程潮鐵礦深部開采通風系統優化與熱害模擬研究

吳文博 劉 洋 任高峰 韓亞民 李吉民

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院,湖北 武漢 430074;2.湖北碳排放權交易中心,湖北 武漢 430070;3.武鋼資源集團程潮礦業有限公司,湖北 鄂州 436051)

礦井通風網絡是描述通風系統中風流分岔、匯合線路的一種結構形式,隨著井下采掘工作面的接替,開采深度的增加,通風網絡也在不斷發生變化。礦山深部開采過程中,往往會因為實際生產方案與已有通風設計不符而形成一些不合理的通風網絡,導致礦井通風系統紊亂,通風效果變差[1-4]。

由于地熱梯度的影響,巖石的溫度會隨著埋深增加而上升,不同區域的地熱梯度可能相差較大,地殼的近似平均地熱梯度是每千米25 ℃,導致深井開采通常會面臨高地溫引發的熱害問題,由于我國對于深井開采的定義是開采深度超過800 m 的礦山,因此對于礦山開采深度小于800 m 時所面臨的熱害問題少有研究[5-7]。事實上由于礦井生產環境復雜,井下熱害問題凸顯的區域并不總是最深的中段,井下熱害問題的成因也呈現多元化。

自1953年Scott 和Hinsley 首次使用計算機解決通風網絡問題以來,通風網絡解算、分析及繪圖軟件得到了深入研究和開發[8]。國內外學者利用通風網絡解算軟件已開展過許多研究。楊鐵江等[9]利用Ventsim 建立了礦井反風模型,解算了采取反風措施后礦井風量分配及火災煙氣CO 分布,優化了通風系統反風能力;李孜軍等[10]在Ventsim 通風模型中選取有代表性的分支,運用單因素分析法研究礦井風阻變化對風機工況以及通風穩定性的影響;辛嵩等[11]基于Ventsim 構建山東鄆城煤礦礦井單翼通風系統模型,分析單翼通風系統存在的問題,并對其通風阻力進行優化處理;袁明昌等[12]則是結合現場調查數據解算礦井需風量,分析通風效果后再對Ventsim 模型進行風機調節、風阻調節等優化方案。

關于Ventsim 的研究主要集中在通風網絡模型構建、風機參數調節、通風阻力系數優化等方面,研究者均建立了不同規模的通風網絡模型并加以分析,但普遍缺乏對于所建通風三維模型是否可靠的驗證,同時也少見應用Ventsim 開展熱模擬研究工作。事實上,由于礦山生產系統的變動和復雜性,依據設計資料所構建的模型往往與實際生產情況并不貼合,從而使得解算結果與實際不符,得到的優化方案也無法起到預期效果。另外,程潮鐵礦井下-570 m 中段所面臨的熱害問題的主要成因及治理方式也亟待深入探究。

1 工程背景

程潮鐵礦采用對角式通風系統,進風井有4條,分別為新副井、措施井、東主井和西風井,現由于東主井垮塌,計劃將東主井封閉。回風井有2條,分別為西區回風井和新回風井,西區回風井主扇工作風量為150 m3/s,新回風井主扇工作風量為370 m3/s ,通風系統總風量為520 m3/s。

通風系統新鮮風流由新副井、措施井、西風井和東主井進入-430 m 中段,然后經采區進風天井到各分段下盤沿脈巷,污風由采區出風天井分別上行進入-447 m 中段的新回風井排出地表。現階段采礦作業點主要集中在-480 m 中段與-500 m 中段,-570 m中段尚處于開拓掘進階段。地表各風井、地下-500 m 標高以上中段總體情況如圖1所示。

圖1 程潮鐵礦通風系統立體圖Fig.1 Stereoscopic view of ventilation system of Chengchao Iron Mine

2 通風系統調查

2.1 通風系統特點

為了更合理地建立符合程潮工程實際的三維通風模型,結合程潮鐵礦的開采現狀總結了以下特點:

(1)目前開采中段集中在-480 m 中段,-430 m以上的中段基本不再有生產活動,其主要通風設施及進風馬頭門均已封閉,對現有的通風系統基本無影響。

(2)由于-480 m 中段為正在開采的采場,而采場施工與運輸工作對風流擾動作用明顯,極大影響了測試精度,測定過程中取消了對該生產中段的測定,同時針對-430 m 中段和-500 m 中段開展詳細測定,并繪制-430 m 中段、-500 m 中段通風網絡調查圖。

2.2 礦井通風與熱害調查

基于上述特點,對通風系統現狀進行了全面的調查,繪制了相關中段圖紙資料,全面掌握了各重要中段通風設施布置情況、主要漏風地點及作業點的風速、過風斷面面積、風壓等[13]。同時開展井下各中段的熱害情況調查,測定了各中段的氣流及巷道壁面溫度,對熱害凸顯區的高功率設備信息進行了統計,在后面第5 節中將結合通風優化措施進行分析,本次使用的測量儀器及相關參數如表1所示,現場測試照片如圖2所示。

圖2 實地測量圖片Fig.2 Field survey

表1 測試儀器參數Table 1 Parameters of test instruments

利用調查所獲得的資料,基于Ventsim 通風網絡解算軟件建立動態三維模型并驗證模型的可靠性,為通風系統的優化方案制定提供依據[14]。

本次測定共布置60個測點,測定在礦山正常生產的條件下進行,測點布置在井巷主要通風路線及風量變化位置處。現場調查與測定結果表明,通風系統存在以下幾個方面的問題:

(1)-430 m 中段東區7 號穿脈與東6 號穿脈之間的風流處于停滯狀態,此處風流干擾嚴重。-430 m中段2#電梯井進風量過大,現場實測數據達到50 m3/s,造成了大量的風量浪費;-430 m 中段風量充足,但與-500 m 中段直接相連的通風井卻不多,新鮮風流需要克服更大的通風阻力才能向深部采場輸送。

(2)-570 m 中段所產生的污風由-500 m 中段與-570 m 中段相連的通風井中的風機吹至-500 m 中段,然而-500 m 中段的通風效果不理想,因此污風無法及時排出,導致對該生產中段的風流造成了較大范圍的污染。

(3)通風構筑物不完善,對于停止生產的采區、穿脈封堵措施不到位,造成漏風。風井維護情況不好,井口雜物堆積,改變了局部通風阻力系數,影響風流分配。

(4)風流短路現象較為明顯,一方面是由于回風井與部分進風井的距離較短,新鮮風流無法形成風流的長距離輸送;另一方面仍然是由于生產原因所導致的通風阻力不合理,造成整個礦井通風系統的技術經濟效果不理想。

3 Ventsim 三維通風模型構建

程潮鐵礦三維通風模型的構建過程:首先按傳統方式導入設計CAD 圖紙建立初步模型;然后根據實地調查所測定的相關巷道環境信息對模型巷道信息進行補充修正,對比-430 m、-500 m 中段通風網絡圖修正模型通風阻力設施參數;最后將模擬結果與實地測定風量數據對比,如誤差在允許范圍內,則證明模型是貼合工程實際的。具體構建步驟如下:

(1)將程潮鐵礦通風系統的CAD 圖繪制為單線圖,將通風單線網絡圖導入Ventsim 中,構建好基于Ventsim 的程潮鐵礦三維通風模型。

(2)根據風機實際布設情況設置進回風井與風機工作參數,將在前期調查中采集的通風阻力系數、支護形式、通風構筑物、斷面形狀、斷面面積、進風口大氣壓力、溫度、濕度等信息賦值在模型中,建立并修正模型、解算通風系統。

(3)將所建模型中-430 m、-500 m 中段的風流流向解算結果與礦山實地風向情況進行對比,結果表明實地測定情況與模擬風向均完全一致,對比情況如圖3所示。

圖3 -430 m、-500 m 中段通風網絡Fig.3 Ventilation network diagram of -430 m,-500 m level

模型風流流向與實際情況一致,進一步選取主要生產節點的風量實測數據和模擬解算數據作比較,若選取點的實測數據與模型中解算的風量數值基本一致,則所建Ventsim 模型符合礦山實際情況。具體過程如下:

程潮鐵礦生產過程中,風流從直通地表的各進風井進入到各中段,再經各中段間的盲通風井進入到各階段中,完成生產中段中的污風洗刷工作后經由回風井流出。驗證節點設置在主要進風井與各中段連接的馬頭門處、各中段運輸大巷和各階段間相連的通風井中[15]。

將每一驗證節點的實測數據與Ventsim 模型中該點的模擬計算值列至表2、表3、表4,同時測定風量與模擬結果對比如圖4所示。

圖4 測定風量與模擬值對比Fig.4 Comparison between measured air volume and simulation results

表2 -430 m 中段對比Table 2 Comparison of -430 m level

表3 -500 m 中段對比Table 3 Comparison of -500 m level

表4 -570 m 中段對比Table 4 Comparison of -570 m level

對上述對比結果進行分析,新副井馬頭門處風流偏差值較大,主要原因是礦山在-360 m中段新副井馬頭門處布設了彈性風門,而Ventsim 中無法對這種風門進行模擬,選擇的是密閉風門,由此導致數值差異。在其余中段選取的驗證節點上,Ventsim 通風模型的理論解算值與實際測量值結果相差較小,風向均完全一致,經測算,所選取的全部13個節點理論計算值與實際測量值的風量平均差值為4.33 m3/s ,風速平均差值為0.36 m3/s。模擬結果在測量誤差以及通風阻力系數誤差允許范圍內,因此構建的模型具備準確性。

4 通風系統優化

通風系統優化方案應當從技術、安全、經濟方面綜合考慮。對Ventsim 模型采取的主要參數調整方案為增阻、減阻調節,不涉及加大巷道斷面尺寸和修改支護條件,以求盡可能在現有通風網絡和生產環境的基礎上提出成本低、操作易的優化措施[16]。

4.1 通風系統問題分析

(1)-430 m 中段東區。-430 m 中段的總進風量大,進風源較多,東區主要來源于西風井、措施井、新副井、東主井、東風井。在3#電梯井處,自西風井分來的風流與自東風井而來的風流交匯并達到兩向風流風壓近乎平衡的狀態,此處Ventsim 模型中解算風量為0.21 m3/s ,實測風量近似為0 m3/s。

(2)-430 m 中段東、西區之間。2#電梯井口(-430 m 中段至-500 m 中段電梯井,此井同時連接-447 m 中段的新回風井)處的實測進風量達到50 m3/s ,模型解算風量為48.2 m3/s。此處風流來源于西風井、措施井以及新副井的進風,而模型在-500 m 中段該處電梯井井口的模擬情況同樣是電梯井進風,解算進風量為6.3 m3/s ,這表明來自-430 m、-500 m 中段的大量新鮮風流并沒有洗刷巷道或工作面就通過2#電梯井直接回至-447 m 中段的新回風井,造成了大量風流浪費。

(3)-500 m 中段。礦山工作人員在-500 m 中段措施井處安置了密閉風門,在斜坡道和回風井之間基本處無風狀態。7 號穿脈中有一通往-570 m 中段的風井,來自-570 m 中段的回風井的污風通過風井中風機上行,對-500 m 中段的風流造成了一定污染。

4.2 優化方案模擬分析

(1)-430m 中段優化。-430 m 中段東區開采已經結束,對新鮮風流的需求不大,應當將新鮮風流引入與-500 m 中段相連的風井。但東區的5 號、6 號、7 號穿脈中與-360 m 中段相連的通風井卻并未封堵,這造成了部分風流的浪費。6 號穿脈中與-360 m中段相連的通風井封堵前后效果對比見圖5,-430 m中段東區5 號、6 號、7 號穿脈中與-360 m 中段相連的通風井封堵前后效果對比如表5。優化后流向-500 m 中段的新鮮風流增加15.3 m3/s ,-430 m 中段的東區主巷通風效果也有所改善。

表5 -430 m 中段優化前后風量解算對比Table 5 Comparison of air volume calculation before and after -430 m level optimization

圖5 -430 m 中段優化前后效果對比Fig.5 Comparison of effects before and after optimization at -430 m level

(2)-447 m 中段優化。在2#電梯井-447 m 中段與新回風井相連處加裝風門,目的是使新鮮風流在進入新回風井前洗刷更多的巷道。2#電梯井在-447 m 中段與新回風井相連處加裝風門前后效果對比如圖6所示。可以看到,加裝風門后,2#電梯井的進風量從48.2 m3/s 減少至12.5 m3/s。

圖6 2#電梯井安裝風門前后效果對比Fig.6 Effect comparison before and after installing damper in 2# elevator shaft

(3)-500 m 中段優化。-500 m 水平在措施井處安置了密閉風門,此處風門的作用不甚明確,開啟-500 m 中段措施井處風門后,模型解算匯入-500 m運輸中段的新鮮風流量達21.2 m3/s。通風效果不好也與各中段風井未發揮實際作用有關,礦山管理人員應當對風井進行定期檢查、清理工作,減小通風阻力利于新鮮風流匯入。

5 熱害成因分析及熱模擬

5.1 井下熱害調查

井下熱量的來源分為自然熱源和機械熱源兩種,自然熱源指隨埋深的增加由地溫梯度差所引起的地熱,導致巖體向巷道內氣體環境散熱;機械熱源則指井下各型設備運行時的散熱[17]。為了清楚判斷程潮鐵礦井下-570 m 中段熱害現象凸顯的成因,對井口至井底不同埋深中段的平均氣流溫度、平均壁面溫度、峰值氣流溫度以及峰值壁面溫度開展了詳細調查,具體結果見圖7所示。

圖7 井下各中段溫度數據Fig.7 Temperature data of various levels underground

調查過程中,各中段均具備以下特點,在通風效果較好的中段,即使埋深已經較深,巷道氣流溫度與壁面溫度也均未達到引發熱害的程度,以井下-675 m 中段破碎硐室為例,顎式破碎機未工作時,-675 m中段氣流溫度處于21～23 ℃,同測點的壁面溫度則比氣流溫度高1～3 ℃,且距進風路更近地點的氣流與巷道壁面間溫度差值更大。

調查結果表明,井下大部分地點的壁面溫度高于氣流溫度,差值范圍為0～3 ℃。-675 m、-780 m 中段的環境溫度在22～25 ℃之間,高于地面與低埋深中段的環境溫度,說明自然熱源對井下氣體溫度的影響是隨著深度的增加而逐步增大,但由于井下這兩中段通風狀況良好以及開采深度不夠,導致自然熱源并未成為現階段井下熱害的主要成因。井下現階段熱害集中在-570 m 中段,其氣流溫度、壁面溫度均為最高,主要成因是該中段大型柴油鏟運機設備使用以及通風效果不佳,造成累積升溫效應。

5.2 熱模擬

-570 m 中段正處于開拓階段,該中段尚未與主進風井貫通導致進風量不足,且運行有大型設備柴油鏟運機,目前是井下體感溫濕度最高的中段,接近工作地點處局部氣溫可達30.6 ℃,超出了《金屬非金屬礦山安全規程》中所規定的連續作業場所濕球溫度27 ℃閾值,影響了工作人員的工作效率和身心健康。

為進一步探究井下柴油機設備使用對巷道內熱流分布的影響,基于Ventsim 熱模擬平臺開展井下-570 m 中段運輸主巷柴油機設備運行對巷道環境影響的模擬。同時,對比通風優化方案前后的熱模擬結果,探究通風效果的改善對井下熱環境的影響。

-570 m 主巷運輸采用XD950 型號的井下裝載機,具體工作參數見表6。

表6 XD950 井下裝載機工作參數Table 6 Working parameters of XD950 downhole loader

(1)通風優化前。實地調查中,-570 m 中段運輸巷平均斷面面積為20.34 m2,目前安排了2 臺井下裝載機進行鏟裝工作,因此熱源設定為2 臺柴油機,熱源屬性為點熱源,柴油機工作效率取35%,平均使用率取50%,工作路面為運輸平巷,勢能轉換率取0%。將這些參數輸入Ventsim 熱模擬計算器中,得到柴油熱源的估計顯熱為148.7 kW、潛熱82.7 kW。將計算參數賦值給-570 m 中段運輸平巷,將運輸平巷圍巖參數設定為輝長巖,系統自動賦予輝長巖的導熱參數,巷道進路初始氣流條件設定為濕球溫度20.0 ℃,干球溫度30.0 ℃,氣體濕度36.1%,風流速度1.3 m/s。條件設置完成后,運行熱模擬,計算完成后顯示運輸巷道熱參數,計算結果見表7。

表7 -570 m 中段運輸巷道熱模擬結果Table 7 Thermal simulation results of -570 m level transport roadway

從模擬結果可以看出,井下柴油機運輸設備的工作對巷道的整體溫度有提升效果,以運輸巷柴油鏟運機為核心,臨近巷道(運輸巷進風路)的風流濕球溫度提升了7.1 ℃,運輸巷本身的風流溫度相較初始氣流溫度提高了10.2 ℃,模擬結果與實際調查結果較好貼合。說明柴油鏟運機在工作的過程中,不僅對巷道本身與巷道下風方向的氣流造成了升溫影響,也同時對附近整體的巷道進行了升溫。

(2)通風優化后。在Ventsim 平臺中完成通風優化措施后,-570 m 運輸巷的風流速度從1.1 m/s 增至2.1 m/s,保持其他參數不變并進行熱模擬,前后模擬對比結果如圖8所示。

圖8 通風優化前后熱模擬對比Fig.8 Comparison of thermal simulation before and after ventilation optimization

優化通風系統后-570 m 中段濕球溫度均降低至《金屬非金屬礦山安全規程》要求閾值以下,各處模擬地點平均降溫3.4 ℃,滿足礦山生產需求。

綜合模擬分析與前文調查結果,可以表明,在地熱梯度正常的地域,金屬礦床埋深達到700 m時,井下開采所面臨的熱害問題仍然主要取決于大型設備的運轉和通風情況的好壞,由地溫梯度所導致逐漸升高的巖壁溫度并非是井下開采過程中熱害問題的主要成因。因此,對于國內目前大部分地下礦山的開采而言,熱害的主要治理方案應集中在改善礦區通風和減少大型柴油機械設備的使用上,使用高功率設備作業時輔以相應的冷卻措施也較為合理。

6 結 論

(1)針對程潮鐵礦目前的通風系統開展了詳細調查,建立了貼合工程實際的通風網絡模型,對模型的準確性進行了流向、風量2個參數的對比校驗,在充分驗證模型可靠性的基礎上發現其通風系統存在的問題并提出了優化方案。

(2)將-430 m 中段東區5 號、6 號、7 號穿脈中與-360m 中段相連的通風井封堵,以減小通往-360 m中段的回風風量,從而使通往-500 m 中段的4 306、4 307 風井中的風量增加,模擬結果表明-500 m 中段進風量可增加15.3 m3/s。

(3)在-447 m 中段2#電梯井與新回風井相連處加裝風門,使得原本通過電梯井流向-447 m 中段新回風井的新鮮風流從48.2 m3/s 減少至12.5 m3/s。打開-500 m 中段措施井馬頭門處安裝的風門,對比未開風門時新鮮風流量增加21.2 m3/s。

(4)對井下各中段進行了氣流與巷道壁面溫度調查,得出-570 m 中段熱害主要成因為大型柴油鏟運機設備使用以及通風效果不佳。開展了-570 m 中段運輸主巷柴油機設備運行對巷道環境影響的熱模擬研究,進行了通風優化前后的熱模擬對比,結果表明風速自1.1 m/s 增至2.1 m/s 后各處模擬地點平均降溫3.4 ℃,證明了通風系統的優化對程潮鐵礦-570 m 中段熱害的治理效果,同時為國內大部分地下開采礦山的井下熱害治理工作提供一定參考。