摘要：矿井通风系统是为井下开采提供服务的，其工作质量直接关系到矿井的安全。本文介绍了铀矿井通风系统的组成及特征。以此为基础，分析并讨论通风系统的优化方法与措施，在保证矿山降氡排尘通风的基本要求的情况下，对通风系统进行最优的配置，可以减少矿山通风的动力费用，以减少生产费用、增加经济与环境之效益为目标。

关键词：铀矿山井；通风系统；优化方法；措施

引言

铀矿山是我国重要的能源节约产业，也是一个高风险产业。铀矿作为一种特殊的工业类型，在其开采过程中，加强其通风工作，提高其工作效率，对于提高铀矿开采效率具有重要的意义[1]。通过对铀矿山通风系统的优化设计与改造，不仅能最大限度地满足矿井各个工作场所降氡排尘的需要，而且能有效地减少氡与粉尘对工人的伤害，而且还能大大降低风机的功耗。矿井的通风与节能具有较大的潜力。

一、铀矿山通风系统的组成与特征

（一）通风系统组成

矿井通风系统指的是向井下各个工作场所提供新鲜空气，并将污浊空气排出的风网，风能和风控设备的统称[2]。它包含了通风模式（进回风井的排列方式：斜角式、中心式、混合式），通风方式（抽吸式、抽压式、压入式），通风网络（风流巷道及其有关设施），以及通风控制设备（风窗、风门、风桥、导风装置、密闭设备等）。

（二）通风特性分析

铀矿的开采与普通的煤炭及其它金属矿山的开采相比，除了地下的一氧化碳、灰尘等危险物质，还会生成一种含铀的衰变系统的放射性核素，其中氡子体、氡气及持久的阿尔法粒子气溶胶是最重要的危害物，也是对工人造成辐射危害的重要因素[3]。因此，放射性防护是铀矿矿井通风管理的重点。铀矿山的总体通风能力通常是有色矿山或冶金矿山的5-8倍左右。通过多年的生产实践，为防止大面积的空气流动放射性污染，防止污风循环，提出适用于铀矿山的压缩通风和分区通风的新方法。采用分区域的通风方式，既可以进行通风管理，又可以增加有效风量，又可以减小风阻，减小损失，达到节能目的。

二、铀矿山通风系统面临的不足

当前，铀矿的通风系统状况并不是很好，井下的氡、氡子体和粉尘这三个方面的合格率有时会超过标准[4]。部分风扇的通气效果不佳，矿井供风量与实际需要风量存在不匹配等问题，总结起来主要有以下几个问题：

1.一些矿井经过了几年的开采，出现通风线路较长、通风阻力较大、漏风严重、通风系统与生产相脱节、不能及时进行调整，导致了随着开采的深入，通风工程的建设出现了严重的滞后现象。

2.一些老旧、年久失修的通风装置“带病”运行，不仅浪费能量，而且达不到防辐射对通风的要求。一些矿井由于受到地质条件的制约，或是为了节省投资而忽略了通风管道的设计，导致管道的阻力不合理，从而加大了能源消耗。有些矿井的实际通风只有正常通风的三成。

3.矿山存在大量的废弃巷道、采空区，且密封结构损坏或缺失，造成了采空区和废巷中的氡气和子体等气体在进入工作面和用风点前就已经受到了污染[5]。以我国某铀矿为例，其采空区及冒落区排出的氡气约占整个矿井排出总量的62.3%，此时，无论风量如何增大，都无法达到通风降氡的要求。

4.目前，对通风系统进行调整和改造的技术水平还处于比较低的阶段，主要依靠经验或者简单的计算，缺少系统的分析方法和相应的计算软件支持，导致了通风系统的运行效率低下[5]。

5.由于通风管理水平的下降，导致了相关技术人员的严重缺乏，以及监测仪器和装备的缺乏，导致了许多矿山的许多通风防护项目无法进行测量，导致了数据的不完整。

6.矿井中经常出现漏风、短路等情况，导致有效风量比偏低。尤其是在一些有人员进出的中段，风门开关导致风帘损坏或放置不到位，其主巷风门的漏风现象更加严重[6]。

三、铀矿山井下通风系统优化方法和措施

矿井通风系统的稳定性是保证矿井安全、高效开采的关键，对其进行周期性的优化是保证矿井气流稳定性的必要条件。因此，对通风系统进行科学、高效、合理的优化设计，不仅可以保证通风系统的平稳运行，而且还可以达到节能降耗、降低通风费用的目的[7]。对于新建成的铀矿，在矿井设计阶段就必须考虑到通风系统的最优选择，即选择最优的通风容量和风机；同时也要考虑到矿山的生产情况，给风量和风机能力预留一定的空间，并根据标准和要求建造各类通风设施。对于老矿井来说，要强化通风系统的管理，在矿井工作面发生较大变动的时候，应适时调节通风系统，根据日常监测数据和通风现状，在此基础上，对各工作场所的风量进行计算，并对其进行合理的分布。

（一）通风系统的传统优化方法

结合井下工作面和其它需风点、回风巷、主回风井的位置，需风点的风量，进行井底通风网的优化设计。通过对矿井主要进回风网络的不同测量点的风速、断面尺寸、风质、风量等参数进行分析，并通过手工计算与经验判别的方法，来判断矿井的风网是否能够满足当前的通风需求。在此基础上，对整个矿井的风网、各区段间风网、采场风网等进行规划，对已有的风网布局比较合理，能够满足井下通风的，可以保留下来，如果布局不合理，则对现有的风网进行重新规划，并对其中的主回风巷进行合理的布局，进而对风网进行进一步的优化，以达到与整个风网相适应，并达到通风需要的目的[8]。在实际的生产中，由于矿井下没有通风设施，或者没有对矿井下的风流进行有效的控制。首先对结束采场的联络道进行适时封闭，防止氡及子体析出；其次，对空气流量进行调节，对风门或风窗进行管理，调节风量；最后，无人作业的中段，在回风井前设置两道风门进行密闭，并在风门正面安装风帘，风帘被风吸住严密覆盖风门，确保风门严密性。

（二）优先选择最佳的节能型风机

选择效率高，运行条件好，与网络匹配的主风扇和局部风扇，从根本上保障了风机的节能和通风设备的最优布置。当前，离心通风机的最大效率可超过87%，因为它使用的是三元流叶轮；在高效率的轴流通风系统中，最大倍率可达到92%。加强对风扇和辅助设备的管理，降低风酥，风机内及扩散塔中的阻力损失和空气泄漏，改善风机的工作性能。对风机性能和风阻性能不匹配、风机超速运转、对矿井中电动机容量过大的老旧风机进行技术改造，如更换机芯，对叶轮及叶片进行改造，以改善其工作性能。另外，为了提高效率，降低能耗，还使用了变频调速技术。尤其对于一些天然风压较大的矿井，可根据季节的不同，利用天然风压差来调整风机的工作状态。

（三）矿井通风系统最佳化

1.通风布置优化

当矿井通风系统布置及通风模式不合理时，可对其进行调整，使其达到最优。当前，我国铀矿多采用抽吸式矿井通风，因矿井地下气压较低，导致矿井进风污染较大，且在回风部分存在较大漏风，导致主风机压差较小的问题。而在压入型通风中，必须确保进入部分的漏风不能过多，不然会对稀薄的氡气产生影响，从而无法达到降低氡气的目的。

2.通风系统优化

矿山通风网络的优化，主要是以调查与分析矿山现状为依据，应用几个数学运算和方法。比如，运用传统的运筹方法，如线性规划、非线性规划和动态规划，以决定空气流量，以达到防辐射的要求，以及把其它的限制用作边界条件，构建数学模型。然后通过转换与输入有关的参数，得到合理的风量分配方案与相应的数值，进而对通风网络进行优化，达到最优的通风系统配置。由于真实的井下巷道布局及工作场所的风量变化较大，因此，通常需要对真实的井下巷道进行简化，并将有关的约束条件以模糊化的方式加以处理，才能对其进行解算与优化。

针对铀矿开采中存在的排氡、降氡等特殊需求，需制定合理的通风量、通风压，以防止氡及其子体的异常沉淀，以达到通风防辐射的目的。在对通风系统进行优化后，要根据所得到的最佳方案进行计算，对通风动力设备进行更新和合理配置，对通风结构进行合理的设置和维护，同时用来测试每个用风场所的排烟和烟尘所需的空气量，并监测风场的相关指数，在需要的时候，要对这些用风地点进行重新的计算和优化。与此同时，还要强化日常的通风管理工作，以生产发展和实际需求为依据，对矿井的通风系统和通风网络进行适时的调整。

（四）健全通风制度

1. 应注意选择合适的通风方法。不同通风模式所处的气压环境及气压分布状况不同，其对氡气沉降的控制也存在差异，选择合适的通风模式可为氡气沉降的控制提供有利的条件。根据各种通风方式的控制特点，根据实际情况，选用合适的通风方式。

2. 集中进风、分区回风。国内铀矿因规模小，通常采用全矿统一通风方式，但随著产量的不断提高，尤其是进风流的污染日趋严重，使得分区回风的使用越来越多。在矿井田内，已形成了“集中进风、二路回风”的格局；其他矿井随生产发展，逐步形成集中进风，分3分区回风的通风方式。其优点是：风程短，阻力小，网络简单，管理方便；风流量容易控制，便于降低串风和合理的分风；保证进风的品质，避免“老化”的空气流动。所以对于铀矿山的矿井，在条件允许的情况下，要尽可能地采取分区回风，同时要对各个中间回风进行完善。

3. 矿井通风系统，也就是进风井和回风井，最好采用两翼对角式。已有研究表明，该布局具有进风风路较短、换气速率较高、通风结构较少、操作简便、氡和子体活度较低等优点。据统计， 这种矿的氡活度和其子体 alpha电位潜能浓度的合格率均在80%以上。

4. 合理设置通风网络。合理的通风网络应该是将新鲜空气快速输送到各需风工作面，并将污风直接送入回风管。在风网布置中，尽量减少角连通风网。角联式风网的特征是风压作用非常弱，气流不稳定，同水平角联式风网中，中角联式风网最不稳定。所以在对通风系统进行调节时，应特别重视对角连式通风网络的调节与管理。

5. 矿井风量的正确设置。在对矿井进行设计和改建、扩建通风系统的时候，应该以采矿开拓方案为依据，以矿石的氡析出率为依据，对矿井的通风系统、通风方式和通风量进行合理的选择。风量的计算要以矿井中的氡和氡子体的总沉淀量和有关规则为依据，以排除炮烟和粉尘所需的风量为依据，并预留充足的储备系数。

四、矿井下通风系统的优化设计

近年来，以矿井为研究对象，提出了许多新的理论和方法，并在煤炭、金属矿的实际生产中得到了应用。例如，应用图论、模糊数学理论、灰色系统理论、层次分析方法、现代控制理论、AUTO-CAD技术和计算机模拟，进行模型设计，使通风网络的系统、参数、方案得到最优的设计与管理，这样就可以解决矿井通风系统中的高耗能问题，有效风速过低。此外，还提出了通风网络优化的最小能耗原则，以构建矿井复杂通风系统数据模型与可靠性分析模型、网络模糊优选模型等为基础，以系统风量平差及风阻估计为依据，对矿山通风系统进行优化，这一结果已在铜绿山矿、丰山铜矿等矿山中得到了应用。由矿风网分析软件，能对风网的边角、结点进行计算，并能对20台以上的风网进行并行计算；可以解决自然风压、局部阻力、漏风、固定风量和并联风路的问题；可以计算出每个风道的风量、局部阻力、总阻力、风机的工作状态等。其所开发的软件，已经成功地应用于国内外几十家矿井，并取得了良好的效果。该软件首先把真实的矿井通风系统转换为数值模型，并输入到计算机中，其中包括了各风路几何参数，如矿井采场、矿内通风构筑物、室需风量、矿井主扇工况以及个体特征曲线的拟合，矿井自然风压测量与分布，对矿山通风系统进行简单化处理，并对矿山风网结点、边数进行计算。将以上所有数据的数值输入到计算机中，并进行调试，求出在数据方面的风量、风阻、风压和a系数，从而为矿井风网的优化提供了理论基础。

我国对于铀矿山通风系统的优化研究多集中于对矿井通风系统进行局部优化，或者只是对矿井通风降氡技术进行简单的研究，这与矿井通风降氡的特点密切相关。在铀矿山通风中，控制和降氡是首要任务，其主要目的是控制和降氡，而氡的析出量与矿井通风有着密切的联系。要抑制氡气的析出，就需要一定的空气流量，但如果空气流量太大，则会使氡气析出增加，从而加剧空气污染。因此，简单地采用增大风量的方法来提高矿井的防辐射性能和降低氡活度，往往会起到事与愿违的效果，使矿井通风系统的优化设计相对于其它金属矿更为复杂。对于特定的铀矿山来说，有可能有一个经济风量的合理区间。在铀矿山进行通风设计及风量计算时，应着重考虑风量与析出氡之间的关系，尽量采用最优法，选择出合理的经济风量。

结束语

总之，对铀矿山通风系统进行优化，并对其进行分析、探讨，以保证矿井降氡排尘对通风系统的基本要求为基础，对其进行优化，以达到降低空气中氡气浓度，降低空气中的氡气浓度，节约能源的目的。针对铀矿山，提出以氡气扩散-渗流理论为基础，以风量、风压和风速与氡气析出率之间的关系为约束，结合其它通风条件，构建了铀矿山通风系统的数学模型。通过对通风系统的简化，以最佳的方式设计或改造整个矿山的通风系统，并对其进行每日的动态调整与管理，这样才能使通风系统在最优的条件下运转，以达到节省动力成本，提高井下工作环境的目的，同时还能满足对井下辐射防护的需要。

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