深部礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)試優(yōu)化方案與數(shù)值模擬分析

姚銀佩

(長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司)

某礦山由淺部開采逐漸進入深部開采，隨著開采深度不斷加大，采礦技術(shù)條件發(fā)生變化，需要采取相應(yīng)的完善改進措施，及時對通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)節(jié)和優(yōu)化，改善通風(fēng)效果，滿足礦山深部安全生產(chǎn)要求[1]。特別是礦山淺部工程結(jié)束轉(zhuǎn)入深部工程的階段性生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，通風(fēng)線路延伸，阻力增大；礦山開采技術(shù)條件變化，風(fēng)網(wǎng)復(fù)雜程度增加；主扇設(shè)備仍處于礦山開采前期的設(shè)計狀態(tài)，葉片安裝角度小，裝置效率低，設(shè)備能力不足等。因此，在礦山轉(zhuǎn)入深部工程后，要對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行檢測，進行必要的通風(fēng)系統(tǒng)整體調(diào)試和優(yōu)化，發(fā)揮礦井通風(fēng)系統(tǒng)的潛力，選出一個投入少、效果好、周期短的優(yōu)化方案，理順通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)能力，確保滿足礦井安全生產(chǎn)的需要。

1 工程背景

該地下開采礦山采用斜井開拓，主斜井和回風(fēng)斜井(平硐)2個井筒通達地表，采礦方法為淺孔留礦采礦法，目前主要開拓中段為130 m、80 m、50 m、30 m中段，130 m中段為主要礦石運輸中段，80 m、50 m中段為生產(chǎn)中段，30 m中段為探礦中段。根據(jù)礦山工程設(shè)計，礦山設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模為7.0萬t/a，深部通風(fēng)系統(tǒng)為兩翼對角地表抽出通風(fēng)方式，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)量為28 m3/s，系統(tǒng)阻力550 Pa，主扇型號為K40-6No.15。淺部中段作業(yè)結(jié)束后，轉(zhuǎn)入深部工程開采，出現(xiàn)了井下風(fēng)流風(fēng)向紊亂，污風(fēng)串聯(lián)嚴重，污風(fēng)難以及時排出等問題。為此，有必要進行礦山井下通風(fēng)現(xiàn)狀調(diào)查及檢測，總結(jié)井下通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，進行相應(yīng)的通風(fēng)風(fēng)路調(diào)試與系統(tǒng)優(yōu)化，以滿足礦山井下生產(chǎn)通風(fēng)需求，確保安全生產(chǎn)。

2 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場檢測與問題分析

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量檢測與分析

對通風(fēng)系統(tǒng)主要節(jié)點風(fēng)量進行現(xiàn)場實測，結(jié)果見表1。經(jīng)分析可得出下列問題[2]:

表1 通風(fēng)系統(tǒng)主要節(jié)點參數(shù)測定結(jié)果

1)通風(fēng)系統(tǒng)總進風(fēng)量為20.64 m3/s，總回風(fēng)量為22.16 m3/s，系統(tǒng)進回風(fēng)量基本平衡，但目前的風(fēng)量未達到通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的風(fēng)量。

2)二級斜井反向風(fēng)流為80 m中段風(fēng)流進入二級斜井，說明80 m中段風(fēng)路控制設(shè)施不到位，造成污風(fēng)串聯(lián)，也反映了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不完善。

3)130～170 m回風(fēng)斜井回風(fēng)量為16.70 m3/s，比地表回風(fēng)口回風(fēng)量小5.46 m3/s，說明315 m至130 m回風(fēng)段存在漏風(fēng)，漏風(fēng)量為5.46 m3/s。若通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量增加，則會進一步增大漏風(fēng)量，需要查找漏風(fēng)點并及時封堵。

2.2 主扇風(fēng)機運轉(zhuǎn)工況檢測與分析

根據(jù)對通風(fēng)系統(tǒng)主扇運轉(zhuǎn)工況的試驗與檢測，其檢測值見表2，葉片安裝角度32°時，風(fēng)機風(fēng)量為22.16 m3/s，壓力786 Pa；葉片安裝角度>32°時，風(fēng)機風(fēng)量為24.10 m3/s，壓力795 Pa。說明增加葉片安裝角度，風(fēng)機風(fēng)量和壓力增加不明顯，風(fēng)機已經(jīng)發(fā)揮最大能力，但電流由60 A增大到80 A，風(fēng)機運轉(zhuǎn)功率增加，而風(fēng)機運轉(zhuǎn)效率降低，僅為52.85 %。所以，當(dāng)前主扇風(fēng)量不能滿足通風(fēng)系統(tǒng)需求，主扇葉片角度已經(jīng)為最大安裝角度，風(fēng)量和壓力基本達到了主扇的最大能力，增加葉片安裝角度，不能提高能力，效率反而降低。

表2 主扇運轉(zhuǎn)工況參數(shù)測定結(jié)果

3 風(fēng)路調(diào)試與優(yōu)化技術(shù)方案

3.1 查找封堵漏風(fēng)點

礦山上部回風(fēng)線路為利用淺部開采結(jié)束中段斜井回風(fēng)，與淺部中段貫穿點比較多，需要逐一排查。采取砌墻方式封堵漏風(fēng)點，采用水泥砂漿抹面，并做好回風(fēng)巷道的疏通和維護工作，保證通風(fēng)線路暢通[3-4]。

3.2 并聯(lián)回風(fēng)線路

通風(fēng)系統(tǒng)總線路阻力大，主要原因為主回風(fēng)平硐巖體比較破碎，后期采用砌碹支護，造成過風(fēng)斷面減小，增加了阻力；上部主回風(fēng)線路(標高315～170 m)采用斜井(1#回風(fēng)斜井、2#回風(fēng)斜井)回風(fēng)，通風(fēng)線路比較長(>400 m)，增大了阻力。

考慮主回風(fēng)平硐巖性差，刷大斷面支護費用高，工期長等問題，結(jié)合現(xiàn)場具體條件，采取上部主回風(fēng)斜井并聯(lián)回風(fēng)天井降阻的方式[5-6]，具體是在315～170 m中段查找、疏通或新掘錯位回風(fēng)天井，即315～290 m回風(fēng)天井、290～250 m回風(fēng)天井、250～210 m回風(fēng)天井、210～170 m回風(fēng)天井，與1#回風(fēng)斜井、2#回風(fēng)斜井并聯(lián)回風(fēng)，降低通風(fēng)系統(tǒng)線路阻力。

3.3 主扇風(fēng)機優(yōu)化選型

當(dāng)前主扇能力難以滿足生產(chǎn)通風(fēng)需求，必須提高通風(fēng)系統(tǒng)能力，增加系統(tǒng)風(fēng)量，可采取以下幾個方案：

1)新購主扇風(fēng)機。根據(jù)礦山井下實際情況，推薦主扇型號為K45-6No.15，其性能參數(shù)為：風(fēng)量29.4～55.7 m3/s，風(fēng)壓1 101～574 Pa。

2)改造現(xiàn)有的主扇風(fēng)機。改造后主扇和上述新購風(fēng)機型號和能力相同。

3)采用串聯(lián)主扇通風(fēng)方式。在130 m回風(fēng)斜井口串聯(lián)1臺30 kW風(fēng)機，分段克服井下阻力。

4)采用并聯(lián)主扇通風(fēng)方式。在315 m回風(fēng)平硐一側(cè)通地表聯(lián)巷處并聯(lián)1臺30 kW風(fēng)機，共同克服井下阻力。

串聯(lián)或并聯(lián)主扇總裝機功率較大，且安裝施工較為復(fù)雜，主扇數(shù)量多，通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性差；新購或改造主扇方式總裝機功率較小，但新購主扇風(fēng)機費用較高，并且需要拆除現(xiàn)有風(fēng)機，安裝新風(fēng)機，砌筑風(fēng)機風(fēng)墻構(gòu)筑設(shè)施。因現(xiàn)有主扇型號K40-6No.15和新主扇型號K45-6No.15為同一機號，所以只需購置風(fēng)機輪轂、葉片、電動機及底座，在現(xiàn)有風(fēng)機基礎(chǔ)上直接安裝改造即可滿足要求，無需土建和構(gòu)筑設(shè)施的施工，技術(shù)可靠，經(jīng)濟性好，施工簡單。通過4種方式比較，優(yōu)先選擇主扇改造方式。

3.4 北部回風(fēng)輔扇風(fēng)機選型

礦山深部回風(fēng)分為南、北兩翼回風(fēng)，北翼回風(fēng)通過130 m中段回風(fēng)巷道與南翼回風(fēng)系統(tǒng)匯合進入上部回風(fēng)系統(tǒng)。為平衡兩翼回風(fēng)系統(tǒng)的阻力，在130 m中段回風(fēng)巷道安裝輔扇風(fēng)機增強北翼回風(fēng)能力[7]。根據(jù)風(fēng)量分配和兩翼阻力差值，推薦輔扇型號為K40-6No.11，其性能參數(shù)為：風(fēng)量7.7～16.7 m3/s，風(fēng)壓429～93 Pa。

3.5 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

通過上述通風(fēng)系統(tǒng)線路調(diào)試和優(yōu)化，礦山通風(fēng)系統(tǒng)仍為兩翼對角地表抽出通風(fēng)方式，由主斜井進風(fēng)，二級斜井和三級斜井進入井下各中段，深部采用南、北兩翼回風(fēng)方式，北翼回風(fēng)通過130 m中段回風(fēng)巷道與南翼回風(fēng)系統(tǒng)匯合進入上部回風(fēng)系統(tǒng)，在130 m中段回風(fēng)巷道增加輔扇K40-6No.11,調(diào)節(jié)兩翼回風(fēng)阻力平衡性，上部回風(fēng)系統(tǒng)采用1#回風(fēng)斜井、2#回風(fēng)斜井與淺部中段錯位回風(fēng)天井并聯(lián)方式回風(fēng)至315 m回風(fēng)巷道，再由315 m回風(fēng)平硐口主扇K45-6No.15排出地表。優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖1。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

4 井下通風(fēng)系統(tǒng)Ventsim數(shù)值模擬

4.1 通風(fēng)系統(tǒng)Ventsim三維模型建立

通風(fēng)系統(tǒng)Ventsim三維模型建立方法，將各中段CAD圖形中的實測巷道以中線方式保存為dxf格式，再以實體方式導(dǎo)入Ventsim軟件系統(tǒng)中，連接上下中段間井筒，然后設(shè)置井巷參數(shù)、風(fēng)機及風(fēng)門、風(fēng)窗、風(fēng)墻等通風(fēng)構(gòu)筑設(shè)備設(shè)施等，形成三維通風(fēng)系統(tǒng)立體模型[8]。按照上述方式建立的井下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案Ventsim三維仿真模型見圖2。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案Ventsim三維仿真模型

4.2 通風(fēng)系統(tǒng)Ventsim仿真模擬結(jié)果

依據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，315 m中段回風(fēng)平硐口安裝1臺主扇，型號為K45-6No.15，葉片安裝角度為35°；130 m中段回風(fēng)巷道安裝1臺輔扇，型號為K40-6No.11，葉片安裝角度為26°。在Ventsim通風(fēng)系統(tǒng)仿真模型中設(shè)置相應(yīng)型號風(fēng)機，并模擬運行，主要進、回風(fēng)井口的風(fēng)量模擬結(jié)果見表3，風(fēng)機的運轉(zhuǎn)模擬參數(shù)見表4，風(fēng)機運轉(zhuǎn)工況點見圖3。

圖3 風(fēng)機特性曲線與運轉(zhuǎn)工況點圖

表3 通風(fēng)系統(tǒng)仿真模擬進、回風(fēng)風(fēng)量統(tǒng)計

表4 通風(fēng)系統(tǒng)仿真模擬風(fēng)機運轉(zhuǎn)參數(shù)

4.3 仿真模擬結(jié)果分析

1)通風(fēng)系統(tǒng)總進風(fēng)量為29.7 m3/s，總回風(fēng)量為30.3 m3/s，滿足通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)量要求。

2)通風(fēng)系統(tǒng)主扇風(fēng)機葉片安裝角度35°時的運轉(zhuǎn)工況點為風(fēng)量30.3 m3/s，風(fēng)壓943.2 Pa，風(fēng)機運轉(zhuǎn)效率為80 %，滿足通風(fēng)系統(tǒng)能力需求，并且留有可調(diào)節(jié)的空間。

3)通風(fēng)系統(tǒng)輔扇風(fēng)機葉片安裝角度26°時的運轉(zhuǎn)工況點為風(fēng)量13.7 m3/s，風(fēng)壓205.8 Pa，風(fēng)機運轉(zhuǎn)效率為80 %，滿足通風(fēng)系統(tǒng)兩翼平衡阻力的要求，并且留有可調(diào)節(jié)的空間。

4)系統(tǒng)回風(fēng)量由22.16 m3/s增加到30.3 m3/s，增率為36.7 %；礦井總阻力由786 Pa增加到943.2 Pa，增率為20.0 %，阻力的增率是風(fēng)量增率的54 %。根據(jù)風(fēng)量與阻力的關(guān)系，可以看出并聯(lián)線路后阻力降低相對明顯。

5 工程應(yīng)用效果

礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案現(xiàn)場施工完成后，對主、輔風(fēng)機運轉(zhuǎn)工況參數(shù)進行測定，主要測量工具為熱敏式風(fēng)速儀、精密數(shù)字壓差計等。經(jīng)現(xiàn)場檢測，主扇風(fēng)機實際運轉(zhuǎn)工況為風(fēng)量30.8 m3/s，風(fēng)壓990 Pa，風(fēng)機運轉(zhuǎn)效率為70.45 %；輔扇風(fēng)機實際運轉(zhuǎn)工況為風(fēng)量14.3 m3/s，風(fēng)壓198 Pa，風(fēng)機運轉(zhuǎn)效率為70.57 %(見表5)。測定數(shù)據(jù)與設(shè)計及模擬數(shù)據(jù)相吻合，可以滿足生產(chǎn)作業(yè)用風(fēng)量需求。

表5 主輔扇風(fēng)機實際運轉(zhuǎn)工況參數(shù)

6 結(jié) 論

通過對礦山通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀的調(diào)查與數(shù)據(jù)檢測，分析出井下通風(fēng)系統(tǒng)進回風(fēng)線路風(fēng)量、阻力、主扇參數(shù)等存在的問題，提出調(diào)試優(yōu)化方案。利用Ventsim軟件平臺構(gòu)建了礦山三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，驗證了方案可行性。工程實施后對風(fēng)機運行工況參數(shù)檢測顯示滿足設(shè)計生產(chǎn)要求。

1)在上部回風(fēng)系統(tǒng)查找封堵漏風(fēng)點的基礎(chǔ)上，利用錯位天井形成并聯(lián)回風(fēng)線路，有效降低礦井通風(fēng)阻力。

2)在現(xiàn)有主扇風(fēng)機K40-6No.15基礎(chǔ)上，改造成優(yōu)化選型風(fēng)機K45-6No.15，可以滿足通風(fēng)系統(tǒng)能力需求。

3)130 m中段回風(fēng)巷道安裝輔扇風(fēng)機K40-6No.11，可以達到平衡南、北兩翼回風(fēng)線路阻力的目的。

4)調(diào)試優(yōu)化方案投資少，工期短，供風(fēng)量達到礦井通風(fēng)生產(chǎn)的需要，可為類似礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造提供參考。