混合式階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)與回風(fēng)系統(tǒng)在脈狀礦床中的應(yīng)用研究

盛建紅 ，譚星宇 ，朱必勇 ，黃文 ，周林 ，邱金銘

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012；3.崇義章源鎢業(yè)股份有限公司，江西 贛州市 341000)

0 引言

國內(nèi)某多脈狀礦床開采的金屬礦山，前期為了投入少、見效快、減少開拓工程，沒有布置中段回風(fēng)巷、中段回風(fēng)天井和系統(tǒng)總回風(fēng)井，僅利用采場回風(fēng)天井回風(fēng)，中段采用階梯式階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。前期近地表開采，通風(fēng)效果還能適應(yīng)生產(chǎn)需要，但是進(jìn)入中后期深部開采后，礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況、技術(shù)參數(shù)和環(huán)境條件發(fā)生較大變化，礦山面臨系統(tǒng)總回風(fēng)不暢通、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、風(fēng)流短路和漏風(fēng)嚴(yán)重、通風(fēng)阻力增加、通風(fēng)難度加大、管理困難等突出問題。

目前金屬非金屬礦山常用階梯式、平行雙巷式、棋盤式、上下間隔式和梳式等階段通風(fēng)網(wǎng)路[1]。多層平行密集脈狀礦床具有多條平行礦脈，且支脈變化多，階段出露不一，尖滅不一等各種實際形態(tài)，上述五種單一的階段通風(fēng)網(wǎng)路由于容易造成污風(fēng)串聯(lián)、支脈無法回風(fēng)、開鑿工程量大、通風(fēng)成本高、風(fēng)流難于控制、漏風(fēng)等問題，均不適合多層平行密集脈狀礦床開采時的通風(fēng)。因此，研究一種適用于開采多層平行密集脈狀礦床且通風(fēng)效果好、可靠性高的階段通風(fēng)網(wǎng)路和回風(fēng)系統(tǒng)，對降低中后期礦山通風(fēng)成本，調(diào)節(jié)井下作業(yè)環(huán)境，保障生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外研究分析

在礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)研究歷程中，國外學(xué)者對于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的研究早在十九世紀(jì)初就已開始，至今已取得許多代表性的成果。1953年，日本平松良雄教授首次提出了“京大第一試算法”，為應(yīng)用計算機(jī)解算礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。1987年，日本井上雅弘編制的“風(fēng)丸”軟件最早實現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)測和優(yōu)化[2-4]。國內(nèi)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)方面的研究起步較晚，但近年來發(fā)展迅速，提出了很多具有較強(qiáng)實用性的方法。1990年，馬心校在使用斯考德-恒斯雷法解算風(fēng)網(wǎng)時，提出了校正各回路余樹風(fēng)量的同時校正本回路內(nèi)各樹枝風(fēng)量，其他不變的思路，結(jié)果表明可使各風(fēng)量接近真值[5]。近年來，基于CFD、ACPSO算法、網(wǎng)絡(luò)流理論、WINDOWS、回路風(fēng)量法等各種礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的分析理論日益系統(tǒng)化，方法豐富化[6-9]，礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模擬軟件也逐步打破國外壟斷，2008年，劉劍和倪景峰等人研究的礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)MVSS首次在國內(nèi)9省市24個礦井生產(chǎn)集團(tuán)推廣應(yīng)用[10-11]，數(shù)值模擬促進(jìn)了礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析方法的發(fā)展。

1.2 階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)對比分析

階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是由各階段進(jìn)、回風(fēng)巷道和進(jìn)、回風(fēng)天井所構(gòu)成的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，它是連接進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井的通風(fēng)干線[12]。分析金屬非金屬礦山常用五種階段通風(fēng)網(wǎng)路結(jié)構(gòu)的特點與多層平行密集脈狀礦床開采的適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)階梯式不能嚴(yán)格遵守回采順序，且支脈礦體不規(guī)整，出露尖滅不一，易造成風(fēng)流污染或支脈無法回風(fēng)；平行雙巷式開鑿工程量較大，適用于礦體較厚、開采強(qiáng)度較大的礦山；棋盤式需開鑿一定數(shù)量的專用回風(fēng)天井，通風(fēng)構(gòu)筑物也較多，通風(fēng)成本較高；上下間隔式由于中間階段回風(fēng)平巷不能實現(xiàn)專用，且上階段風(fēng)流下行難于控制也不適用；梳式需要擴(kuò)大穿脈巷道斷面且修建風(fēng)障的工程較大，進(jìn)、回風(fēng)巷相距很近，容易漏風(fēng)。對比分析可知：上述五種單一的階段通風(fēng)網(wǎng)路，由于容易造成污風(fēng)串聯(lián)或支脈無法回風(fēng)、開鑿工程量大、通風(fēng)成本高、風(fēng)流難于控制、漏風(fēng)等問題，均不適合多層平行密集脈狀礦床開采，因此，有必要對多層平行密集脈狀礦床開采階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 混合式階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)礦山平行密集脈狀礦脈賦存情況，克服現(xiàn)有5種階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不足，對多層平行密集脈狀礦床開采階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，研究發(fā)明了一種混合式階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)[13]。

混合式階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要是在礦脈端部利用階段平巷將平行礦脈貫通作為階段回風(fēng)巷，在階段之間利用專用回風(fēng)天井貫通，并與總回風(fēng)井連接，形成回風(fēng)通路。由于脈距很近，在同一階段可在平行礦脈間開鑿一小穿脈，利用已采完礦脈的沿脈巷道作為回風(fēng)巷，實現(xiàn)平行雙巷式通風(fēng)網(wǎng)路。對于規(guī)整的礦脈，利用采場回風(fēng)天井與上階段回風(fēng)巷貫通形成階梯式網(wǎng)路。對于不規(guī)整的礦脈或在上階段沒有出露的礦脈，無法利用采場回風(fēng)天井與上階段回風(fēng)巷貫通，可在同一階段平行礦脈間開鑿一小穿脈，利用相鄰沿脈巷道作為回風(fēng)巷，形成平行雙巷式網(wǎng)路，或者在采場上部與平行礦脈的采場回風(fēng)天井之間開鑿一小穿脈，形成混合階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。混合式階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，圖1中V1、V2、V3脈可通過采場回風(fēng)天井利用上階段已結(jié)束作業(yè)的運(yùn)輸巷道作為回風(fēng)道，形成階梯式階段通風(fēng)網(wǎng)路，也可利用端部階段回風(fēng)平巷形成平行雙巷式階段通風(fēng)網(wǎng)路。Vn1支脈由于走向未到端部，可與V1通過小穿脈形成平行雙巷式階段通風(fēng)網(wǎng)路。另外由于在上部階段未出露，可通過在采場上部與平行礦脈V1的采場回風(fēng)天井之間開鑿一小穿脈，實現(xiàn)平行階梯混合式通風(fēng)網(wǎng)路。Vn2支脈由于走向未到端部，可與V3通過小穿脈形成平行雙巷式階段通風(fēng)網(wǎng)路。另外由于在上部階段未出露，可通過在采場上部與平行礦脈V3的采場回風(fēng)天井之間開鑿一小穿脈，實現(xiàn)平行階梯混合式通風(fēng)網(wǎng)路。

圖1 混合式階段通風(fēng)網(wǎng)路

2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)圖1，建立一個包含一條進(jìn)風(fēng)井，一條回風(fēng)井，100 m中段、50 m中段和0 m中段共3個中段，V1、V2、V3、Vn1和Vn2共5條礦脈的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，其中Vn1和Vn2兩條支脈在100 m中段沒有出露。運(yùn)用 AutoCAD繪制通風(fēng)系統(tǒng)單線立體圖，然后導(dǎo)入Ventsim軟件中，轉(zhuǎn)換成三維模型，設(shè)置中段、各類井巷的參數(shù)和主扇，形成三維模型[14-15]。采用Ventsim三維通風(fēng)仿真軟件分別對階梯式通風(fēng)網(wǎng)路、平行雙巷式通風(fēng)網(wǎng)路和混合式階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算和風(fēng)流模擬[16-17]，并對比分析模擬結(jié)果（見表1）。

表1 各階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬數(shù)據(jù)

根據(jù)表1，分別繪制各中段沿脈平巷階梯式通風(fēng)網(wǎng)路、平行雙巷式通風(fēng)網(wǎng)路和混合式階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)量圖，如圖2所示。

圖2 各中段沿脈巷道風(fēng)量

對比分析模擬結(jié)果可知：

（1）Vn1和Vn2兩支脈在100 m中段沒有出露，采用階梯式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)由于沒有上部巷道作為回風(fēng)巷，風(fēng)量只有 0.1 m3/s，通風(fēng)困難；要形成完整的階梯式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，需要開鑿回風(fēng)天井和回風(fēng)平巷，工程量大。

（2）在同一階段平行礦脈間開鑿一小穿脈，利用相鄰沿脈巷道作為回風(fēng)巷，實現(xiàn)平行雙巷式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)后，總回風(fēng)量由66.9 m3/s增加到67.4 m3/s，Vn1和Vn2兩支脈通風(fēng)風(fēng)量增加到3.7～4.0 m3/s，V1、V2、V3主脈風(fēng)量減少到3.9～4.8 m3/s，但提高了有效風(fēng)量率，總體比Vn1和Vn2兩支脈風(fēng)量大，說明平行雙巷式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)較好地改善了不規(guī)整礦脈，或無法利用采場回風(fēng)天井回風(fēng)到上階段回風(fēng)巷的礦脈的通風(fēng)。平行雙巷式實現(xiàn)并聯(lián)后降低了通風(fēng)風(fēng)阻，增加了總風(fēng)量。

（3）在平行雙巷式的基礎(chǔ)上，再在采場上部與平行礦脈的采場回風(fēng)天井之間開鑿一小穿脈，形成平行階梯式混合階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)后，總回風(fēng)量由67.4 m3/s增加到 67.5 m3/s，V1、V2、V3 主脈以及Vn1和Vn2兩支脈風(fēng)量基本穩(wěn)定在4.2 m3/s，說明混合式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)在少量的工程條件下，實現(xiàn)了多層平行密集礦脈的通風(fēng)，且通風(fēng)風(fēng)阻最低。

混合式階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)在解決多層平行密集脈狀礦床開采過程中的通風(fēng)問題時，能有效充分利用已有的開拓切割工程，減少不必要的通風(fēng)井巷，降低通風(fēng)成本，有利于快速實現(xiàn)采場貫穿風(fēng)流，縮短回采時間、提高回采效率。并能根據(jù)實際條件對風(fēng)流進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，可實現(xiàn)回采順序調(diào)整及優(yōu)化，多階段多作業(yè)點同時作業(yè)，可避免回采作業(yè)面間風(fēng)流串聯(lián)，實現(xiàn)階段風(fēng)量調(diào)控靈活、合理分配，提高井下作業(yè)點通風(fēng)有效率，有效提高多層平行密集脈狀礦床開采安全性。

3 采場回風(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)系統(tǒng)

3.1 回風(fēng)系統(tǒng)模型

多層平行密集脈狀礦床通常采用淺孔留礦法、削壁充填法等采礦方法進(jìn)行開采。很多礦山前期沒有布置系統(tǒng)總回風(fēng)井，利用采場回風(fēng)天井回風(fēng)，造成開采系統(tǒng)總回風(fēng)不暢通，通風(fēng)阻力大等問題。根據(jù)礦山回風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，研究發(fā)明了一種利用上部回采結(jié)束的采場回風(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)作為總回風(fēng)通道的回風(fēng)系統(tǒng)[18]。

為更好地說明采場回風(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)系統(tǒng)，依據(jù)某礦山實際創(chuàng)建一個含 150 m、100 m、50 m、0 m 4個中段的連續(xù)采空區(qū)的模型，中段高度為50 m，采場長為50 m，采寬為2 m，頂?shù)字邽? m，回采天井?dāng)嗝鏋?.0 m×2.0 m。圖3為采場回風(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)作為總回風(fēng)通道示意圖。

圖3 采場回風(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)示意圖

3.2 安全可靠性分析

直接利用上部采空區(qū)作為總回風(fēng)通道，漏風(fēng)嚴(yán)重，風(fēng)流可控性較差且在井下得不到有效利用；另外，采空區(qū)形成較長時間后易垮塌，可能封堵回風(fēng)通道，采空區(qū)作為總回風(fēng)通道安全可靠性較低，因此，為了實現(xiàn)利用采場回風(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)作為總回風(fēng)通道，需對上部老采場和回風(fēng)天井進(jìn)行處理[19-20]，處理措施如下。

（1）選取礦區(qū)端部連續(xù)性較好的老采場作為利用對象，老采場按要求留設(shè)了規(guī)范的間柱、底柱和頂柱，布置的采場回風(fēng)天井如圖3所示。利用老采場為跨 150 m、100 m、50 m、0 m 4 個中段的連續(xù)采空區(qū)，每個中段采空區(qū)由多個采場空區(qū)形成；采空區(qū)上部通過總回風(fēng)平巷與地表相通，并與下部礦體開采集中回風(fēng)井相聯(lián)。

（2）對采空區(qū)進(jìn)行治理。礦脈采用淺孔留礦嗣后廢石充填法和削壁充填法開采，利用充填確保采空區(qū)的穩(wěn)定。采用混凝土或擋板封堵漏斗，防止采空區(qū)內(nèi)充填體從漏斗泄出，采場天井下方設(shè)置鋼筋擋網(wǎng)，防止采場天井內(nèi)巖石冒落；對采場回風(fēng)天井進(jìn)行混凝土或噴漿掛網(wǎng)支護(hù)，對各采場進(jìn)行處理后，各采場天井、中段平巷形成的網(wǎng)絡(luò)見圖3，圖中4條首尾相聯(lián)的采場天井形成回風(fēng)天井，共形成4條并聯(lián)回風(fēng)天井。

（3）除采空區(qū)與地表風(fēng)井、下部礦體開采回風(fēng)井相通的通道外，其他通道都進(jìn)行封堵，封堵150 m、100 m、50 m、0 m中段運(yùn)輸巷及與上部相通的井巷。

3.3 回風(fēng)斷面符合性分析

某礦山回風(fēng)量為51.4 m3/s，總回風(fēng)井?dāng)嗝嬉鬄?.6 m2。老采場留設(shè)回風(fēng)天井規(guī)格為2.0 m×2.0 m，總回風(fēng)斷面積為16 m2，符合通風(fēng)要求。假如總回風(fēng)斷面要求更大，則多并聯(lián)幾個回風(fēng)天井，直到回風(fēng)天井?dāng)嗝婵偤痛笥诳偦仫L(fēng)井?dāng)嗝婕纯桑虼耍貌蓤龌仫L(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)作為總回風(fēng)井巷回風(fēng)斷面符合要求。

3.4 通風(fēng)阻力計算

礦井通風(fēng)阻力主要包括摩擦阻力和局部阻力兩部分，其中巷道的通風(fēng)摩擦阻力由式（1）計算：

式中，hf為巷道通風(fēng)摩擦阻力，Pa；α為巷道的通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)，(N·s2)/m4；P為巷道通風(fēng)斷面的周邊長度，m；L為巷道長度，m；S為巷道的通風(fēng)斷面，m2；Q為巷道通過的風(fēng)量，m3/s。

根據(jù)式（1）可計算出巷道的通風(fēng)摩擦阻力，再加上通風(fēng)局部阻力后即為礦井通風(fēng)總阻力。局部阻力一般為礦井通風(fēng)摩擦阻力的20%。綜上，分別計算出 150 m、100 m、50 m、0 m 4 個中段采場回風(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)和布置0～150 m系統(tǒng)總回風(fēng)井的通風(fēng)阻力，結(jié)果見表2。

表2 通風(fēng)阻力計算結(jié)果

由表2計算結(jié)果可知：利用150 m、100 m、50 m、0 m 4個中段采場回風(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)井的通風(fēng)阻力為48.3 Pa，系統(tǒng)總回風(fēng)井通風(fēng)阻力為122.47 Pa，這是因為采場回風(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)分散了風(fēng)流，且并聯(lián)風(fēng)阻比串聯(lián)風(fēng)阻小。系統(tǒng)總回風(fēng)井由于風(fēng)量大，通風(fēng)阻力與風(fēng)量的平方成正比關(guān)系，所以通風(fēng)風(fēng)阻更大。

4 結(jié)論

（1）混合式階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)與階梯式通風(fēng)網(wǎng)路、平行雙巷式通風(fēng)網(wǎng)路相比，通風(fēng)效果最優(yōu)，可充分利用已有開拓切割工程，減少不必要的通風(fēng)井巷，提高井下作業(yè)點通風(fēng)效率并降低通風(fēng)成本，解決了多層平行密集脈狀礦床開采支脈無法回風(fēng)、容易污風(fēng)串聯(lián)，通風(fēng)井巷工程量大等通風(fēng)問題，克服了 5種階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不足。

（2）利用采場回風(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)作為總回風(fēng)巷的回風(fēng)系統(tǒng)，在滿足基本要求的前提下，由于風(fēng)流分散、回風(fēng)斷面大、通風(fēng)阻力小，可以很好地解決老礦山通風(fēng)系統(tǒng)總回風(fēng)無專用回風(fēng)井回風(fēng)困難的問題，而且具有安全可靠、通風(fēng)工程少、投資費用低、工期短、不影響正常生產(chǎn)等優(yōu)點。

（3）混合式階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和利用采場回風(fēng)天井并聯(lián)回風(fēng)作為總回風(fēng)巷的回風(fēng)系統(tǒng)，對多層平行密集脈狀礦床開采具有廣泛的推廣作用。