基于Ventsim系統的多中段通風系統優化研究

黃傳寶,盛 佳,李向東,王亞軍

(1.嵩縣前河礦業有限責任公司, 河南 洛陽市 471435;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012;3.國家金屬采礦工程技術研究中心, 湖南 長沙 410012)

0 引 言

礦井通風系統是礦山生產系統的重要組成部分,礦井通風系統的運行狀態直接影響礦山生產安全及經濟效益。

前河金礦葚溝礦區礦巖松軟破碎,礦山采用豎井＋平硐＋盲斜井聯合開拓。現采用下向進路充填采礦法回采,采場沿走向布置,長40 m,寬為礦體厚度,段高40 m,不留間柱和頂柱,在脈內布置中央溜礦井,溜礦井上部架設人行梯,在進路走向上,每12 m布置1個充填通風小井。礦山生產能力16.8萬t/a,現有通風系統存在總風量及工作面風量小、通風井巷及生產區域污風反串嚴重、中深部中段高溫高濕及有害氣體超標等問題,致使井下生產作業條件較差,容易引發中毒窒息事故,制約礦山安全生產和中深部開采,因此急需開展礦區通風系統優化,以保證安全生產[1-2]。

1 礦區通風系統綜述

1.1 通風方式

葚溝礦區目前主要采用兩翼對角抽出式機械通風。地表平硐、豎井、盲豎井和盲斜井進風,新鮮風依次通過中段石門、中段運輸巷、采場穿脈進入采場,新鮮風洗刷工作面后,污風依次通過中段回風巷、東西兩翼回風天井排出地表。礦山東翼地表安裝1臺主扇,東翼240,80,0 m中段各安裝1臺輔扇;西翼地表安裝1臺主扇,井下未安裝輔扇,西翼端部未形成連續的回風天井,部分中段無回風天井。回采工作面和獨頭掘進工作面設置壓入式局部通風。

1.2 通風系統目前存在的問題

通過開展葚溝礦區通風系統現場調查測定,得知主要存在以下問題：

(1)礦山機械通風系統不完善,礦山生產能力為16.8萬t/a,滿足礦山生產需布置40～45個采礦作業面,由計算可得系統總風量應達到75.84 m3/s,但從現場測定情況來看,系統東翼總回風量只有27.30 m3/s,礦山總風量明顯不足。

(2)東西兩翼回風井斷面小、風阻大,部分中段風量不足、中段風量分配不合理,360,320,40,0 m中段進風量分別為10.49,6.97,6.27,12.84 m3/s,共36.57 m3/s,占各中段總進風量的87%。

(3)礦山采用下向分層膠結充填法采礦,無貫通上下中段的通風行人天井,采場上部回采作業面和下部出礦作業面分別設置局部通風,采場無貫穿風流,采場上部回采作業面人員進出的通道位于污風中,作業環境較差,采場通風困難、中段各采場污風串聯,CO濃度超標。

(4)進入深部開采后,導致風流路線加長,隨著原巖溫度的增加,熱害問題顯現。

2 通風系統方案優選

根據礦山現有開拓系統、通風系統和深部開拓設計,研發了2個通風系統方案,兩方案均分為淺部生產期和中深部開采期[3-4]。

2.1 礦區兩翼對角抽出＋中段分單元通風(方案一)

(1)淺部(400～－40 m中段)生產期通風系統優化方案。礦山中央的平硐、豎井、斜井進風,東西兩翼回風井回風;在東、西兩翼回風井井口各安裝1臺主扇,分別負責東、西兩翼的回風[5]。井下中段分成6個通風單元,分別為：400～280 m東翼單元、400～280 m西翼單元、240～120 m東翼單元、240～120 m西翼單元、80～－40 m東翼單元、80～－40 m西翼單元。方案見圖1。

(2)中深部(240～－160 m中段)開采期通風系統優化方案。隨著開采的深入,礦山應逐步封閉上部回采結束的中段,控制同時生產的中段數量。本方案基于上部400,360,320,280 m中段已回采結束并封閉后,利用400～280 m東、西翼單元回風井作為礦山總回風巷。

礦山中央的平硐、豎井、斜井進風,東西兩翼回風井回風;在東、西兩翼回風井井口各安裝1臺主扇,分別負責東、西兩翼的回風。井下中段分成6個通風單元,分別為：240～120 m東翼單元、240～120 m西翼單元、80～－40 m東翼單元、80～－40 m西翼單元、－80～－160 m東翼單元、－80～－160 m西翼單元,見圖2。

圖1 400～－40 m中段淺部生產期通風系統優化方案

圖2 240～－160 m中段中深部生產期通風系統優化方案

2.2 礦區兩翼對角抽出式＋中段分單元＋進風段

壓入通風(方案二)

(1)淺部(400～0 m)通風系統優化方案。采用礦山兩翼對角抽出式通風＋中段分單元通風。礦山中央的平硐、豎井、斜井進風,東西兩翼回風井回風;在東、西兩翼回風井井口各安裝1臺主扇,分別負責東、西兩翼的回風和400,360,320,280 m中段東、西翼的通風。井下中段分成4個通風單元,分別為：240～40 m東翼單元、240～40 m西翼單元、0 m東翼單元、0 m西翼單元。

(2)深部(0～－160 m)開采通風系統優化方案。采用礦山兩翼對角抽出式通風＋中段分單元通風＋進風段壓入通風。本方案基于上部400,360,320,280 m中段已回采結束并封閉后,礦山中央的平硐、豎井、斜井進風,東西兩翼回風井回風;在東、西兩翼回風井井口各安裝1臺主扇,分別負責東、西兩翼的回風;在新豎井與0～－160 m盲斜井聯絡巷內安裝1臺主扇,負責克服0,－40,－80,－120,－160 m中段進風段的通風阻力。井下中段分成4個通風單元,分別為：240～40 m東翼單元、240～40 m西翼單元、0 m東翼單元、0 m西翼單元。

2.3 通風系統優化方案比選

兩方案均能適應礦山多中段同時生產,保證各通風單元的風量,有效地分配風量,風量調節與控制靈活,可提高有效風量率,降低通風能耗;但是方案一礦山安裝風機較多,管理復雜。方案二在進風段設置主扇,應在進風段安裝較多風門,對礦山運輸產生一定影響,管理的難度也較大。綜合考慮方案的通風效果、工程實施的難易程度及工程成本投入[6-7],選擇方案一(礦區兩翼對角抽出式＋中段分單元通風)為本次通風系統優選方案。

3 方案數值模擬分析

運用AutoCAD和Ventsim對礦山通風系統優化改造設計進行建模,然后運用Ventsim[8]對通風系統優化改造設計進行仿真模擬分析。Ventsim通風系統三維模型見圖3。

分2個時期對通風系統優化改造方案進行分析,即：淺部生產期(400～－40 m中段)和中深部開采期(240～－160 m中段)的通風系統優化改造模擬分析。

圖3 Ventsim通風系統三維模型

3.1 淺部通風系統優化模擬分析

根據通風系統優化改造設計,對容易時期通風系統優化改造進行仿真模擬(見圖4)[9]。模擬分析得知：400～280 m東、西翼單元輔扇為風機負壓,這2臺單元輔扇不能給系統提供動力,并且還阻礙風流流動,因此400～280 m東、西翼單元均不需設置風機,仍需設置單元回風井。刪除400～280 m東、西翼單元輔扇后,單元輔扇、東西翼主扇模擬運行情況見表1,主要進風巷、回風巷和通風單元的模擬風速和風量見表2。

圖4 淺部Ventsim通風系統三維模型

表1 淺部單元輔扇、東西翼主扇模擬運行情況

由模擬結果[10]可知：

(1)440石門(盲斜井)進風量為11.9 m3/s,老豎井(452)進風量為36.79 m3/s,新豎井(480)進風量為34.52 m3/s,通風系統的總進風量為83.21 m3/s;計算礦井總需風量為75.84 m3/s,從通風系統模擬情況來看,系統總進風量滿足生產需要。

表2 淺部主要進回風巷和通風單元的模擬風速和風量

(2)主扇和單元輔扇的運行效率高,運行工況點合理,均大于78%。

(3)主要進風巷、回風巷和通風單元的模擬風速滿足《金屬非金屬礦山安全規程》要求。

3.2 中深部通風系統優化模擬分析

根據通風系統優化改造設計,對困難時期通風系統優化改造進行仿真模擬(見圖5)。單元輔扇、東西翼主扇模擬運行情況見表3,主要進風巷、回風巷和通風單元的模擬風速和風量見表4。

圖5 中深部Ventsi m通風系統三維模型

由模擬結果可知：

(1)440石門(盲斜井)進風量為7.3 m3/s,老豎井(452)進風量為35.63 m3/s,新豎井(480)進風量為43.73 m3/s,通風系統的總進風量為86.66 m3/s;計算礦井總需風量為75.84 m3/s,從通風系統模擬情況來看,系統總進風量滿足生產需要。

(2)主扇和單元輔扇的運行效率高,運行工況點合理,均大于70%。

(3)主要進風巷、回風巷和通風單元的模擬風速滿足《金屬非金屬礦山安全規程》要求。

表3 中深部單元輔扇、東西翼主扇模擬運行情況

表4 中深部主要進回風巷和通風單元模擬風速和風量

4 結論及建議

(1)隨著開采的深入,礦山深部將逐步形成新的生產中段,建議礦山逐步完成上部殘采中段(440,400,360,320,280 m中段)的采礦,并及時封閉采礦結束的中段,控制同時生產的中段數量。

(2)礦山采用下向分層膠結充填法采礦,采場上部回采作業面和下部出礦作業面分別設置局部通風,無貫通上下中段的通風行人天井,采場無貫穿風流,無2個安全出口,建議采場設置人行通風天井,改善采場通風條件。

(3)礦山目前生產中段12個,布置采場62個,掘進工作面22個,點多面廣,建議礦山優化采礦工藝,增大采場產能,減少同時作業采場數量,提高生產效率,減小通風系統負擔。

(4)中段開采順序原則上應采用后退式開采,中段應開拓脈外運輸巷和脈內巷道,且均聯接單元回風井,中段生產期間保持2條巷道的暢通。

(5)440 m中段目前進行殘采,無系統機械通風,應及時進行封閉,本次通風系統優化方案未考慮440 m中段的通風。