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摘 要：为有效解决某金属矿井下多中段生产时存在污风和新鲜风串风通风问题，本设计以回风井为回采中心，在矿体垂直方向上采用倒梯形的回采方式，建立Ventsim三维通风模型。根据井下各工作面需风量，计算矿井总需风量，并模拟计算井下通风系统的负压，综合考虑自然风压和高海拔因素，最终选取满足井下合理通风的主通风机。
关键词：通风 多中段生产 倒梯形 Ventsim 高海拔
中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）04（c）-0039-04
Design of "Inverted Trapezoid" Mining Ventilation System
ZHANG Jiwei1 CHEN Jixiang1 WANG Ruipeng2*
（1. Jiuquan Steel （Group） Tiangong Mining Investment Co.， Ltd.， Jiayuguan， Gansu Province， 735100 China;
2. MCC Shen Kan Qinhuangdao General Engineering Design & Research Institute Corporation， Qinhuangdao， Hebei Province， 066004 China）
Abstract： In order to effectively solve the problem of waste air and fresh air cross ventilation in a metal mine， the design takes the return air shaft as the mining center， adopts the inverted trapezoidal mining method in the vertical direction of the ore body， and establishes the Ventsim three-dimensional ventilation model. According to the air demand of each working face in the mine， the total air demand of the mine is calculated， and the negative pressure of the ventilation system in the mine is simulated. Considering the natural wind pressure and high altitude factors， the main fan meeting the reasonable ventilation in the mine is finally selected.
Key Words： Ventilation; Multi section production; Inverted trapezoid; Ventsim; High altitude
金屬矿井下通风是矿山生产的重要组成部分。通风系统是制约井下工作环境和劳动强度的主要因素。目前国内井下生产矿山多采用单中段开采方式，解决井下通风的方法主要有数值模拟和手工计算方法。通风系统的合理建立既要考虑井下风速的要求，又要考虑经济合理性。因此选择较为贴合实际的通风方式必须综合考虑多种因素，主要考虑的因素为：自然风压、高海拔、风速、风量、阻力损失、成本、是否串风等。
以往研究多数学者研究对象为单中段生产的通风系统，本次研究为井下多中段生产的通风系统。本研究以高海拔地区某金属矿为研究背景，针对某金属矿采矿权范围内3020～3225m之间矿体，规划采矿回采顺序形式采用倒梯形，建立集中机械通风系统。根据井下各工作面需风量，计算矿井总需风量，并模拟计算井下通风系统的负压，综合考虑自然风压和高海拔因素，最终选取满足井下合理通风的主通风机。
1 工程概况
某金属矿主要采用浅孔留矿法回采矿体，井下已形成3225m、3163m、3120m、3070m、3020m出矿中段和主平硐水平，目前矿山多中段、多区域、多矿房同时作业。3020m中段以上各中段矿石由2t电动运矿设备运至矿石溜井，下放至主平硐水平，再由7t电机车牵引2m3侧卸式矿车经主平硐直接运往选矿厂 ;各中段废石由2t电动运矿设备运至平硐口废石场排弃。人员、材料及设备通过地表简易公路经各中段平硐到达工作面。
2 “倒梯形”回采方式
“倒梯形”回采方式是针对金属矿山井下多中段生产。以回风井为回采中心，上一中段超前下一中段生产，上中段已生产完区域的中段运输巷道作为下一中段的回风巷道，下一中段的污风和上一中段的新鲜风没有相互干扰[1-2]。“倒梯形”回采方式示意图见图1。
3 通风系统
该矿设计采用集中机械式通风方式。在14号勘探线附近建立回风井，井筒净直径2.5m，内设梯子间，兼做安全出口。新鲜风由各中段平硐进入，经中段运输巷道、天井联络道、矿块天井进入采场，清洗采场工作面后的污风由矿块内另一侧天井、回风联络道、回风井、3225m中段北侧平硐排至地表。该矿井下通风系统三维模型见图2。
3.1 风量计算 井下需风量主要按照采矿工作面、掘进工作面和硐室等排尘所需最小风速条件进行计算，并按照井下同时工作的最大人数对井下需风量进行验证[3-6]。井下无柴油设备，本次设计不进行柴油设备需风量验证。
井下同时工作最多人数为44人，按供给新鲜风量不得小于4m3/min·人，按井下同时工作的最多人数计算矿井风量为2.93m3/s。按照采矿工作面、掘进工作面、硐室等排尘风速计算井下需风量，经计算，矿井总风量为50.60m3/s。因此矿井总需风量应取50.60m3/s，万吨耗风量1.87m3/s。
3.2 负压计算
该矿属于高海拔矿山，井巷摩擦阻力系数与空气重率成正比，则井巷风阻也与空气重率成正比，高原矿井风阻应按下式校正[7]。
R=R0γZ/γ0，或R=KγR0
式中：R—高山矿井巷道的风阻，Kμ;
R0—海拔高度为0 m时的风阻，Kμ。
Kγ=（1-Z/44300）4.256，0.72。
计算的主要基础数据见表1。
设计采用Ventsim通风软件对矿山通风系统进行通风网络解算，并根据需要选择井下生产所需风机。在矿井通风总阻力计算时，选择一条阻力最大的风路，该段风路计算所得的通风总阻力即为矿井总阻力。经计算，矿井通风最困难时期负压值为323.50 Pa。
根据现有的气象资料、参照类似矿山地下气候条件计算，该矿的自然风压在-69.32～107.53Pa之间，见表2。
4 风机配置
设计充分考虑高海拔地区大气压、空气在井下的摩擦阻力系数以及风机特性，同时考虑风机10%～15%的风量损失以及150～200Pa的机站负压损失，通风系统考虑20%局部阻力[8-12]。
考虑到井下生产时自然风压较大，风机风压应考虑自然风压的影响：H=473.50+69.3=542.8Pa（高海拔地区下，风机的风压）;
考虑高原因素导致风机效率的降低，由于风机曲线是按标准大气压进行绘制，因此风机选型时对高原风压进行换算：
H标Pa（标准状态下，风机的风压）
式中：H——高海拔地区下，风机的风压，单位Pa;
H标——标准状态下，风机的风压，单位Pa;
ρ——高海拔地区的空气密度，0.80 kg/m3。
经计算，选用一台K40-6-No.18型风机可以满足矿山通风要求，电机功率为110kW，同时配备同型号电机1台，3225m中段风机硐室内设置1台起吊能力为1 t的手拉葫芦，方便风机检修和电机更换。
矿山共需设置井下生产时共需JK55-1№5型局扇10台，其中7台工作，3台备用;JK58-1№4型局扇17台，其中13台工作，4台备用。
5 结论
（1）本文采用倒梯形回采方案，可有效解决多中段生产串风问题。
（2）本次设计考虑的因素为：自然风压、高海拔、风速、风量、动阻損失、通风成本等，与现场生产实际较为贴近。
（3）可有效降低井下粉尘浓度，形成贯穿风流，缩短炮烟消散时间，降低有毒有害气体浓度。
参考文献
[1] 赵之宝，对金属矿山矿井的通风技术的分析[J]. 中国金属通报，2018（2）：199-201.
[2] 马萃林. 某有色金属矿山井下通风系统改造的设计[J].现代矿业，2014（2）：70-74.
[3] 姚银佩，刘伟强，李印洪，等.矿井空气环境安全与通风动力联动综合技术研究[J].采矿技术，2018， 18（6）：65-67.
[4] 姚银佩，欧志成，李印洪，等.高海拔矿山通风系统改造方案优选研究[J].有色金属（矿山部分），2019，71（3）：77-80，102.
[5] 牛军军，刘冲，韩超旭.优化检修风门在主通风机不停风倒机技术中的可靠应用[J].科技资讯，2020， 18（19）：69-71.
[6] 詹俊.某金属矿山矿井通风系统优化改造研究[D].赣州：江西理工大学，2015.
[7] 李刚，王运敏，金龙哲.金属矿山掘进巷道新型通风除尘系统研究与应用[J].中国安全生产科学技术，2019，15（8）：77-81.
[8] 柳明明.Ventsim 三维通风仿真系统在金属矿山的应用[J].金属矿山，2010（10）：120-122.
[9] 程伯明，李义杰，肖利民，等.某复杂深井多区域作业通风系统的优化[J].矿业研究与开发，2019，39（6）：122-125.
[10] 王延平，范京道，闫振国，等.基于通风等效面积的矿井通风难易程度分析方法[J].工矿自动化， 2020， 46（6）：56-61.
[11] 张珂，杨应迪，刘学通，等.矿井通风系统三维模型的构建与应用[J].工矿自动化，2020，46（2）：59-64.
[12] 王瑜敏，黄玉诚.高海拔矿井风机通风降效特征的研究[J].金属矿山， 2020（2）：200-204.
关键词：通风 多中段生产 倒梯形 Ventsim 高海拔
中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）04（c）-0039-04
Design of "Inverted Trapezoid" Mining Ventilation System
ZHANG Jiwei1 CHEN Jixiang1 WANG Ruipeng2*
（1. Jiuquan Steel （Group） Tiangong Mining Investment Co.， Ltd.， Jiayuguan， Gansu Province， 735100 China;
2. MCC Shen Kan Qinhuangdao General Engineering Design & Research Institute Corporation， Qinhuangdao， Hebei Province， 066004 China）
Abstract： In order to effectively solve the problem of waste air and fresh air cross ventilation in a metal mine， the design takes the return air shaft as the mining center， adopts the inverted trapezoidal mining method in the vertical direction of the ore body， and establishes the Ventsim three-dimensional ventilation model. According to the air demand of each working face in the mine， the total air demand of the mine is calculated， and the negative pressure of the ventilation system in the mine is simulated. Considering the natural wind pressure and high altitude factors， the main fan meeting the reasonable ventilation in the mine is finally selected.
Key Words： Ventilation; Multi section production; Inverted trapezoid; Ventsim; High altitude
金屬矿井下通风是矿山生产的重要组成部分。通风系统是制约井下工作环境和劳动强度的主要因素。目前国内井下生产矿山多采用单中段开采方式，解决井下通风的方法主要有数值模拟和手工计算方法。通风系统的合理建立既要考虑井下风速的要求，又要考虑经济合理性。因此选择较为贴合实际的通风方式必须综合考虑多种因素，主要考虑的因素为：自然风压、高海拔、风速、风量、阻力损失、成本、是否串风等。
以往研究多数学者研究对象为单中段生产的通风系统，本次研究为井下多中段生产的通风系统。本研究以高海拔地区某金属矿为研究背景，针对某金属矿采矿权范围内3020～3225m之间矿体，规划采矿回采顺序形式采用倒梯形，建立集中机械通风系统。根据井下各工作面需风量，计算矿井总需风量，并模拟计算井下通风系统的负压，综合考虑自然风压和高海拔因素，最终选取满足井下合理通风的主通风机。
1 工程概况
某金属矿主要采用浅孔留矿法回采矿体，井下已形成3225m、3163m、3120m、3070m、3020m出矿中段和主平硐水平，目前矿山多中段、多区域、多矿房同时作业。3020m中段以上各中段矿石由2t电动运矿设备运至矿石溜井，下放至主平硐水平，再由7t电机车牵引2m3侧卸式矿车经主平硐直接运往选矿厂 ;各中段废石由2t电动运矿设备运至平硐口废石场排弃。人员、材料及设备通过地表简易公路经各中段平硐到达工作面。
2 “倒梯形”回采方式
“倒梯形”回采方式是针对金属矿山井下多中段生产。以回风井为回采中心，上一中段超前下一中段生产，上中段已生产完区域的中段运输巷道作为下一中段的回风巷道，下一中段的污风和上一中段的新鲜风没有相互干扰[1-2]。“倒梯形”回采方式示意图见图1。
3 通风系统
该矿设计采用集中机械式通风方式。在14号勘探线附近建立回风井，井筒净直径2.5m，内设梯子间，兼做安全出口。新鲜风由各中段平硐进入，经中段运输巷道、天井联络道、矿块天井进入采场，清洗采场工作面后的污风由矿块内另一侧天井、回风联络道、回风井、3225m中段北侧平硐排至地表。该矿井下通风系统三维模型见图2。
3.1 风量计算 井下需风量主要按照采矿工作面、掘进工作面和硐室等排尘所需最小风速条件进行计算，并按照井下同时工作的最大人数对井下需风量进行验证[3-6]。井下无柴油设备，本次设计不进行柴油设备需风量验证。
井下同时工作最多人数为44人，按供给新鲜风量不得小于4m3/min·人，按井下同时工作的最多人数计算矿井风量为2.93m3/s。按照采矿工作面、掘进工作面、硐室等排尘风速计算井下需风量，经计算，矿井总风量为50.60m3/s。因此矿井总需风量应取50.60m3/s，万吨耗风量1.87m3/s。
3.2 负压计算
该矿属于高海拔矿山，井巷摩擦阻力系数与空气重率成正比，则井巷风阻也与空气重率成正比，高原矿井风阻应按下式校正[7]。
R=R0γZ/γ0，或R=KγR0
式中：R—高山矿井巷道的风阻，Kμ;
R0—海拔高度为0 m时的风阻，Kμ。
Kγ=（1-Z/44300）4.256，0.72。
计算的主要基础数据见表1。
设计采用Ventsim通风软件对矿山通风系统进行通风网络解算，并根据需要选择井下生产所需风机。在矿井通风总阻力计算时，选择一条阻力最大的风路，该段风路计算所得的通风总阻力即为矿井总阻力。经计算，矿井通风最困难时期负压值为323.50 Pa。
根据现有的气象资料、参照类似矿山地下气候条件计算，该矿的自然风压在-69.32～107.53Pa之间，见表2。
4 风机配置
设计充分考虑高海拔地区大气压、空气在井下的摩擦阻力系数以及风机特性，同时考虑风机10%～15%的风量损失以及150～200Pa的机站负压损失，通风系统考虑20%局部阻力[8-12]。
考虑到井下生产时自然风压较大，风机风压应考虑自然风压的影响：H=473.50+69.3=542.8Pa（高海拔地区下，风机的风压）;
考虑高原因素导致风机效率的降低，由于风机曲线是按标准大气压进行绘制，因此风机选型时对高原风压进行换算：
H标Pa（标准状态下，风机的风压）
式中：H——高海拔地区下，风机的风压，单位Pa;
H标——标准状态下，风机的风压，单位Pa;
ρ——高海拔地区的空气密度，0.80 kg/m3。
经计算，选用一台K40-6-No.18型风机可以满足矿山通风要求，电机功率为110kW，同时配备同型号电机1台，3225m中段风机硐室内设置1台起吊能力为1 t的手拉葫芦，方便风机检修和电机更换。
矿山共需设置井下生产时共需JK55-1№5型局扇10台，其中7台工作，3台备用;JK58-1№4型局扇17台，其中13台工作，4台备用。
5 结论
（1）本文采用倒梯形回采方案，可有效解决多中段生产串风问题。
（2）本次设计考虑的因素为：自然风压、高海拔、风速、风量、动阻損失、通风成本等，与现场生产实际较为贴近。
（3）可有效降低井下粉尘浓度，形成贯穿风流，缩短炮烟消散时间，降低有毒有害气体浓度。
参考文献
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[4] 姚银佩，欧志成，李印洪，等.高海拔矿山通风系统改造方案优选研究[J].有色金属（矿山部分），2019，71（3）：77-80，102.
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[9] 程伯明，李义杰，肖利民，等.某复杂深井多区域作业通风系统的优化[J].矿业研究与开发，2019，39（6）：122-125.
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[11] 张珂，杨应迪，刘学通，等.矿井通风系统三维模型的构建与应用[J].工矿自动化，2020，46（2）：59-64.
[12] 王瑜敏，黄玉诚.高海拔矿井风机通风降效特征的研究[J].金属矿山， 2020（2）：200-204.