摘要：井下通风系统作为矿山八大系统之一，是安全生产的重中之重，而风机选型则是决定通风系统运行是否流畅的关键所在。针对甘肃某铅锌矿井下采空区较多，采场与开拓工程设置集中的生产特点，设计将原有的“两翼进风、中央回风”改为“中央进风、两翼回风”的中央对角式通风系统。采用Ventsim仿真软件建立矿山三维通风模型，根据不同生产中段、生产采场求解不同时期的通风阻力，从而为风机选型提供重要的理论依据。
关键词：中央对角式通风;Ventsim仿真软件;阻力解算;三维通风模型;风机选型
中图分类号：TD72 文章编号：1001-1277（2022）06-0040-05
文献标志码：Adoi：10.11792/hj20220609
引 言
矿井通风是矿山生产过程中的重要一环，负责输送新鲜风流、排出污风等任务，其运行状态将直接影响矿山的安全生产和经济效益[1]。另一方面，风机是通风系统的灵魂中枢，直接决定了通风的效果是否能达到或者满足设计需求。因此，如何通过现有矿山资料，计算不同时期的通风阻力，进而进行风机选型是众多矿山的生产刚需。目前，有研究者发现通过Ventsim仿真软件，可以对矿井巷道风流的风量、风速及阻力进行模拟，以达到通风系统优化的目标[2]。其中，聂军等[3]提出了“三进两回”通风系统优化方案，并基于Ventsim对通风优化方案进行模拟分析，对其优化效果进行了论证。石乃敏[4]针对某地下矿井深部风量小、能耗高、气温高等通风问题，对通风参数进行实际测量，并建立了该矿山的Ventsim三维通风仿真系统，对通风现状进行了模拟，使这些问题得到有效改善，从而达到安全生产的要求。本文在甘肃某铅锌矿通风方式优化的基础上，利用Ventsim仿真软件对其不同时期的通风阻力进行验算，从而进行风机选型等，为矿山通风系统优化提供理论依据。
1 矿井通风系统优化
1.1 原通风系统
甘肃某铅锌矿地处陇南，由多个老矿山重组而成，由于历史遗留问题且多年采用空场采矿法开采，致使现有采空区体积已超280万m3。而井下采空区分布杂乱无章，不仅极易造成采空区冒顶、坍塌等安全事故，且给通风系统的贯通带来巨大挑战。目前，该铅锌矿生产采场主要集中在860 m、890 m、960 m、1 000 m、1 090 m、1 120 m这6个中段，生产能力约100万t/a。
原通风系统主要采用两翼多路入风、中央回风的机械抽出式通风方式（见图1）。主要进风点为天洛1 150 m平硐之5A斜井和9勘探线斜井、洛坝1 180 m平硐之盲竖井和16#斜井、洛坝3#坑、3#主斜井及沙坝3#斜井，设计总进风量为168 m3/s。污风依次通过9#斜井、1 120 m回风平巷、回风天井、1 162 m回风平巷、设计1 230 m回风斜井到达地表。采用两级机站通风，一级机站设置在1 230 m总回风斜井坑口处，二级机站采用按需分风网络，设置在1 090 m、1 060 m、1 030 m中段入风口处。一级机站设置2台K45-6-NO19型风机并联，风机所配电动机型号为Y355M3-6，功率200 kW;二级机站在相应中段入风口各设置1台K40-6-NO16型风机，风机所配电动机型号为Y280M-6，功率55 kW。但是，经过矿井实际调查观测与分析，该铅锌矿通风系统存在以下问题：
1）参考国内同类型矿山生产经验，100万t/a的生产规模总用风量应为200 m3/s左右。矿山目前采场个数仅为30个，其中回采矿块24个（浅孔留矿采矿法10个、浅孔房柱采矿法4个、中深孔房柱采矿法5个和垂直走向布置分段空场采矿法5个），备采矿块6个（浅孔留矿采矿法2个、浅孔房柱采矿法2个、中深孔房柱采矿法1个和垂直走向布置分段空场采矿法1个），按照目前的生产规模，远远达不到产能。以当前生产工艺，为满足100万t/a产能要求，采场需要将近100个。因此，其风量计算值（168 m3/s）偏小。
2）矿区面积大、走向长，主要的开拓工程和采场均集中在矿区中部，采用两翼多路入风、中央回风的方式，污风极易污染中部采场和巷道，进而影响生产作业安全[5]。
3）矿山采空区规模庞大、数量众多，漏风和风量短路现象突出，而回风井距离主进风井（洛坝3#、1#平硐）较近，更易诱发风流短路现象，容易造成两翼采場风量不足。
4）部分中段仅有一条斜井与上部中段贯通（如洛坝1 090 m中段、沙坝918 m中段），实际生产过程中此斜井既进风又回风，通风效果差。
5）两翼进风、中央回风的通风方式一般用于两翼走向较短的集中矿区，矿体走向长度超过2 000 m，采用此种通风方式通风效果较差。
1.2 优化后的通风系统
针对矿山中部开拓工程与采场较为集中的特点，推荐采用洛坝3#、1#平硐进风，沙坝3#斜井、虎头山斜井和天洛1 150 m平硐回风的“中央进风、两翼回风”的中央对角式通风系统，通风方式为抽出式，见图2。
由图2可知，现有通风各中段通风线路（以1 090 m中段为例）为：
1）新鲜风流由1 180 m平硐→盲副井→1 090 m中段→工作面→污风→1#回风天井、5A斜井→1 120 m水平→沙坝3#斜井、9A斜井、1 150 m平硐。
2）新鲜风流由洛坝3#斜井→1 120 m水平→斜坡道→1 090 m中段→工作面→污风→1#回风天井、5A斜井→1 120 m水平→沙坝3#斜井、7A斜井、1 150 m平硐。
3）新鲜风流由进风斜井→1 120 m水平→18#斜井→1 090 m中段→工作面→污风→1#回风天井、5A斜井→1 120 m水平→沙坝3#斜井、7A斜井、1 150 m平硐。
2 Ventsim 仿真模拟及计算
2.1 三维通风仿真模型建立
以该铅锌矿开拓系统及主巷的CAD实测图、各个巷道的断面图及风门设置资料等作为建模原始数据，采用Ventsim仿真软件进行建模（见图3），步骤如下：
1）在CAD中描出主要进、回风通道的巷道中心线，并将其连接起来，然后根据所在水平赋予对应的标高。
2）将连接好的原始通风系统图层以dxf 格式导入Ventsim系统中，形成初步的三维通风系统图。
3）根据矿山提供的原始数据对每条巷道进行参数输入，包括各巷道的周长、断面面积、风阻系数等基本参数。
4）考虑作业面分风需要，并为减少因负压不平衡而产生风量分配不合理的现象，拟在各主要需风岔口和回风联络道中设置测风站和活动式调节风门，根据实测差值调节风量。生产中，随采掘面转移应及时密闭采空区通道和调整通风系统，以减少漏风并适应作业面转移时的通风需要。
5）在Ventsim仿真软件中设置矿井总需风量及各中段的按需分配风量后，对通风系统进行网络解算，得出各巷道通风阻力、通风风量、风阻等参数。
2.2 通风网络解算分析
一般而言，在矿井主扇的整个服务年限内，矿井通风总阻力随着生产中段的下降（即开采深度的增加）而增大。为了使最终选定的矿井主扇在整个服务年限内均能在合理的、较高的效率范围内实际运转，选择主扇时必须以最大的矿井通风总阻力和最小的矿井通风总阻力作为依据。主扇服务年限内，最大的矿井通风总阻力称为困难时期的通风阻力，而最小的矿井通风总阻力称为容易时期的通风阻力。进行矿井通风总阻力计算的具体做法是：分别计算每个中段的通风线路总摩擦阻力，从而得到最大及最小中段总摩擦阻力。由此，通过Ventsim仿真软件分别对每个中段的通风阻力进行解算，其中，860 m中段通风解算结果见图4。
以860 m中段的1 180 m平硐至沙坝3#斜井通风路径为例，得到该中段该路径下的通风阻力解算结果，见表1。
采用Ventsim仿真软件分别对每个中段的通风阻力进行解算，结果如下：
1）860 m中段。1 180 m平硐至1 150 m平硐路
径通风的总摩擦阻力为2 120.24 Pa，1 180 m平硐至沙坝3#斜井路径通风的总摩擦阻力為1 983.60 Pa。
2）890 m中段。1 180 m平硐至1 150 m平硐路径通风的总摩擦阻力为2 010.40 Pa，1 180 m平硐至沙坝3#斜井路径通风的总摩擦阻力为1 979.90 Pa。
3）960 m中段。1 180 m平硐至1 150 m平硐路径通风的总摩擦阻力为1 324.55 Pa，1 180 m平硐至沙坝3#斜井路径通风的总摩擦阻力为1 582.30 Pa。
4）1 000 m中段。主斜坡道至1 150 m平硐路径通风的总摩擦阻力为1 906.80 Pa，主斜坡道至沙坝3#斜井路径通风的总摩擦阻力为1 880.00 Pa。
5）1 090 m中段。主斜坡道至1 150 m平硐路径通风的总摩擦阻力为1 314.81 Pa，主斜坡道至沙坝3#斜井路径通风的总摩擦阻力为1 582.40 Pa。
6）1 120 m中段。主斜坡道至1 150 m平硐路径通风的总摩擦阻力为1 298.08 Pa，主斜坡道至沙坝3#斜井路径通风的总摩擦阻力为1 582.30 Pa。
由以上解算结果可知：通风的总摩擦阻力为1 298.08～2 120.24 Pa，因此在风机选择上必须满足该风压及矿山需要的风量。根据验算，现有风机型号为K45-6-NO19（见表2），其风量、风压均满足优化后的通风要求，风机布置在回风井井口及进风井井底，通风方式采用抽出式。局部通风地点主要有采场、掘进、喷锚支护工作面和各类硐室等。采掘工作面和各类硐室视需风量大小和线路长短，采用局扇进行风量调节和辅助通风，型号为K40-6-NO16，满足设计要求。
3 结 论
1）甘肃某铅锌矿由于历史遗留问题，导致采空区密布，井下串风、漏风情况突出，严重影响了该铅锌矿的安全生产。基于此，对其通风方式进行了优化，从“两翼进风，中央回风”的通风方式优化为“中央进风，两翼回风”的中央对角式通风系统。
2）基于Ventsim仿真软件及矿山实测资料，建立三维通风仿真模型，对各生产中段不同回风路径下的通风阻力进行了解算。根据解算结果，通风总摩擦阻力为1 298.08～2 120.24 Pa，即容易时期通风阻力为1 298.08 Pa，困难时期通风阻力为2 120.24 Pa。
3）根据通风网络解算结果，对现有风机进行了能力校核，发现现有风机能够满足通风系统需求。因此，在充分利用现有风机的基础上，仅需改变通风方式，就能够有效改善井下通风环境，并减少设备采购等不必要的投资。
[参 考 文 献][1] 黄传宝，盛佳，李向东，等.基于Ventsim系统的多中段通风系统优化研究[J].采矿技术，2018，18（5）：63-66.
[2] 王明建，陈健，黄文争.基于Ventsim仿真系统的矿井通风系统优化[J].煤，2021，30（1）：51-55.
[3] 聂军，陈新.基于Ventsim的矿井通风系统优化及应用[J].黄金，2021，42（5）：29-34.
[4] 石乃敏.Ventsim软件在某深部矿体通风系统优化中的应用[J].矿业工程，2018，16（6）：52-56.
[5] 吴超.矿井通风与空气调节[M].长沙：中南大学出版社，2008.
Calculation of ventilation resistance in different periods of a lead-zinc mine based on Ventsim
Shen Yanyuan
（Yiyang Geo-environmental Monitoring Station）
Abstract：As one of the eight mine systems，underground ventilation system is the top priority for safe production，while the selection of fans is the key point to determine whether the ventilation system operates smoothly.In view of the production features such as excessive underground goafs and concentrated layout of stopes and development projects in a lead-zinc mine in Gansu，the original ventilation system "air inlet for two wings and air return for the center" has shifted to "air inlet for the center and air return for two wings" central diagonal type ventilation system by design.Ventsim simulation software was used to establish a three-dimensional ventilation model，which calculated ventilation resistance of different periods based on different production levels and stopes，so as to provide an important theoretical basis for the selection of fans.
Keywords：central diagonal ventilation;Ventsim simulation software;resistance calculation;three-dimensional ventilation model;fan selection
收稿日期：2022-01-20; 修回日期：2022-04-30
作者簡介：申燕元（1988—），女，湖南益阳人，工程师，硕士，从事矿产资源保护、矿产资源储量评价及绿色矿山建设等工作;湖南省益阳市龙洲南路229号，益阳市地质环境监测站，413000;E-mail：451966983@qq.com