张亚明，何水清，李国清，胡乃联

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.中国黄金国际资源有限公司，北京 100011)



基于Ventsim的高原矿井通风系统优化

张亚明1，何水清2，李国清1，胡乃联1

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.中国黄金国际资源有限公司，北京 100011)

摘要：与平原矿山相比，高原矿井具有空气稀薄、供氧不足、自然通风条件复杂多变等特点，直接导致了设备效率降低、巷道污染严重等现象，加大了通风网络解算与通风系统优化的复杂程度。为解决这一问题，以某高原矿山为案例背景，以高原适应性修正后的通风关键参数为基础，基于Ventsim软件搭建了通风系统的三维可视化模型和网络实时解算平台，设计了4种可行的通风方案并完成了各方案的通风效果解算与模拟。综合考虑有效性、经济合理性、稳定性、安全可靠性以及高原适用性等诸要素，利用层次分析法优选得到了适合该矿山的最优通风方案。优化后的方案在满足现场作业通风效果的同时，节约了通风成本，可以为该矿山通风系统的构建和管理提供支持。

关键词：高原矿井；通风系统优化；Ventsim；层次分析法

通风系统的主要作用是向井下输送新鲜空气，供井下作业人员呼吸，同时将井下作业产生的粉尘和有毒有害气体等排出地表，以改善井下环境，同时保证井下作业人员安全。因此通风系统的科学构建和可靠运转对矿山的安全生产具有重要的影响[1-2]。与平原通风技术相比，高原矿山井下通风具有大气压力低、氧气稀薄、设备效率低、施工人员供氧不足、自然通风条件复杂多变、巷道污染严重等特点[3-4]，这大大增加了通风系统设计的复杂程度，依靠手工计算很难完成井下通风系统的建设和优化。Ventsim软件是目前应用比较广泛的三维通风仿真系统，通过建立模型可以实现通风系统的三维仿真模拟，还可以对井下环境参数进行模拟分析[5]。Ventsim软件提供了风流模拟、污染物和有害气体的动态模拟、火灾模拟以及通风系统经济分析等功能[6]，在保证安全的情况下，实现通风系统的最优化，为矿山通风系统的管理提供支持。

目前国内外关于高原内容的研究主要集中在研究高原地质形成、高原医疗、高原隧道施工技术，而对于高原矿井的研究尚处于起步阶段，高原矿山企业的通风管理尚在摸索阶段，可供借鉴的经验很少，针对以上高原矿井通风的特点和难点，需要进行进一步研究。针对这一情况，根据高原矿井现有的资料，对某高原矿井通风系统进行分析，确定矿山采用的通风方式和通风现状，利用Ventsim建立矿山通风系统三维可视化模型，对矿山现有通风系统进行解算，根据解算结果，分析矿山通风系统所面临的问题，针对这些问题，提出合理的通风方案，解决井下的通风问题，利用层次分析法从这些合理的方案中选择出一个最优的通风方案，以改善井下作业环境，保证井下作业的安全。同时，此次研究对于今后高原矿井通风系统的研究具有一定的参考价值。

1矿山通风系统构建

1.1矿山概况

某金属矿山矿区海拔高度在4400m以上，开采方式为露天-地下联合开采，露天开采方式开采近地表矿石，地下开采采用空场嗣后充填法开采。其中地下开采主要采用竖井-斜坡道-平硐联合开拓，开采中段主要包括4400m、4450m、4479m等。

该金属矿山海拔较高，具有明显的高原矿山通风系统的特点，同时通风系统受季节影响较为明显。通风系统整体上采用中央对角式通风，系统中央布置一条主进风井，两侧各有一条回风井。另外，在4450m水平布置有南平硐和北平硐兼作通风巷道，在4532m水平设置一条斜井作为通风井。由于井下巷道复杂多变，风流流动混乱，设计将通风系统分为三部分，分别为两步骤空场嗣后充填法采区通风系统(一标段、二标段、三标段和其他)、溜破通风系统和运矿通风系统，这三个通风单元之间既相对独立，又相联系。各单元的进风与出风部分是共同的，而用风部分之间是相互平行的，从结构上尽力避免用风部分风流之间出现相互影响。

1.2基于Ventsim的三维通风仿真模型构建

根据矿山收集的资料和数据，利用CAD、Surpac软件对图纸进行处理，清除多余的巷道和对通风系统影响很小的系统，建立起通风系统的单线模型，将单线模型导入到Ventsim软件即可建立通风系统可视化模型，模型建立过程见图1，通风系统可视化模型见图2。

图1　通风系统可视化模型构建流程

图2　通风系统可视化模型

2高原矿井通风参数校核

矿山平均海拔高度为4470m，矿区平均大气压力为59.3kPa，仅为标准状况下的58.5%，空气密度为0.71kg/m3，与平原地区相比空气密度明显降低，大气压力和空气密度的降低导致井下氧气浓度严重下降，通风参数与平原地区也有所不同，因此在拟定通风方案前需要对通风参数进行校核。

2.1风机参数校核

对于高原矿井，因为空气密度较小，在运送相同的风量时，高原矿井的主扇所需要的风压和功率都较小，可以利用式(1)进行校核[7]。

(1)

2.2风机风流流量校核

根据风机的相似定律，若两台相似风机的风流流量关系可以通过式(2)得出[8]。

(2)

式中：Q1、Q2为相似风机的风量，m3/s；D1、D2为相似风机叶轮外缘直径，m；n1、n2为相似风机的转速，r/min。公式可知，海拔高度不影响风机风量的体积流量。但随着海拔高度的增加，空气的密度不断的减小，因此空气的质量流量也会随着减小。

2.3摩擦阻力系数校核

通过实验和实测可以得到在标准状况下巷道的摩擦阻力系数，作为标准值，对于高原地区矿井的摩擦阻力系数可以通过式(3)进行计算[7]。

(3)

式中：α为巷道摩擦阻力系数，N·s2/m4；α0为标准状况下的摩擦阻力系数，N·s2/m4；Ρ为巷道中气体的密度，kg/m3；ρ0为标况下空气密度，ρ0=1.29kg/m3。

3通风方案设计

高原地区独特的环境特点和气候特征决定了在高原矿井宜采用压入式或以压为主、压抽结合的通风方式，以使井下处于微正压状态，尽可能改善高原矿井的通风问题，给井下作业人员和作业设备创造良好的工作环境[9]。经过计算矿井总需风量为716m3/s，其中一标段需风量为90.49m3/s，二标段需风量为178.57m3/s，三标段需风量为178.57m3/s，一运矿系统需风量为50.88m3/s，溜破系统需风量为78.52m3/s，在方案拟定时，由于矿山已经购买主进回风机，则方案拟定时主进回风机不变，主要针对井下各通风单元，以采矿、运矿和碎矿工作面为服务核心，充分利用各种有利条件，拟定了四种通风方案。

3.1方案一

在中央竖井并联两台FKCDZ-10-No36/500kW进风主扇，斜坡道并联安装两台DK-12-No32/200kW进风辅扇，在南平硐也通过装机巷道并联安装两台DK-10-No26/200kW进风辅扇，南回风井并联两台FKCDZ-8-No29/400kW回风主扇，北回风井并联两台FKCDZ-10-No30/250kW回风主扇。

为满足各通风单元的需风量，需要在采场进回风巷道安装辅扇。在一标段的进风巷道并联安装2台DK-10-No26/200kW进风辅扇，在4500m水平三条回风巷道中一条巷道并联安装2台DK-10-No26/200kW回风辅扇，另外两条回风巷道各安装1台DK-10-No26/200kW回风辅扇；在二标段的进风巷道位置并联安装2台DK-10-No26/200kW进风辅扇，在采场3条主要回风巷道各安装1台DK-10-No26/200kW回风辅扇；在三标段的采场进风巷道位置安装1台DK-10-No26/200kW进风辅扇，三标段与二标段共用3条回风巷道。在溜破系统的回风井安装1台DK-10-No26/200kW回风辅扇以调节溜破系统的风流，同时为保证溜破系统风流稳定在连接巷道中安装定流风机以固定其风量，其他通风单元靠自然分风来满足通风要求，经过Ventsim软件解算各部分风量满足要求，通风系统简图见图3。

图3　方案一通风系统模型

3.2方案二

该方案将中央进风主扇和南北回风主扇的频率调低，选用相对低频的风机，来研究低频风机是否能满足井下通风需求，其他与方案一基本相同。

3.3方案三

此方案是在方案一的基础上提高中央进风主扇和南北回风主扇的安装角，同时将二标段的一条回风巷道中的辅扇改为2台DK-10-No26/200kW并联，其他与方案一基本相同。

3.4方案四

前三个方案井下通风主要是从主进风井、斜坡道和南平硐进风，此方案设计了一条措施入风井来辅助入风，南平硐不安装风机，采用新的进风方式对风网进行解算。此方案中央主进风井、南回风井和北回风井风机安装与方案一相同，措施入风井安装1台FKCDZ-10-No29/250kW进风辅扇，北平硐并联安装2台DK-12-No32/220kW回风辅扇。此外，与方案一不同的是二标段的三条回风巷道中一条并联安装2台DK-10-No26/200kW回风辅扇，其他与方案一基本相同，通风系统简图见图4。

4通风方案优选

4.1层次分析模型的构建

此次设计利用层次分析法计算各方案的相对优劣排序值，选出最优方案。主要思想是把通风问题分解成若干因素，按照各主要影响因素之间的关系由高到低进行分层排列，建立一个完整的递阶层次结构模型，通过对各个影响因素的判断，确定出各个层次以及各因素之间的相对重要程度，按照1～9标度法进行赋值(表1)，建立判断矩阵，通过计算矩阵的最大特征值和相应的特征向量，得出不同方案的相对优劣的排序值，通过比较不同方案的相对优劣的排序值，得出最优的通风方案[10-12]。

图4　方案四通风系统简图

此次设计从有效性、合理性、稳定性、安全可靠性和高原气候特点五个方面选择了十个评价指标：矿井风压、矿井风量、等积孔、矿井风量供需比、扇风机功率、扇风机效率、吨矿耗电费用、风机运转稳定性、用风地点风流稳定性、防灾抗灾能力、安全管理系数、4450m中段大气压和4400m中段大气压。根据以上十个指标之间的递进关系，建立层次结构模型见图5。

根据专家打分法对各指标进行打分，按照1～9标度法进行赋值，建立判断矩阵，利用判断矩阵即可求出各指标的权值。各指标权值见图5。

表1　1～9标度法参数

图5　层次结构模型

4.2基于Ventsim的通风参数计算

Ventsim软件不仅可以建立通风系统三维可视化模型，实现通风系统的可视化管理，还提供了风流模拟、污染物和有害气体的动态模拟、火灾模拟以及通风系统经济分析等功能，通过对通风方案进行解算，可以得出各通风方案的通风参数，包括风压、风量等，表2为四种方案十个指标的解算数值。

4.3通风方案优选结果与分析

根据VentSim的解算结果，建立判断矩阵，计算各方案的相对优劣的排序值。结果见表3。

表2　通风方案指标参数

表3　排序值计算结果

经过计算，方案四的相对优劣的排序值最大，因此最优的通风方案为方案四。方案四的总进风量为729.5m3/s，风机功率为7766.8 kW，吨矿耗电费用为7.42元，等积孔为10.2m2。方案四设置了一条措施入风井辅助进风，此井的设置可以大大缓解主进风井和斜坡道的进风压力，在网络解算时也更加容易，同时井下分风也更加合理，各通风单元风流更加稳定，大大改善了井下的作业环境。

5结论

1)通过Ventsim软件解算表明，高原矿山有其独特的通风特点，与平原地区相比，通风系统更加复杂，通风更加困难，矿井总风量严重不足，井下风流混乱，大气压力严重降低，氧含量不足。因此，需要调整通风系统，加大风量，解决矿山通风问题。

2)Ventsim软件是一个便捷的通风解算工具，可以快速准确地完成通风方案的解算，得出各方案的通风参数，为后期的优化提供可靠的数据。此次研究的结果表明Ventsim软件在高原矿山的模拟结果是有效的，符合矿山的实际情况，Ventsim软件在高原矿山同样适用。

3)针对高原矿井通风系统的特点，利用Ventsim软件进行解算，充分考虑了高原矿山的环境因素、通风系统的特点等，得出了适合高原矿山的通风方案，总进风量为729.5m3/s，总风压为7397.2Pa，吨矿耗电费用为7.42元/t，井下风流稳定合理，可以有效解决矿山的通风问题。

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收稿日期：2015-08-16

基金项目：国家科技支撑计划项目资助(编号：2012BABO1B04)

作者简介：张亚明(1991-)，男，河北河间人，硕士生，攻读北京科技大学采矿工程专业，主要从事矿山安全系统工程方向的研究工作。E-mail：237860363@qq.cm。 通讯作者：李国清(1973-)，女，博士，2004年毕业于北京科技大学采矿工程专业，副教授、硕士生导师，主要从事矿业系统工程、矿山安全管理方面的教学与科研工作。E-mail：qqlee@ustb.edu.cn。

中图分类号：TD725

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)07-0082-05

Optimization of plateau mine ventilation system based on Ventsim

ZHANG Ya-ming1，LI Guo-qing2，HU Nai-lian1，HE Shui-qing1

(1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.China Gold International Resouces Corp.Ltd.，Beijing 100011，China)

Abstract:Different from in plain area, plateau mines are mainly characterized by rarefied air, insufficient oxygen and changing natural ventilation which directly lead to low working efficiency of equipment and serious pollution of tunnels. Consequently, it is quite difficult to carry out the network calculation and optimization of mine ventilation system. To solve this problem, we made an optimum ventilation design by taking advantage of analytic hierarchy process model and Ventsim, a 3D ventilation simulation software. At first, based on key ventilation parameters which are modified judging by plateau adaptability, a 3D visual model of ventilating system and a network platform of real-time solution are built up. Next, four feasible ventilation schemes are proposed according to the requirements of the mine's ventilation system. Furthermore, we get not only the ventilating performances but also the 3D simulation interface for each scheme with the help of the Ventsim platform. Finally, taken availability, economic rationality, stability, safe reliability, plateau applicability and other factors all into consideration, an analytic hierarchy process is adopted to select the scheme which is most suitable for the case. The optimized ventilation system can not only guarantee a sound ventilation effect, but also achieve cost savings, so that it can provide reasonable support for ventilation construction and management of the mine.

Key words：plateau mine；optimization of ventilation system；Ventsim；analytic hierarchy process