基于Ventsim張莊鐵礦通風系統的模擬*

劉召勝 張 華 郭子源 周 育

(1.中冶北方工程技術有限公司;2.安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司)

近年來，由于淺地表礦產資源消耗殆盡，我國礦山逐步進入深井開采階段，高地溫是深井開采所面臨的主要問題之一［1］。隨著開采深度的增加、地溫增高，礦井通風系統越來越復雜。通風網絡解算及風機選擇一直是礦山工程人員的關注重點，對于大型礦山，傳統的風網解算程序能夠實現，但難以操作且交互性差。

本文根據馬鋼張莊鐵礦開拓系統，確定了礦山通風方式和通風機站位置，通過Ventsim建立了該礦三維通風系統，分別在不同降溫風速和不同巷道摩阻系數下情況下，對通風網絡進行解算，得到各通風機站的風量及風壓值。分析降溫風速、摩阻系數與通風機站風壓之間的關系，得到了規律性的結論，對張莊鐵礦及類似礦山的風網解算及風機的選擇提供參考。

1 礦山概況

馬鋼張莊鐵礦位于安徽省霍邱縣城西北31 km，地處周集鎮和馮井鎮之間，北距淮河10 km、阜陽45 km。設計生產能力500萬t/a，采用主副井集中開拓，分兩期開采。采礦階段高度為60 m，一期工程開采階段為－210～－450 m，共4個采礦階段;二期開采－450～－690 m階段。－690 m階段以下礦體與深部補勘后的礦體一起列入三期開采范圍。開采順序為上向開采，首采階段為－450 m。

2 礦山通風系統

2.1 通風方式及機站位置確定

根據礦體賦存條件及開拓系統主副井位置布置狀況及礦體開采順序等因素，采用多級機站通風方式，兩翼對角式通風系統。副井、進風井、措施井進風，南、北回風井回風。井下劃分為鑿巖水平、出礦水平、運輸水平、溜破系統4個通風區［2］。

機站分3級設置，出礦水平和鑿巖水平副井石門、進風井石門設Ⅰ級機站;出礦水平、鑿巖水平各盤區回風巷聯絡道設Ⅱ級機站;南、北回風井回風石門設Ⅲ級機站。機站詳細位置如表1所示。

表1 張莊鐵礦機站位置分布

2.2 風量計算

井下通風風量要滿足井下工作面作業條件，由于該礦地溫較高，需按照通風降溫計算所需風量［3］。以降溫風速1 m/s為例，礦井總需風量計算如表2所示。

按表2，分別計算降溫風速為0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 m/s時礦山的總需風量，得到降溫風速與總需風量的關系曲線，如圖1所示。

2.3 通風網絡模型建立

在AutoCAD中對各水平施工圖進行簡化處理，清除建立網絡模型沒有影響或影響很小的工程，并賦標高，形成礦井通風系統三維模型［4-5］。將模型導入到Ventsim軟件中，對巷道斷面尺寸、巷道風阻、局部阻力、是否連接地表及末端是否閉合等風路屬性參數進行設置(圖2)，形成張莊鐵礦三維通風網絡模型(圖3)。

表2 風量計算

圖1 降溫風速與總需風量關系

3 風網模擬解算

3.1 模擬方案介紹

風機風壓是風機選型的主要參數之一，為研究通風機站處風壓與降溫風速和摩阻系數之間的關系，分別對降溫風速為 0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 m/s，摩阻系數為 0.01，0.012，0.014 Ns2/m4情況下的通風網絡進行解算，共18個方案。

3.2 風量分配

由圖3可知，礦井風流通過南、北回風井排出地表，主要對南北回風井石門分風量方式進行通風模擬。礦井總風量確定后，根據南北采區及上下水平需風點比例，確定南北回風井及回風石門的分風量比例［6］。根據張莊鐵礦實際情況，南北回風井石門的分風比例如表3所示。

3.3 模擬結果

分風計算后，按各模擬方案分別設置各回風石門處回風量及巷道摩阻系數，并進行通風模擬［7］。

圖2 風路屬性參數設置

圖3 張莊鐵礦通風網絡模型

表3 各回風石門分風量比例 %

由于篇幅所限，只列出摩阻系數為0.012 Ns2/m4、降溫風速為1.0 m/s時的模擬結果，如圖4所示。由前文可知，礦山所設機站較多，模擬結果不便全部列出，由表3可知，－450 m南回風井石門負擔較大的回風量，只對此處通風機站(8#機站)風機全壓、風機電機功率與降溫風速和摩阻系數的關系進行研究。8#機站各方案風機風壓及電機功率如表4所示。

圖4 降溫風速為1.0 m/s、摩阻系數為0.012 Ns2/m4時通風模擬風量分布

4 模擬結果分析

4.1 風機全壓與降溫風速、摩阻系數的關系

不同摩阻系數風機全壓與降溫風速之間的關系曲線如圖5所示。由圖5可知，當摩阻系數相同時，風機全壓值隨降溫風速增大而增加，呈非線性關系［8］;曲線在風速為0.6和1.0 m/s處出現拐點，在1.0 m/s時增幅明顯增加。不同降溫風速風機全壓與摩阻系數之間的關系曲線如圖6所示。由圖6可知，當降溫風速相同時，風機全壓值隨摩阻系數增大而增加，呈線性關系，曲線較為平緩，增長率較小;當降溫風速為0.4和0.6 m/s時曲線近乎水平，隨降溫風速增加，增長率有所增加，總體增長趨勢較平均。

表4 8#機站不同降溫風速和摩阻系數情況下的風機全壓及電機功率

圖5 不同摩阻系數風機全壓與降溫風速之間的關系

4.2 風機電機功率與降溫風速、摩阻系數關系

不同摩阻系數風機電機功率與降溫風速之間的關系曲線如圖7所示。不同降溫風速風機電機功率與摩阻系數之間的關系曲線如圖8所示。

由圖7可知，當摩阻系數一定時，風機電機功率隨降溫風速增加而增大，呈非線性關系。曲線在不同降溫風速值處都出現拐點，增長率逐漸增大［9］;當風速為1.0 m/s時，曲線斜率明顯增加，說明當降溫風速超過1.0 m/s時，風機電機功率增加顯著。

圖6 不同降溫風速風機全壓與摩阻系數之間的關系

圖7 不同摩阻系數風機電機功率與降溫風速之間的關系

圖8 不同降溫風速風機電機功率與摩阻系數之間的關系

由圖8可知，當降溫風速一定時，風機電機功率隨摩阻系數增加而增大，且呈線性關系;當降溫風速不大于0.8 m/s，風機電機功率較低，且增長幅度較小;當風速從0.8 m/s增長至1.4 m/s時，風機電機功率顯著增高;當降溫風速為1.4 m/s時，電機功率最大達1010.2 kW。

由上述分析可知，降溫風速對風機風壓和電機功率的影響較摩阻系數對其的影響大，當降溫風速超過1.0 m/s時，風機風壓和電機功率增加明顯。

4.3 通風效果分析

由各方案模擬結果的風量分布圖可知，當降溫風速低于1.0 m/s時，－480 m運輸水平巷道風量分布大部分低于8.1 m3/s，通風效果較差［10］;當風速為1.0 m/s及以上時，礦山整體通風效果良好，但仍有部分風路風量較小，最小風量為0.2 m3/s，主要位于－480 m運輸水平北端巷道和部分通風短路巷道。分析原因主要為－480 m水平沒有直接與回風井連接，且該處風路較長，在實際生產時可在該條風路一端增加局扇通風。

5 結論

通過應用Ventsim軟件對張莊鐵礦通風系統的模擬及分析，可得到以下結論:

(1)風機全壓和風機電機功率隨降溫風速的增加呈非線性增長，且增長幅度逐漸增大;隨摩阻系數的增大呈線性增長，降溫風速變化對其的影響較摩阻系數大。

(2)降溫風速低于1.0 m/s時，礦山整體通風效果較差;降溫風速為1.0 m/s及以上時，通風效果良好，但當降溫風速大于1.0 m/s時風機全壓和風機電機功率都明顯增加，通風成本增大。因此，礦山降溫風速選擇為1.0 m/s。8#機站風機全壓選擇為2000～2500 Pa，風機電機功率選擇為300～380 kW，其他機站風機的選取方法與8#機站相同。

(3)礦山通風較為困難的風路主要位于－480 m運輸水平北端巷道，實際生產過程中可在其端部增加局扇，以加強通風。

(4)將研究結果與其他通風解算程序結果進行對比，模擬結果較為準確，可作為張莊鐵礦風機選型的依據，為類似礦山通風系統解算分析提供了參考。

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