挑水河磷礦通風系統三維模型構建及優化應用

柳勇，吳曉明，陳能坤 ，胡建華，周坦

(1.湖北三寧礦業有限公司， 湖北 宜昌市 443000；2.中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410000)

0 引言

我國磷礦資源整體上多薄少厚，大部分呈緩傾斜儲存[1]。隨著緩傾斜薄礦體開采規模的增加作業分散，導致礦山通風系統出現需風點范圍大、通風網絡復雜、風流紊亂、風量分配不均等問題。隨著通風解算軟件研究加快，運用解算軟件進行通風系統管理是一大重要趨勢。利用三維通風模擬軟件，可以對井下風網進行快速模擬，準確反饋井下各項通風參數的變化，為通風系統的優化提供重要依據[2]。

1 工程背景及問題分析

湖北三寧挑水河磷礦是正在開采的一座磷礦山，預計儲量2億噸，礦體賦存范圍為海拔81.67～614.75 m，礦體平均厚度4 m，整體呈緩傾斜賦存，屬于大范圍緩傾斜薄礦。

1.1 通風系統現狀

根據采區設置及開拓運輸系統布置，三寧挑水河磷礦依照設計實行對角單翼式機械抽出通風方式。主扇為一臺型號為FCDZ-Ⅱ№27的軸流式風機。工作面所需新鮮風流在 896，902斜坡道進入，流經斜坡道進入各中段采場，供給保障采場工作人員安全。污風經階段平巷匯入回風巷道，經 1018風井排出地面。根據挑水河磷礦實際建設生產情況，對井下總進出風量進行監測。同時，在礦井中各個盤區主要的運輸巷道、局部進回風巷道等地布置測點進行測量。經測定礦山總進風 167.466 m3/s，總回風179.76 m3/s。現有通風系統需求超過礦山設計需風量148.12 m3/s，基本滿足現有生產總需風量。

1.2 存在的問題

經對井下通風系統進行詳細調查，發現井下南部采區通風系統存在如下問題。

（1）向井下運輸和破溜系統提供新鮮風流的1245皮帶巷道出現反風，新鮮風流自896巷進入經由862探礦巷道、864中段、860中段、875平巷直至1245送出地面，溜破系統中充斥污風。

（2）南部采區風流短路，新鮮風無法沖刷作業面。南部首采區新鮮風流主要由902斜坡道進入，由902斜坡道流入883主巷，繼而由各采區斜坡道沖洗工作面，再由2#回風井經1018風井排出。但經實際測量，新鮮風流經883直接回風，導致新鮮風流難以進入工作面進行沖洗。部分風流出現內部風流短路，由 883～915下山直接回風，另外部分進入工作面的風流難以達到要求，甚至有部分巷道出現反風。2#巷回風量極小，通風未能達到預期效果，工作環境較差。

2 通風優化方案

目前基于迭代解算技術的通風系統管理軟件有很多[3-4]，利用軟件可以進行礦井通風設計、日常管理、實時解算、系統經濟分析、污染物擴散模擬、風機選型、調速及反風試驗、構筑物優化等多項功能，建立礦井通風系統的三維模型，方便用戶在不同的角度觀察通風狀態信息以及及時地發現問題[5-9]。

2.1 模型建立

三寧挑水河磷礦在日常生產過程中已經使用數字化礦山軟件DMINE進行生產管理，礦山擁有實時的采掘系統圖，將礦井生產系統三維模型導入通風解算軟件進行實體轉換就可以得到三寧挑水河磷礦通風網絡仿真模型。其采通風系統三維模型如圖1所示。

圖1 三寧挑水河磷礦通風模型

2.2 通風系統現狀模擬

在測量數據的基礎上對礦井三維通風模型進行通風系統現狀模擬，解算結果顯示進、回風布局與現狀相同，總進風 168.8 m3/s，回風 166.2 m3/s，與實際測量基本相符。由于礦山開采范圍大、風路復雜，在局部采區出現風流短路、作業面需風量不足、污風反向等問題，與上述基于調查參數總結分析的通風系統問題吻合。如圖2所示，其中南部采區如圖測點 1-9、1-10出現反風情況，與實際情況相符。902進入的新鮮風流，部分由883西端經聯絡道至915快速下山回至1018回風井，部分由南四匯入南部回風巷，回風巷回風量過小。測點2-26回風巷回風量與實際大致相符，模擬結果如圖3所示。

圖2 883-采區情況模擬結果

圖3 測點2-26模擬結果

由測量參數和軟件模擬對比分析可得，本文所建立的通風系統三維動態模型基本符合礦山通風實際情況。因此在礦山實際運行過程中，可以依托本文所建立模型進行礦山通風系統解算、優化方案調整驗證。

3.3 解決措施及模擬驗證

針對三挑水河磷礦礦井通風系統現狀、存在問題及今后生產對通風的需求，提出南部采區通風系統局部優化措施并進行模擬驗證。

（1）方案一。883運輸巷的新鮮風流在最小風阻作用下直接由915下山回風，導致南部2#回風井回風量較小，污風串聯，甚至反風。因此考慮在883運輸巷末端設置自動風門。通過增阻方式，減少直接回風量，以增加沖刷采場的風量，構筑物布置方式見圖4。

圖4 南部采區通風優化方案一

模擬結果分析如下。

在883巷道末端設置自動風門，模擬風門關閉時的通風網絡情況。設置自動風門后，對整體通風網絡進行模擬運算。計算結果顯示加入風門可以有效地防止風流由聯絡巷道至915下山回風，增加部分新鮮風沖刷南四采場并進入南部2#回風巷回風。但改善效果不強，南二—883反風情況改善較小。南部回風巷總回風由 26.2 m3/s增加至 27.4 m3/s，測點 2-26 風量由 9.1 m3/s增加至 19.4 m3/s。模擬計算結果如圖5所示。

圖5 方案一模擬結果

（2）方案二。883運輸巷在與883中段和878中段連接處較多，且形成十字岔口，風路組成復雜，通風混亂。且878中段回風距離較短，導致大量風流進入878中段。因此導致研究區域通風效果不理想。在883運輸巷末端和883運輸設置自動風門，減少混亂風流，控制新鮮風流流向，構筑物布置見圖6。

圖6 南部采區通風優化方案二

模擬結果分析如下。

通過軟件在圖6所示巷道位置設置風門后進行通風網絡平衡的模擬運算。計算結果顯示設置密閉墻和風門可以有效地防止大量新鮮風流進入878中段，改善風流混亂情況。模擬結果顯示方案二可有效增加部分風流沖刷采場并進入南部 2#回風巷回風。對南二—883反風情況同樣有較大改善。南部回風巷（2#）總回風由 27.4 m3/s增加至 52.6 m3/s，測點2-26風量由9.1 m3/s增加至37.0 m3/s。該方案效果較好。模擬計算結果如圖7所示。

圖7 方案二模擬結果

方案二基本為方案一補充方案，通過模擬對比，方案二效果較優。該方案不僅可以優化風路，還可以對以后結束回采工作的采場進行最小風流控制和采場通風密閉，減少總體通風的浪費，進一步實現總體通風網絡優化。

3 結論

（1）以挑水河磷礦為對象，對典型大范圍開采的緩傾斜薄礦體通風網絡進行研究。結合井下實測發現，原設計“四進一回”的通風格局變為“三進兩回”，總進、回風路徑與設計不符；井下南部開采區域產生風流短路和污風循環，需風工作面風量不足，風流浪費嚴重，導致南部采區工作環境變差。

（2）采用通風模擬軟件建立了挑水河磷礦的通風系統三維模型，并進行井下風網驗證性模擬。模擬結果顯示，所建模型可以有效反映井下通風實際情況，為開展通風系統方案研究奠定了基礎，不僅提高了方案設計效率，而且同時實現了通風系統的可視化展示。

（3）針對通風問題突出的南部采區，設計優化方案，經模型驗證，最終確定在883運輸巷末端和883運輸巷與878中段相連接的岔口設置自動風門，通過增加通風構筑物改變巷道風阻控制風流流向，減少混亂風流現象。