基于Ventsim的独头掘进面局部通风技术研究.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 183No.5 2023总第183期2023年第5期引文格式：于涛,董国强,陆宇超.基于Ventsim的独头掘进面局部通风技术研究 J.铜业工程,2023(5):106-111.基于Ventsim的独头掘进面局部通风技术研究于涛1，董国强2，陆宇超3（1.山东国环固废创新科技中心有限公司，山东 烟台 265400；2.招金矿业股份有限公司，山东 烟台 265400；3.招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿，山东 烟台 265400）摘要：大尹格庄金矿在独头掘进时往往依靠经验和简单计算进行局扇及风筒选择的做法，无法满足深部掘进面局部通风精细化管理的要求，亟须建立一套更加便捷、精确的局部通风设计体系。借助Ventsim软件风筒计算功能对该矿现有4类局扇及配套风筒通风能力进行分析，得到各自在有1个直角弯头时能够满足浅部区域最低风量要求的通风距离。为设计一套更加精细的局部通风系统，选取该矿-556 m水平大巷、-796 m水平大巷、-616-676 m斜坡道、-796-900 m斜坡道4个具有代表性的较长距离掘进工程，在进行需风量计算的基础上，利用Ventsim软件的风量与风筒长度功能、风机与风筒长度功能进行局扇和风筒搭配选型，并在三维通风模型中进行模拟分析验证。模拟风量与风筒计算器计算结果相比，平均差值为0.2 m3/s，差值主要受转弯局部阻力和空气势能影响。在风筒计算器计算结果的基础上，提出了两种优化调整方法。关键词：独头掘进；局扇；风筒；Ventsim；风筒计算器doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.05.014中图分类号：TD853 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）05-0106-06国内外对煤矿、非煤矿山及隧道工程等独头掘进局部通风设计进行了大量研究，研究方向主要集中在局部通风方式设计、局扇和风筒选型计算、局部制冷降温、数值模拟等方面1-3。在局部通风方式设计方面，焦志远等1在对转龙湾煤矿掘进面进行6种局部通风方式分析比较后，选择了单巷单机通风技术，同时创新使用了拉链式风筒；李雨成等4在对金川龙首矿原有通风系统进行测试分析的基础上，设计了辅助斜坡道钻孔通风方案和风库中转优化方案，工作面风量提高了1倍；李海亮5对加设中转风室接力通风延长巷道掘进通风距离的作业方法进行了介绍，并详细论述了中转风室的施工工艺；闫满志等6通过对司家营田兴铁矿东北回风井-375 m水平沿脉巷和斜坡道盲掘两个独头掘进工作面通风状况进行分析，将原有通风方式调整为分阶段间隔抽压混合式通风系统，并进行了分析演算；李新7结合某隧道施工项目的现场情况，通过对压入式、抽出式、压抽混合式的优缺点进行比较，选择使用一站式压入通风方式，通风设备选用大直径风筒和多级隧道施工通风机，满足了施工通风需求。在局扇和风筒选型计算方面，杨廷刚等8以排炮烟和排尘风速核算干堰塘锶矿掘进面风量，根据局扇安设位置及风筒参数计算通风阻力，对照风量和通风阻力来进行局扇选型；李浩荡等9研究了大柳塔煤矿超长距离局部通风的关键技术，通过对局部通风机采取合理选型、减阻、减漏等措施解决了通风供需矛盾。在局部制冷降温方面，罗勇东等10采用矿井空压式制冷空调系统和双层隔热风筒解决某硫铁矿的高温掘进问题，掘进作业区风流最高温度由34.7 降至26；王明斌等11利用井下低温涌水地质特点及热交换原理，在三山岛金矿设计了2套换热系统和长距离送风风筒加移动空冷器的送风方式。在数值模拟方面，邬长福等12利用Fluent软件模拟了独头巷道风筒出口距工作面不同距离时的风流特性；郭对明等13借助Fluent软件构建掘进巷道三维模型，优选深井掘进巷道的最佳局部通风参数；张瑞明14等运用Comsol对夏甸金矿-652 m水平掘进巷道进行通风降温试验模拟，分析掘进巷道风速与温度的关联性。收稿日期：2023-05-22；修订日期：2023-08-05基金项目：中华人民共和国科技部创新方法工作专项（2019IM050300）；山东省重点研发计划项目（2016CYJS06A01-4）资助作者简介：于涛（1990），男，山东招远人，硕士，工程师，研究方向：采矿工程及智能矿山，E-mail：106于涛等 基于Ventsim的独头掘进面局部通风技术研究2023年第5期Ventsim是一款通风模拟软件，用于评估和优化地下矿井、地铁隧道等空间的通风系统。该软件可以模拟关键参数，如空气流动、温度分布和有害气体扩散，具备风网解算、风机选型、热模拟、污染物模拟、火灾模拟、经济性分析等功能，能够帮助用户设计更安全、高效的通风方案。Ventsim具有直观的界面和便捷的使用功能，支持多种图形和数据输出格式，可方便用户进行数据分析和报告编制15。此外，Ventsim超级版具备风筒计算功能，借助Ventsim软件风筒计算器功能可实现风筒和局扇的快速选型和匹配。风筒计算器提供了6种不同的选项：风机与风筒长度、风机与风量、功率与风筒长度、功率与风量、风压与风筒长度、风量与风筒长度。每种选项对应不同类型数据输入，可以根据实际需求进行模拟计算。特别是对于大型矿井来说，由于掘进工作面较多，通过合理设计，降低能耗，可以显著减少矿井的运行成本和能源消耗。大尹格庄金矿同时开采中段数量较多，达8个以上，通风系统较复杂，目前最大开采深度约900 m，最大开拓深度约1050 m，长距离独头掘进距离可达1000 m。为优化矿井深部通风系统，借助Ventsim软件构建了整体三维通风模型，可实现通风系统优化方案的模拟分析，但在局部通风管理方面较欠缺15。该矿独头掘进局扇的配备主要有11 kW（1台）、22 kW（1台）、30 kW（1台）、30 kW（2台）4种方式。在具体型号选择上没有进行详细的计算分析，在局部通风系统现场应用时根据经验选取，大体划分为3类：一是 100 m 以内，选取 1 台 11 kW 轴流风机并配备直径为450 mm的风筒；二是 100500 m，选取1台22 kW或1台30 kW轴流风机并分别配备直径为750 mm，800 mm的风筒；三是500 m以上，选取2台30 kW轴流风机并配备直径800 mm的风筒。在矿井通风管理上有必要对局部通风管理进行优化，形成配套的管理模式，实现精细化管理。1 现有局扇及配套风筒通风能力分析将矿山现有的 4种局扇风机特性参数导入风机数据库，利用风机与风筒长度选项，结合现有配套风筒参数进行输送能力分析。输入参数包括：风机类型、风筒长度、风机效率、风筒名称、外形、风筒尺寸、摩擦系数、弯曲次数、空气密度、漏风阻力、风筒状况；输出结果包括：风机运行功率、入口静压、入口风量、出口风量。传统的风筒漏风情况用漏风率表示，在风筒计算器中按漏风孔隙大小表示，漏风孔隙间隔设置为100 m，风筒完整性大体分为极差、平均、优秀，不同类型风筒对应同等级漏风情况时孔隙大小均有差别，可根据风筒维护及接头情况调节数值范围。该矿在-676 m以上浅部开采工程中设计独头掘进面需风量为 2.5 m3/s，普通型局扇效率为 90%，对旋局扇效率为83%，利用软件的风机与风筒长度功能，可得到矿山现有局扇及配套风筒在仅有1个直角弯头时能够满足浅部区域最低风量要求的通风距离的结论。结合表1数据及现场实际直角弯头数量可对现有选型经验进行调整，来进一步降低通风能耗。2 较长距离掘进面局部通风设计优化针对矿井深部较长距离掘进局部通风管理难表1矿山现有局扇及配套风筒通风能力分析表Table 1Analysis of ventilation capacity of existing local fans and supporting air ducts in mine型号JK58-1NO.4.5JK40-1NO.7.5JK40-1NO.8FKD-NO.8.0功率/kW112230230风机效率/%90909083风筒长度/m1001508009001000110012001300风筒摩擦阻力系数/（N s2/m4）0.00470.00350.00320.0032直角弯头数量/个1111风筒直径/m0.450.750.800.80漏风孔隙/（mm2/m2）121896108120132144156出口风量/（m3/s）3.12.73.22.63.22.63.02.5107总第183期铜业工程Total 183度大的问题，对4个具有代表性的掘进面进行局部通风分析与设计，掘进面掘进参数见表2。2.1掘进面需风量计算1）按作业面同时作业人数最多的工况计算需风量，如式（1）所示：Q=Q人N=4660=0.4 m3/s式（1）式中，Q人为单位时间内个人需风量，取4 m3/min；N为作业面同时作业最多人数，按6人计（地质技术员1人、测量技术员1人、采矿技术员1人、掘进面队长1人、排险工2人）。2）按作业面对风速的要求计算需风量：-676 m以上作业面，最低风速要求为0.25 m/s，-676 m以下采深超过800 m（地表标高138 m），按高温作业面计算，最低风速要求为0.5 m/s。-556 m水平大巷、-616-676 m斜坡道需风量为3.19 m3/s；-796 m水平大巷、-796-900 m斜坡道需风量为6.38 m3/s。3）按作业面柴油设备条件计算需风量：当掘进距离小于100 m时，作业面铲运设备为2 m3柴油铲运机，型号为铲旺 WJ-3，功率 133 kW；当掘进距离大于100 m时，配备1辆运矿卡车在掘进头附近的回车巷道内协助铲运机进行运输作业，型号为 UQ-8，功率为 81 kW。仅通过铲运机运输的需风量计算如式（）所示：Q=Q柴P铲K=41330.5560=4.88 m3/s 式（2）式中，Q柴为单位时间柴油设备功率需风量，取 4 m3/（min kW）；P铲为作业面同时作业的柴油设备功率，kW；K为铲运机利用系数，取0.55。铲运机和卡车协同作业需风量计算如式（3）所示：Q=Q柴（P铲K1P卡K2）=4（1330.15810.55）60=4.30 m3/s 式（3）式中，K1为铲运机利用系数，取0.15；P卡为运矿卡车 设 备 功 率，kW；K2为 运 矿 卡 车 利 用 系 数，取0.55。综上，-556 m水平大巷、-616-676 m斜坡道铲运机和卡车协同作业时需风量为4.3 m3/s，铲运机单独作业时需风量为 4.9 m3/s；-796 m 水平大巷、-796-900 m斜坡道需风量均为6.4 m3/s。2.2局扇和风筒选型匹配以往局扇选型的过程是先计算出需风量后通过风筒漏风率计算出局扇通风量，再通过计算风筒局部阻力和摩擦阻力得到局扇全压，最终根据风量和全压要求对比风机数据库选型8。其计算过程复杂，工作量大，尤其是掘进面数量多时，问题尤其突出。因此，在结合矿山现有局部通风硬件设施条件的基础上，借助Ventsim软件风筒计算器对4个掘进面进行局部通风设计，利用软件的风量与风筒长度功能进行风机选型，利用软件的风机与风筒长度功能进行通风能力详细论证。受该矿的巷道断面及采矿作业方式影响，风筒直径不应超过1 m，且局部通风方式仅考虑采用压入式。软件的风量与风筒长度功能计算界面见图1，局扇及风筒匹配结果见表3。3 Ventsim模拟验证分析3.1验证分析风筒计算器功能可实现局扇和风筒的快速选型，但其计算结果与实际应用存在一定差值。其主要原因有两点：一是，由于风筒计算器中巷道转弯产生的局部阻力用直角弯头数量表示，且只能为整数，无法体现实际转弯角度的影响；二是，由于风筒计算器未考虑巷道高差产生的势能及风筒所在巷道的阻力情况。因此，对于已经建立矿井三维通风模型的矿山，在利用风筒计算器进行局部通风方案设计后，可在三维模型中对拟施工的巷道进行局部通风模拟来进一步验证分析，在模拟时既要考虑风流模拟，也要考虑热模拟。该矿已通过Ventsim软件构建了整体三维通风模型，地温梯度约 2.2/100 m，设置风流可压缩，根据现场实际情况在模型中添加内燃设备、机电设备等主要热源，根据局扇及风筒选型在模型中添加对应设备和通风构筑物等，局部通风方式暂时只选择压入式，仿真模拟结果见表4。模拟结果风量分析。初步选型方案的各掘进表2掘进面参数Table 2Excavation face parameters掘进名称-556 m水平大巷-796 m水平大巷-616-676 m斜坡道-796-900 m斜坡道掘进长度/m500700600910标高/m-556-796-616-676-796-900规格/（mm）4.03.44.03.44.03.44.03.4坡度/0.30.3-15.2-15.2108于涛等 基于Ventsim的独头掘进面局部通风技术研究2023年第5期图1风量与风筒长度功能计算界面Fig.1Function calculation interface for air volume and air tube length表3局扇及风筒匹配结果Table 3Matching results of local fans and air ducts掘进名称-556 m水平大巷-796 m水平大巷-616-676 m斜坡道-796-900 m斜坡道风筒总长/m500700600910掘进阶段/m15004004005005007001600600600700700910风筒直径/m0.80.80.80.80.80.90.90.9直角弯头数量/个31115334风机型号JK40-1NO.7.5JK40-1NO.7.5JK40-1NO.8FKD-NO.8.0JK40-1NO.7.5JK40-1NO.7.5JK40-1NO.8FKD-NO.8.0风机功率/kW22（1台）22（1台）30（1台）30（2台）22（1台）22（1台）30（1台）30（2台）100 m处风量范围/（m3/s）9.09.09.09.0阶段末风量范围/（m3/s）5.46.56.77.14.66.46.66.4表4仿真模拟结果Table 4Simulation results掘进名称-556 m水平大巷-796 m水平大巷-616-676 m斜坡道-796-900 m斜坡道掘进阶段/m15004004005005007001600600600700700910风筒计算器模拟的阶段末风量/（m3/s）5.46.56.77.14.66.46.66.4仿真模拟掘进头风量/（m3/s）5.26.46.56.84.66.26.26.0验证差值/0.20.10.20.300.20.40.4计算需风量/（m3/s）4.96.46.46.44.96.46.46.4掘进外巷湿球温度/23.226.225.526.6掘进头湿球温度/26.328.328.628.928.728.128.329.7109总第183期铜业工程Total 183面风量基本能够满足计算风量要求，但风量值与风筒计算器计算结果有一定偏差，最大差值为0.4 m3/s，最小差值为0，平均差值为0.2 m3/s。差值大小主要受转弯局部阻力和势能的影响，例如-796-900 m斜坡道各阶段差值均较大，主要是有2个巷道转弯角度为50，局部阻力大于设置的2个直角弯头，同时巷道平均坡度为9，高差导致势能阻力较大，两项因素叠加后导致差值进一步增大；-616-676 m斜坡道同样存在较大高差，但其转弯角度为钝角，在风筒计算器中设置为直角弯头，因此互相抵消后差值较小。模拟结果作业环境温度分析。除-556 m水平掘进面外，其他掘进面温度均超过27，但不超过30。此外，人员连续作业不应超过2 h，应合理安排作业工序，提高作业效率，尽量使用空调车，改善工人作业环境。在向-900 m以下进行开拓掘进时，应考虑改进通风方式、引进制冷设备等。3.2局部通风设计选型优化方法利用风筒计算器功能得到的局部通风设计方案基本能够满足设计通风需求，没有建立三维通风模型的矿山可借助该工具进行局部通风方案设计，同时可根据实际巷道转弯角度、高差及现场实际风量测定结果对风筒通风距离进行适当调整。若矿山已建立了三维通风模型，可在模型中进行模拟验证分析，根据模拟结果获得更加精确的设计方案。同时，在局部的实际通风管理中，风筒悬挂和接头质量对通风效果也有较大影响，风筒悬挂质量直接关系到通风系统的稳定性和安全性，接头质量对于通风系统的正常运行和气密性非常关键。因此，在实际操作中，需要重视风筒的悬挂质量和接头的处置方式，并根据现场实际情况适当评估其对局部通风的影响，进行进一步优化调整。4 结论1）借助Ventsim软件风筒计算器中的风机与风筒长度功能对该矿现有局扇和风筒选型进行了通风能力分析，结果表明在有1个直角弯头时能够满足浅部区域最低风量要求的通风距离。2）在优化较长距离掘进面需风量计算的基础上，利用软件的风量与风筒长度功能进行风机选型，利用软件的风机与风筒长度功能进行通风能力详细论证，得到4个掘进面各掘进阶段的局扇和风筒初步优选结果。3）在矿井三维通风模型中对初步优选结果进行风量验证分析，初步优选方案基本满足需风量要求。模拟值与风筒计算器计算结果存在一定偏差，最大差值为0.4 m3/s，最小差值为0 m3/s，平均差值为0.2 m3/s，差值大小主要受转弯局部阻力和势能影响。4）为提高风筒计算器的选型优化精确度，没有建立三维通风模型的矿山可根据实际巷道转弯角度、高差及现场实际风量测定结果对通风距离进行适当调整，已建立三维通风模型的矿山可在模型中进行模拟验证分析。参考文献：1 焦志远，郝海清，刘心广，张庆勇，张学相，王凯.掘进工作面超长距离通风安全保障技术研究 J.矿山机械，2019，47（5）：7.2 KAZAKOV B P，SHALIMOV A V，PARSHAKOV O S，BOGOMYAGKOV A V.Blind roadway ventilation improvement by means of increasing initial air flow velocityJ.Journal of Mining Science，2022，58（1）：98.3 MILLAR D，LEVESQUE M，HARDCASTLE S.Leakage and air flow resistance in mine auxiliary ventilation ducts：effects on system performance and cost J.Mining Technology，2017，126（1）：10.4 李雨成，毕秋苹，迟羽淳，李智，刘天奇.金川龙首矿西一采区长距离独头掘进通风系统改造 J.有色金属工程，2015，5（5）：61.5 李海亮.长距离独头巷道掘进通风方法研究与应用J.中国矿山工程，2018，47（1）：26.6 闫满志，刘天林，张国新，付志强.长距离独头巷道掘 进 通 风 系 统 优 化 设 计J.现 代 矿 业，2012（9）：118.7 李新.长距离独头巷道掘进的通风技术研究 J.矿业安全与环保，2012，39（2）：45.8 杨廷刚，周伟，许峰，吴冷峻.干堰塘锶矿长距离独头掘进巷道局部通风技术探讨 J.现代矿业，2022，38（1）：248.9 李浩荡，张庆华，张淑同.掘进工作面大断面超长距离通风技术研究 J.矿业安全与环保，2010，37110于涛等 基于Ventsim的独头掘进面局部通风技术研究2023年第5期（6）：78.10 罗勇东，王海宁，张迎宾.矿井高温掘进巷道降温技术研究及应用 J.有色金属科学与工程，2020，11（1）：85.11 王明斌，许峰，周伟.制冷降温技术在三山岛金矿热害控制中的应用 J.现代矿业，2021，37（8）：220.12 邬长福，汤民波，古鹏，刘后明.独头巷道局部通风数值模拟研究 J.有色金属科学与工程，2012，3（3）：71.13 郭对明，李国清，侯杰，胡乃联.基于FLUENT的深井掘进巷道局部通风参数优化 J.黄金科学技术，2022，30（5）：753.14 张瑞明，魏丁一，杜翠凤，张宏光.掘进巷道通风降温试验及数值模拟研究 J.工业安全与环保，2019，45（9）：51.15 杨立焘，于涛.上向水平分层充填采矿法中段通风系统的优化研究 J.铜业工程，2023（2）：131.Local Ventilation Technology for Single Head Excavation Face Based on VentsimYU Tao1，DONG Guoqiang2，LU Yuchao3（1.Shandong Guohuan Solid Waste Innovation Technology Center Co.，Ltd.，Yantai 265400，China；2.Zhaojin Mining Co.，Ltd.，Yantai 265400，China；3.Zhaojin Mining Co.，Ltd.Dayingezhuang Gold Mine，Yantai 265400，China）Abstract：During the single head excavation of Dayingezhuang Gold Mine,the selection of local fans and air ducts often relies on experience and simple calculations,which cannot meet the requirements of refined management of local ventilation in deep excavation faces.Therefore,a more convenient and accurate local ventilation design system needs to be established.By utilizing the Ventsim softwares air duct calculation function,the ventilation capacity of the existing four types of local fans and supporting air ducts in the mine was analyzed,and the ventilation distances that could meet the minimum air volume requirements in shallow areas were obtained when each had one right angle elbow.In order to study a more refined local ventilation design system,four representative long-distance excavation projects of the mine,namely-556 m horizontal roadway,-796 m horizontal roadway,-616 m to-676 m ramp,and-796 m to-900 m ramp,were selected.Based on the calculation of the required air volume,the combination selection of local fans and ducts was carried out using the air volume and duct length functions,as well as the fan and duct length functions of Ventsim software,And simulation analysis and verification were conducted in the three-dimensional ventilation model.The average difference between the simulated air volume and the calculated results of the air duct calculator was 0.2 m3/s,which was mainly affected by the local turning resistance and air potential energy.Two optimization and adjustment methods were proposed based on the calculated results of the air duct calculator.Key words：single head excavation；local fan；air duct；Ventsim；air duct calculatordoi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.05.014111