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摘要 ：本文主要介绍地下矿山通风系统为什么要具备反风能力， 以及通风系统反风能力的构建依据和反风方式及方法， 重 点介绍了大屯锡矿如何实现井下通风系统反风，以及反风技术 在多级机站机械通风系统应用的实践效果。
关键词 ：火灾模拟,反风方式,反风方法,控制系统,反风试验
1 目的和意义
井下火灾事故是造成地下矿山多人伤亡的主要事故之一， 其主要是因为是当主要进风巷道、分段和盘区运输巷道突发电 气、设备火灾或因动火作业管控失效引发火灾时， 有毒气体和有 害烟尘沿进风巷道进入生产作业面，造成井下作业人员群死群 伤，为有效遏制此类事故的发生， 采用通风系统反风技术来实现 井下进风巷道风流反转， 将原来进风通道转变为回风， 进而有效 地防止进风段因火灾产生的有毒气体和有害烟尘沿进风巷道排 出地表， 阻止有毒气体和有害烟尘进风各生产区作业面。
2 反风系统建设依据
根据《金属非金属安全规程》(GB16423-2020) 中第 6.6.3.3 条 “主通风设施应能使矿井风流在 10min 内反向，反风量不小于正 常运转时风量的 60%。采用多级机站通风的矿山，主通风系统的 每台通风机都应满足反风要求， 以保证整个系统可以反风”。
3 反风方式及方法
3.1 反风方式
目前根据井下火灾的大小、火灾地点、影响范围、危害程度 等的不同， 地下矿山常用的反风方式有三种 ：全局性反风、区域 性反风、局部反风。
3.1.1 全局性反风
全局性反风是实现全矿总进、回风井及采区主要进、回风巷 的风流全面反风的重要方式。当矿井的主进风通道(井口、井筒、 平硐、井底车场和与井底车场直接相通的主要运输平巷) 发生火 灾时， 全局性反风可式进风巷道风流反向， 防止大量有毒气体和 高温浓烟进入生产作业区造成大量人员中毒窒息。
这种方式的优点是能够通过主要通风机反转或调节反风设 施实现，能够保证火灾产生的有毒气体和有害烟尘全部经原主 要进风巷排至地面、缩小受影响区域 ;缺点是反风后矿井大面 积通风方式、作业地点风量、风向均发生变化，且无法及时获取变化后的通风参数，易发生无风、微风、局部有毒气体和有害烟 尘聚集等次生灾害，其次是原着火点的上风侧区域变为下风侧， 若该区域作业人员撤离不及时， 仍可能会造成人员伤亡。
3.1.2 区域性反风
区域性反风主要为在多进风矿井一翼(或某一独立通风系 统) 进风巷道(包括主进风平硐、兼做进风的主运输平巷) 发生火 灾时，调节一个或多个主要通风机，可实现矿井部分地区内的风 流反向的反风方式。其适用范围和优缺点与全局性反风相类似。
3.1.3 局部反风
局部反风是指当采区内发生火灾时，主要通风机保持正常 运转， 通过调整采区内预设风门开关状态， 实现采区内部部分巷 道风流的反向， 把火灾烟流直接引向回风巷道中的反风方式， 其 主要适用某一采场、矿房发生火灾时， 为防止事故扩大而采取的 一种反风方式。
这种方式的优点是较全局性反风和区域性反风具有通风系 统变化可控性较高，风量、风速可预测性强等优点，局部性反风 期间不会对原新鲜风流巷道产生大的影响。缺点是①考虑到行 人、车辆违规开启或损坏风门导致风流短路，要求反风设施的稳 固性、可靠性较高 ;②由于部分反风设置难以实现远程操控，因 而即时性、安全性无法保证，可操作性差 ;③局部反风所能覆盖 区域较小， 需多处局部反风设施联合布置才能对主要进风巷全覆 盖，并保证对着火点风流就近短路， 才能将受灾区域压缩至最小。
3.2 反风方法
常用的反风方法有反风门与旁侧反风道反风、调节通风机 叶片角度反风、反转通风机叶轮旋转方向反风三种方法。
利用反风门与旁侧反风道反风需要预先在通风机硐室旁侧 施工反风道和安装反风门。优点是主要通风机不需反转， 可以保 持正常运转，无停机时间 ;缺点是需要在风机硐室旁侧增加用 于反转风流的两条反风道、工程量大， 当有多个风机硐室并联时 反风道布置困难， 现场工程较为密集， 支护工程量较大。
调节通风机叶片角度，实现风机反风。优点是主要通风机不 需反转，无需施工反风道和安装反风门，工程量小、投资省 ;缺 点是需要人员到现场调节叶片角度，反风后作业人员无法及时 撤离现场， 且可操作性差、及时性差、可靠性和安全性差。
反转通风机叶轮旋转方向反风是通过反转主通风机实现风 流反向，常用的方式有两种，但考虑到安全性和可操作性常用 的是变频控制柜调节电机三项顺序使电动机改变转向，其优点是无需施工反风道和安装反风门，工程量小、投资省，便于实现 远程控制通风机反转，可操作性、即时性、可靠性和安全性均较 好 ;缺点是需要增加风机变频控制设备， 投资较大。
4 矿山反风系统构建分析
4.1 矿山通风系统简介
大屯锡矿井下通风系统为以抽为主压为辅的多级机站机械 通风系统，采用多路进风、分区通风、集中回风的方式为井下供 给新鲜风流和排出有毒气体、有害烟尘。机站分为四级，一级为 压入式主机站， 二级为分风压入式辅助机站， 三级为汇风抽出式 辅助机站， 四级为抽出式主回风机站。
4.2 矿山生产区简介
矿山生产区由北至南依次建有 1 号生产区、2 号生产区和 3 号生产区，1 号生产区为有轨运输系统，2 号生产区为以有轨为 主与无轨相结合的运输系统，3号生产区为以无轨为主与有轨相 结合的运输系统， 三个生产区通风系统相对独立。
4.3 井下火灾风险源分析
矿区所在区域气候温湿多雨，年均降雨量 1603.1mm，年 均蒸发量 1203.1mm ;旱雨季较为分明，年均气温 11.5℃，最高 25.9℃，最低 -9.5℃，相对湿度 84%。井下平均温度 18℃，平均 湿度 90%， 井下环境常年较为潮湿。
目前矿山已探明或正在开采的硫化矿床含硫较低，矿石氧 化自燃着火风险较低， 加之矿山已禁止使用木支护， 且禁止使用 木材作为支护充填结顶材料，同时井下常年温度较低、湿度较 高，因此井下火灾风险源主要有兼做进风且存在运输设备自燃 或因事故造成车辆燃烧风险的运输平巷、电气设备硐室(包括提 升机硐室、配电硐室等) 等，而这些危险源主要分布于矿井总进 风巷道和盘区、中段主要进风巷道中，是井下火灾重点防控部 位，也是在突发火灾必须立即反风的区域。
4.4 井下火灾模拟
根据上述危险源分析，结合VUMA 三维通风仿真系统(以 下简称“VUMA”) 构建的矿区通风系统模型模拟井下四个兼做 进风的主运输平巷在突发火灾事故后有毒气体和有害烟尘扩散 范围和受灾区域，以便合理、正确选择反风方式和反风方法，将 火灾事故造成的影响和损失控制到最小范围，避免井下作业人 员伤亡。
4.4.1 内燃设备火灾事故模拟
内燃设备火灾会产生大量含有碳氧化物、氮氧化物和硫化 物的气体和高温烟尘，有毒气体和有害高温烟尘进入生产区后 会造成大量作业人员伤亡。假设 1360 中段无轨基础平台主运输 斜坡道突发车辆火灾事故， 同时为了让模拟效果更为明显， 通过 VUMA 在火灾模拟点设置了较高的污染物释放浓度(有毒气体 3000mg/s， 有害烟尘 300mg/s)。
有毒气体和有害烟尘沿 1360 无轨基础平台主运输斜坡道经 盘区斜坡道和斜井分别进入2号生产区 1360m 生产盘区和 3号生 产区 1360 ~ 1540 生产中段后沿端部主回风系统排出地表。经模 拟，此位置发生火灾事故后受灾范围广，2 号和 3 号生产区受到 严重污染。
4.4.2 有轨主运输巷道火灾事故模拟
假设有轨主运输巷道突发架线脱落引燃运输材料或电机车 自燃等火灾事故，通过VUMA 在下列有轨主运输巷道中设置高 释放浓度的污染物(有毒气体 3000mg/s， 有害烟尘 300mg/s)。
(1) 1360 中段矿坑有轨主运输平硐。大量有毒气体和有害烟尘 沿 1360 中段矿坑有轨主运输平硐进入 1号生产区 1360生产中段， 少量进入2号生产区 1360生产盘区，污染物进入生产区后沿端部 主回风系统排出地表。经模拟，此位置发生火灾事故后受灾范围 广，主要污染到 1号，2号生产区部分盘区受到一定程度的污染。
(2) 1720 中段正坑主运输平硐。有毒气体和有害烟尘沿 1720 中段正坑主运输平硐进入2号生产区 1360 ~ 1720 生产中段后沿 端部主回风系统排出地表。经模拟， 此位置发生火灾事故后受灾 范围广， 严重污染2号生产区。
(3) 1720 中段北坑主运输平硐。有毒气体和有害烟尘沿 1720 中段北坑主运输平硐进入 1号生产区 1360 ~ 1450 生产中段后沿 端部主回风系统排出地表。经模拟， 此位置发生火灾事故后受灾 范围广， 严重影响 1号生产区。
4.5 模拟结果分析
根据上述分析，当主进风通道突发火灾事故时应采取全局 性反风的方式， 迅速改变矿井风流方向， 防止有毒气体和有害烟 尘沿主运输巷道进入生产区威胁作业人员生命安全，并迅速将 有毒气体和有害烟尘沿进风道排除地表。
5 如何构建矿山全局性反风系统
依照《金属非金属矿山安全规程》(GB16423-2020) 关于地 下矿山通风系统反风要求，为使矿山井下风流能在 10min 内反 向，对于多级机站通风系统的矿山必须实现通风机变频控制和 远程控制， 以及主要风门的远程控制。
5.1 主通风机变频控制系统
2021 年矿山对井下通风系统进行了全面改造和升级优化， 新安装的主通风机有DK和 K 系列，DK 系列为对旋式轴流通风 机，风机安装有两台电机和叶轮，一级电机使气流获得能量后， 由二级电机压出，K 系列为普通轴流通风机。新主通风机均安装 变频控制柜，可以实现了通风机变频调速和一键反风功能。DK 系列为一线双电机，每台风机配两套变频控制柜，K 系列风机为 一线单电机， 每台风机配一套变频控制柜， 需要反转时通过变频 控制柜改变电机三项顺序实现风机反转。
5.2 主通风机远程控制系统
远程控制系统利用原有工业环网及远程 1/0 控制技术，通过 光纤传输将井下风机房控制及监控数据上传，最终实现通风设 备的自动化控制和远程控制。系统由风机控制分站、风机控制主 站和调度中心上位机集控系统三部分组成，低压风机采用变频 器远程控制，有远程和就地等功能。在网络中心机房设计操作 员站， 该操作员站控制井下各个分站的风机设备。调度中心有两 套Wincc软件，作为风机控制系统运行平台。井下风机控制分站 通过网络直接和变频器通讯， 采集风机的运行数据， 经主干环网 MGTSV-8B矿用阻燃光缆上传至调度中心集控室的核心交换机， 再经核心交换机传至集控中心的操作员站集中显示及控制。
控制方式有就地手动和远程两种控制方式，就地手动控制 方式变频启动， 远程提供手动变频启动控制方式， 各方式优先等 级为就地>远程手动>远程自动。
5.3 主要风门远程控制系统
考虑到大箐通风竖井4 台风机并联运行存在通风机启、停时 相互影响的情况，在风机硐室前端安装可就地手动控制和远程 控制的自动风门， 风门与通风机实现联锁， 即风机启动时风门自 动打开， 风机停止时风门自动关闭。
5.4 环境监测系统
金属非金属地下矿山建设环境监测系统的目的在于实时监 测、收集和储存井下空气中氧气、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化 物等各种气体各种气体含量，通过这些数据的变化可以大致分 析出井下正在开展的作业活动或是否发生井下火灾等情况。当 主要进风巷道和中段分风监测点报警时，说明进风巷道突发火 灾事故， 需立即启动反风应急措施。
矿山共建设了 37 个环境监测点，用于监测氧气、一氧化碳、 风速等，其中在 9 个主通风机硐室还增加了风压监测，监控点主 要设在主进风巷道、盘区和中段主要分风点和主要风机硐室等 位置。系统采用 GFY15 型矿用风速传感器、GF5 型矿用风流压 力传感器、GTH1000 型矿用一氧化碳传感器、GYH25 型矿用氧 气传感器将监测数据采集后就地显示，并通过MGTSV-8B 矿用 阻燃光缆上传至上位机显示提供给操作、监控人员。
6 通风系统反风技术的实际应用
为验证通风系统反风能力是否能够满足《金属非金属矿山 安全规程》(GB16423-2020) 的相关要求，以及矿山安全生产需 求，采用VUMA模拟和现场开展反风试验进行验证。
6.1 通风三维仿真系统模拟
分别设置风机正转和反转，通过VUMA 分别解算出来正转 和反转的风量进行对比， 同时假设主要进风巷道发生火灾时， 模拟有毒气体和有害烟尘的扩散方向及扩散区域，进而验证通风 系统反风能力。经解算 1360 中段无轨基础平台、1360 中段矿坑 主运输平硐、1360 中段矿坑主运输平硐、1720 中段 970 专用进风 平硐、1720 中段硫化矿专用回风平硐等多个主要进、回风巷道 反风风量均达到 75% 以上。
假设兼做进风的主要运输巷道突发火灾事故，并在 1360 中 段无轨斜坡道 1800m、1360 中段矿坑 3500m、1720 中段正坑主运 输平巷 1500m、1720 中段北坑主运输平巷 1600m、1720 中段 970 专用进风平硐2800m 等位置设置污染物，释放浓度分别为 ：有 毒气体 3000mg/s， 有害烟尘 300mg/s， 模拟结果如下。
当全部主通风机反转后，有毒气体和有害烟尘并未沿运输 巷道进入生产区， 而是沿运输巷道直接排出坑外， 根据模拟结果 判断通风系统反风能够满足进风段火灾事故应急处理，可有效 防止因有毒气体和有害烟尘进入生产区，造成井下大量作业人 员伤亡的风险。
6.2 通风系统反风试验
为进一步验证通风系统反风能力的可靠性和安全性，矿山 于2022 年2 月25 日 9 ：00 ~ 12 ：30 进行了全局性反风试验，并 委托长沙矿山研究院股份有限公司技术人员到现场进行技术指 导并出具反风试验报告。
主通风机由风机操作人员在调度指挥中心通过风机远程 操作平台逐一停转后再逐一启动反转，主通风机从正转停止到 反转启动用时 9min23s，矿井风流在 10min 内完成反向，期间井 下测风人员在指定测风站观测和记录风向、风速数据，数据每 2min 测定一次。
根据长沙矿山研究院股份有限公司出具的反风试验报告显 示，矿井主通风机从正转停机到反转启动用时 9min23s，矿井 风流在 10min 内完成反向，进风端反风率为 62.97%，回风端反 风率为 78.36%，三项指标均满足《金属非金属矿山安全规程》 (GB16423-2020) 的要求。
7 结语
通风系统反风技术在大屯锡矿的成功应用全面提升了通风 系统的安全性、可靠性和实用性， 解决了当专用进风巷道与主要 运输平巷突发火灾时有毒气体和有害烟尘顺风流进入生产区威 胁井下作业人员生命安全的问题，提高了矿山对突发火灾事故 的应急救援能力，为火灾事故中井下作业人员赢得更多的逃生 和撤离时间。
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