呂 濤 葉義成 王文杰 周 琪

(1.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室;2.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院)

金山店鐵礦是我國重要的地下鐵礦山之一，其張福山礦區(qū)設計年產(chǎn)量為230萬t，其中西區(qū)年產(chǎn)量可達178萬t。目前，由于礦區(qū)東區(qū)回采工作難度較大，西區(qū)需加快回采速度以保證整個礦區(qū)的生產(chǎn)能力。西區(qū)開采下降速度得加快，將比東區(qū)更早地結束在－340 m中段的回采和運輸工作，并提前進入－410 m中段作業(yè)，這將導致東、西區(qū)的開采水平高差加大、礦區(qū)圍巖受力分布改變，并影響開采安全。為平衡兩區(qū)開采進度，西區(qū)進行－410 m中段作業(yè)時，東區(qū)－340和－410 m中段需同時進行回采，形成多中段開采。

若東區(qū)進行多中段開采，東區(qū)－410 m水平風流通過－340 m水平進入新回風井，－410 m中段污風將污染－340 m中段采場，影響東區(qū)采場通風安全。為保證東區(qū)多中段開采采場新鮮風流，有必要在東區(qū)通過新掘及改造回風天井改進通風網(wǎng)絡。為研究東區(qū)多中段開采通風優(yōu)化方案，在通風網(wǎng)絡模擬基礎上，探討了通風網(wǎng)絡風流分布規(guī)律，為通風方式的選擇和通風系統(tǒng)管理奠定了基礎。

1 礦山通風系統(tǒng)模型

1.1 三維模型

金山店鐵礦現(xiàn)行通風網(wǎng)絡模型如圖1。其中，平巷寬3.3 m，側壁高2.4 m，頂部為1/3三心拱;中段模型在中段平面設計圖基礎上進行了部分簡化;對于由風門關閉而形成的封閉區(qū)域，模型不予考慮。模型與實際尺寸保持基本一致。

圖1 現(xiàn)行通風網(wǎng)絡模型

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用ICEM劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.01～1 m，采用掃略法劃分，主要為結構化的六面體網(wǎng)格。

流體介質(zhì)為25℃空氣，相對壓力0.1 MPa;流體域采用笛卡爾坐標系，選用標準自由表面模型，對近壁區(qū)采用scalable壁面函數(shù)法處理［1］;選用k－Epsilon湍流模型作為氣體流動控制方程組，其包含連續(xù)性方程、動量方程和能量方程3大偏微分方程，這些方程采用其守恒形式，在離散化之后運用計算流體力學工具如CFX來求其數(shù)值近似解［2］;以截面負壓代替風機調(diào)節(jié)局部通風。

設置邊界條件時，老主井、中央副井、余華寺聯(lián)絡大巷為進風井，西副井、東副井、新主井、西回風井及新回風井為出風井，各進、回風界面設為自由邊界;東區(qū)－340 m新回風井石門，西區(qū)－270 m西回風井石門，溜破系統(tǒng)－450、－488、－520、－590 m新主井石門處設置負壓面代替風機。

1.3 通風模擬

1.3.1 模型檢驗

模擬時，老主井、中央副井、余華寺聯(lián)絡巷道、西副井、東副井、新主井、西回風井、新回風井進出口截面分別重命名為In1、In2、In3、In4、In5、Out1、Out2、Out3(如圖1)，模擬結果見表1。由表1可知，模擬結果相對于現(xiàn)場數(shù)據(jù)單項相對誤差均小于10%，平均相對誤差為4.5%。考慮復雜通風條件和計算誤差，總體來說，模擬結果比較準確，可作為決策依據(jù)。

表1 截面風量比較

1.3.2 風流分析

通過模擬結果可以直觀觀察現(xiàn)行礦區(qū)模型風流分布。圖2為現(xiàn)行通風網(wǎng)絡模型流線圖，由該圖可知:礦區(qū)整體通風狀況良好，各區(qū)域均有風流分布，其中進出口處風速較大。模擬結果可以較真實地反映礦區(qū)通風現(xiàn)狀。

圖2 現(xiàn)行通風網(wǎng)絡模型流線

圖3和圖4分別為東區(qū)－410 m水平通風矢量圖和局部流線矢量圖。由圖可知，東區(qū)－410 m水平風流通過－340 m水平進入新回風井。由于礦井空氣中有CO、H2S、SO2、NO2、NH3、H2、CH4等有害氣體［3］，故需加強通風將其稀釋到規(guī)定的安全標準以下。此時，可優(yōu)化通風網(wǎng)絡，以改變東區(qū)采場通風方式，并保證各開采中段分區(qū)通風安全［4］。

圖3 東區(qū)－410 m水平流線

圖4 局部矢量

2 通風網(wǎng)絡優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

金屬礦山進行多中段同時作業(yè)時，通風工作的難點是使各中段工作面都有新鮮風流，并將工作面的污風排至回風道。

針對東區(qū)多中段開采存在問題，提出以下方案:

(1)通過人行天井或回風天井將－270、－340、－410 m中段貫通，使－340 m和－410 m這2個中段的風流都通過－270 m中段進行回風。為減少工程量，可以多個中段公用1條回風道，用來匯集各中段作業(yè)面所排污風，并將其送到總回風井排出。

(2)東區(qū)各水平采用分區(qū)通風的方式，同時在進路中間加強局扇作用，改善獨頭式進路風流。針對－410 m中段通過－270 m中段進行回風時存在的通風線路較長、漏風較多、通風阻力較大等問題，在－410 m中段及格回風天井處添加局扇及通風構筑物以改善－410 m中段的通風效果。

2.2 優(yōu)化模型

根據(jù)優(yōu)化方案，對現(xiàn)有通風網(wǎng)絡模型進行修改:

(1)保持西區(qū)結構不變，東區(qū)通過新掘－340 m中段回風天井以及改造－410 m中段回風天井將－270 m中段與－340 m、－410 m中段貫通。

(2)在東區(qū)－270 m新掘新回風井石門，并關閉－340 m新回風井和－210 m東副井石門。

修改后得到的優(yōu)化模型邊界條件設置基本不變，但增加了東區(qū)－270 m石門截面負壓，以保證東區(qū)多中段開采風量供給。

2.3 結果分析

基于優(yōu)化模型，利用CFX對礦區(qū)通風進行模擬。

(1)中段風流分布。圖5和圖6分別為－410 m中段和－340 m中段風流流線圖。

圖5 －410 m中段流線

圖6 －340 m中段流線

可知，東區(qū)－410和－340 m中段同時開采時，整體通風狀況良好，且風流均通過中段回風天井由－270 m中段進行回風。

對比圖3和圖5可知:現(xiàn)有通風網(wǎng)絡模型中，東區(qū)－410 m中段通過－340 m中段進行回風，而在優(yōu)化模型中，東區(qū)－410 m中段直接通過－270 m中段進行回風，避免了－410 m及－340 m中段污風的循環(huán)及對采場的污染。

(2)風量分布。東區(qū)－410 m和－340 m中段穿脈巷道各聯(lián)接10條中段回風天井，表2為與中段回風天井聯(lián)接的穿脈聯(lián)絡巷道風速。東區(qū)－410 m和－340 m中段部分穿脈回風天井公用1條回風道，因此部分回風天井風量較大，此時，結合模型及表2數(shù)據(jù)分析可知:穿脈巷道正?；仫L，且風量基本平均分配。

東區(qū)采場整體經(jīng)由新回風井回風，優(yōu)化模型中其出口單位時間的風量為293.2 m3/s。由表1數(shù)據(jù)可知，新回風井出口單位時間的風量為172.6 m3/s，東區(qū)風量增加69.9%，保證了東區(qū)多中段開采時的風量需要。

表2 穿脈聯(lián)絡巷道單位時間的風量

(3)風速分布。為保證礦區(qū)通風安全，局部通風機安裝地點與回風口間巷道風速不得低于0.15 m/s［5］。圖7為風速大于等于0.15 m/s區(qū)域。模擬結果顯示:優(yōu)化網(wǎng)絡大部分區(qū)域通風良好，部分巷道通風不良。對于通風不良區(qū)域，可加局扇以改善通風。

由于實際需要，不同作業(yè)空間對于風速要求不同，此時，可根據(jù)實際需要修改速度參數(shù)，分析不同作業(yè)空間通風現(xiàn)狀，并采取相應措施以改善區(qū)域通風。

圖7 通風良好區(qū)域

3 結論

(1)金山店鐵礦東區(qū)進行多中段開采時，在現(xiàn)行通風網(wǎng)絡條件下，－410 m中段通過－340 m中段進行回風，易造成－340 m中段采場空氣污染。通過新掘及改造回風天井將－270中段與－340、－410 m中段貫通，使－340、－410 m中段污風直接由－270 m中段排出，保證了東區(qū)多中段開采時通風安全。

(2)東區(qū)－340 m新回風井石門，西區(qū)－270 m西回風井石門，溜破系統(tǒng)－450、－488、－520、－590 m新主井石門處設置負壓面代替風機，模擬抽出式通風，解決了CFX軟件不能預加風機的問題。在后續(xù)工作中，將進一步研究負壓面壓力與風機工作壓力之間關系。

(3)利用CFX軟件，可有效模擬礦區(qū)風流風速及流向，為通風網(wǎng)絡組織設計提供理論依據(jù)，幫助設計者改進并驗證通風優(yōu)化方案。

(4)為了降低建模和網(wǎng)格劃分難度，節(jié)省運算時間，在建模時未考慮部分風流過小區(qū)域對流場的影響，部分區(qū)域簡化。建議在以后的模擬研究中應充分考慮各因素的影響，增加對比數(shù)據(jù)，以便模擬結果能更準確地表征礦區(qū)流場狀態(tài)。

［1］ Wang Qin，Ye Yicheng，Jiang Ying.Simulation on mine water-inrush characteristics of cross roadway based on CFX［J］.Procedia Engineering，2011，26:759-764.

［2］ 賀 城，牛智有，廖 娜.基于CFX的豬舍縱向與橫向通風流場模擬［J］.華中農(nóng)業(yè)大學學報，2009，28(5):641-642.

［3］ 李海港，唐敏康，黃同林.金屬礦山井下通風系統(tǒng)人機工程可靠性分析［J］.金屬礦山，2011(12):139.

［4］ 黃元平.礦井通風［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1986:27.

［5］ 井巷的最高最低風速［EB/OL］.［2012-06-25］.http:∥www.kui.cc/news/2010_3_4/403586.html.