反轉(zhuǎn)風(fēng)壓調(diào)整至0.6 Pa，點(diǎn)擊文件保存。注意：新的礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化時(shí)應(yīng)按設(shè)計(jì)的固定風(fēng)量進(jìn)行模擬，確定工況參數(shù)后進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型配置。具體見(jiàn)圖4。

（5）經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置。通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化主要目的是尋求基建投資與全生命周期運(yùn)行期間總成本最低?；ㄍ顿Y主要包括井巷工程造價(jià)；全生命周期運(yùn)行成本主要包括主通風(fēng)機(jī)采購(gòu)成本、風(fēng)機(jī)運(yùn)行的能耗成本等［5］。具體操作如下：點(diǎn)擊系統(tǒng)設(shè)置，成本、采礦、功率，出現(xiàn)下拉菜單后按照該項(xiàng)目屬地的造價(jià)成本輸入設(shè)置，其中風(fēng)機(jī)成本一般在1 000～1 500元/kW。具體見(jiàn)圖5。

2.3框架性方案

通過(guò)專家研討及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際踏勘，發(fā)現(xiàn)盲進(jìn)風(fēng)井在國(guó)外施工難度大，造價(jià)成本高昂，在新的礦井通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)劃中起到增加進(jìn)風(fēng)斷面、降低通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)貫通替代盲進(jìn)風(fēng)井。具體為：

1）-13.5 m老副井馬頭門增加聯(lián)絡(luò)巷道貫通新副井，-75 m增加聯(lián)絡(luò)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(shè)計(jì)-450 m出礦水平污風(fēng)通過(guò)回風(fēng)井排至-470 m專用回風(fēng)水平，最終由回風(fēng)井排出至地表，因此，-450 m回風(fēng)巷道工程無(wú)使用意義。

2.4全局經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化結(jié)果

對(duì)原有模型進(jìn)行調(diào)整，盲風(fēng)井及需要優(yōu)化的巷道可通過(guò)密閉的方式替代，點(diǎn)擊經(jīng)濟(jì)性全局模擬，具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化價(jià)值的巷道在模型中開始閃動(dòng)，雙擊“風(fēng)路已優(yōu)化”對(duì)話框中的風(fēng)路，即可彈出右側(cè)對(duì)話框，推薦巷道結(jié)構(gòu)尺寸及通風(fēng)功率。按推薦的巷道結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行全局調(diào)整。全局經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖6。

2.6不同方案基建及運(yùn)行成本對(duì)比

通過(guò)優(yōu)化后的工程對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用深度優(yōu)化后無(wú)盲風(fēng)井方案比有盲風(fēng)井方案工程投入可降低約474.0萬(wàn)元（未計(jì)算井下盲豎井施工時(shí)輔助硐室工程成本），具體見(jiàn)表2。

采用不施工盲進(jìn)風(fēng)井深度優(yōu)化后與施工盲進(jìn)風(fēng)井2種不同方案，在15年全生命周期運(yùn)行進(jìn)行對(duì)比。礦井通風(fēng)總投入成本主要包括：井巷工程成本、通風(fēng)設(shè)施設(shè)備購(gòu)置成本、15年運(yùn)行期間主通風(fēng)機(jī)能耗成本。工程可降低成本474.0萬(wàn)元；-450 m回風(fēng)石門873.6 m，斷面面積19.4 m2，總成本1 694.78萬(wàn)元。

通風(fēng)設(shè)施設(shè)備維持原設(shè)計(jì)成本不變，15年主通風(fēng)機(jī)可降低能耗成本6 493.03萬(wàn)元，全局優(yōu)化后可降低礦井通風(fēng)總成本為8 661.7萬(wàn)元。

3結(jié)論

1）Vensim礦井通風(fēng)三維仿真軟件是一款科學(xué)有效的專業(yè)性軟件，為礦井通風(fēng)全局經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化提供了高效的解決方式，應(yīng)用前景廣闊，特別是對(duì)采用傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的新建大型礦山，通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化具有重要意義。

2）對(duì)全礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化還應(yīng)注意在調(diào)整方案后，各進(jìn)回風(fēng)通道風(fēng)速是否超標(biāo)及能否達(dá)到適宜生產(chǎn)作業(yè)的需求，項(xiàng)目?jī)?yōu)化過(guò)程也進(jìn)一步考慮了上述安全問(wèn)題。

3）礦井通風(fēng)費(fèi)用成本主要包括：基建工程投入、機(jī)電設(shè)備及運(yùn)行管理費(fèi)用、主通風(fēng)機(jī)多年運(yùn)行能耗費(fèi)用等。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化，以15年期的運(yùn)行成本作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，可降低總通風(fēng)成本約8 661.7萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益突出。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］徐學(xué)成.用數(shù)學(xué)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(fēng)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(fēng)仿真系統(tǒng)在金屬礦山的應(yīng)用［J］.金屬礦山，2010（10）：120-122.

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

［5］吳超.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2008：210-212.

［6］史煥一.限量并聯(lián)風(fēng)道的通風(fēng)阻力計(jì)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