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(長春黃金研究院有限公司, 吉林 長春 130012)

0 引 言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的基本任務(wù)是以最經(jīng)濟(jì)的方式供給井下足夠的新鮮空氣,滿足人員對氧氣的需要;沖淡井下有毒有害氣體和粉塵,保證安全生產(chǎn);調(diào)節(jié)井下氣候,創(chuàng)造良好的工作環(huán)境;在發(fā)生事故時(shí),能及時(shí)有效地控制風(fēng)流方向及大小,同時(shí)與其它措施結(jié)合,防止和消滅災(zāi)害的發(fā)生。礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化,就是采用各種有效的方法尋求礦井通風(fēng)電能消耗低、投資少、安全可靠、管理方便的最佳系統(tǒng)方案。

通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn),國內(nèi)學(xué)者在多井筒通風(fēng)網(wǎng)路解算與優(yōu)化研究方面取得了許多成果,尹振云[1]通過對夾河煤礦多井筒、井下多水平較為復(fù)雜的礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析,在通風(fēng)阻力測定和計(jì)算機(jī)模擬的基礎(chǔ)上,研究確定該礦通風(fēng)系統(tǒng)改造方案。琚和森等[2]分析了冬瓜山銅礦老區(qū)大團(tuán)山采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題,采用多機(jī)站風(fēng)壓和風(fēng)量平衡技術(shù),通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模擬優(yōu)化技術(shù),確定了通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案;梅林芳等[3]針對通風(fēng)系統(tǒng)存在的新風(fēng)大量短路、采區(qū)污風(fēng)循環(huán)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜難調(diào)等問題開展分區(qū)通風(fēng)、多機(jī)站聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);王孝東等[4]通過繪制網(wǎng)絡(luò)圖和進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算,采用多風(fēng)機(jī)多級機(jī)站的通風(fēng)方式,提出了云錫老廠礦分公司新三大采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的2種構(gòu)造方案。

本文針對海溝金礦礦井通風(fēng)實(shí)際,在開展自然風(fēng)壓計(jì)算、采空區(qū)回風(fēng)可行性分析以及通風(fēng)系統(tǒng)需風(fēng)量估算的基礎(chǔ)上,采用VENTSIM三維通風(fēng)動(dòng)態(tài)仿真模擬的方法,提出切實(shí)可行的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案,并從通風(fēng)阻力、通風(fēng)動(dòng)力分析以及通風(fēng)阻力評價(jià)等方面開展了通風(fēng)系統(tǒng)評價(jià)工作,采用單因素分析方法驗(yàn)證了不同風(fēng)阻條件下通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)施效果表明,項(xiàng)目的實(shí)施有效改善了礦山井下通風(fēng)條件與空氣質(zhì)量,提高了作業(yè)人員的勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低了通風(fēng)成本,消除了可能發(fā)生的通風(fēng)安全隱患。

1 工程背景

海溝金礦為多礦體地下開采礦山,開采過程中相對形成了小海溝和大海溝2個(gè)相連通的礦區(qū),小海溝為中央對角式通風(fēng)系統(tǒng),大海溝則主要依靠小海溝通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng),新開掘井筒開采范圍也未考慮獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)。總起來看,整個(gè)礦區(qū)就形成一個(gè)多井筒開拓的地下礦,計(jì)有小海溝箕斗井、副井、3個(gè)風(fēng)井(新、老東風(fēng)井和西風(fēng)井),大海溝斜井、538平硐以及新豎井。共8個(gè)通達(dá)地表的出口。

多年的空場法開采致使小海溝礦區(qū)1～6中段累計(jì)形成總體積約100萬m3的采空區(qū)。礦山雖然在封堵采空區(qū)漏風(fēng)上投入大量工作,但治理效果甚微,為此,礦山不得不通過增加風(fēng)機(jī)動(dòng)力提高入井風(fēng)量來滿足深部中段的用風(fēng)需求,這不僅增加了礦山的通風(fēng)成本,而且大功率風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)無形中提高了漏風(fēng)通道兩側(cè)的壓差,從而引發(fā)更大范圍的采空區(qū)漏風(fēng)。

隨著礦山生產(chǎn)的持續(xù)推進(jìn),開采中段不斷向深部延伸,多中段分散平行作業(yè)使得通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不斷復(fù)雜化,通風(fēng)阻力也不斷增加,而海溝金礦小海溝、大海溝礦區(qū)又共用一套通風(fēng)系統(tǒng),其多井筒通達(dá)地表造成通風(fēng)系統(tǒng)難以用常規(guī)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法進(jìn)行分析,而大量采空區(qū)無規(guī)律漏風(fēng)、通風(fēng)構(gòu)筑物封閉失效以及自然風(fēng)壓的季節(jié)性變化更加劇了通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的難度。由此造成了海溝金礦通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)了坑內(nèi)風(fēng)流紊亂,深部中段分配風(fēng)量少,污風(fēng)長時(shí)間在井下循環(huán)等現(xiàn)象,這些都嚴(yán)重威脅著礦山的安全生產(chǎn)與工人的身心健康。

2 通風(fēng)方案前期論證

2.1 自然風(fēng)壓的特點(diǎn)

隨著地表氣溫的變化,地面空氣進(jìn)入地下后與各種熱源進(jìn)行熱交換,使井下各中段的空氣密度存在較大差異,從而造成各段空氣柱重力不平衡,產(chǎn)生能量差,空氣從能量大的斷面流向能量小的斷面,這就是自然風(fēng)壓[5]。

當(dāng)自然風(fēng)壓的作用方向與主扇風(fēng)壓作用方向相反時(shí),風(fēng)流方向與自然風(fēng)壓同向的分支風(fēng)量、風(fēng)壓則隨自然風(fēng)壓的增大而增大,反向者風(fēng)量和風(fēng)壓則隨著自然風(fēng)壓的增大而減小。

同樣,自然風(fēng)壓對主扇的工況點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)反向自然風(fēng)壓的出現(xiàn)或增大時(shí),會(huì)使主扇的實(shí)際工況點(diǎn)沿其風(fēng)壓曲線向上移動(dòng),等效工況點(diǎn)風(fēng)阻曲線下移。當(dāng)有正向自然風(fēng)壓時(shí),會(huì)使主扇的實(shí)際工況點(diǎn)沿主扇風(fēng)壓曲線向下移動(dòng),其等效工況點(diǎn)風(fēng)阻曲線上移。

2.2 熱力學(xué)參數(shù)的選擇

VENTSIM三維通風(fēng)動(dòng)態(tài)仿真模擬系統(tǒng)可以對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行熱模擬,在熱模擬的過程中計(jì)算得出風(fēng)網(wǎng)中各段風(fēng)路的自然風(fēng)壓,計(jì)算井下可壓縮性空氣流動(dòng)的風(fēng)量、阻力等通風(fēng)參數(shù)。

根據(jù)海溝金礦當(dāng)?shù)貧庀筚Y料及參考類似礦山相關(guān)資料,計(jì)算最冷氣候條件下的自然風(fēng)壓初始參數(shù)為：地表大氣壓,97 k Pa;地表干球溫度,－30℃;地表濕球溫度,－25℃;地表巖溫,5℃;地?zé)崽荻?2.1℃/100 m;圍巖比熱容,790 J/kg℃;圍巖導(dǎo)熱性,2 W/m℃;圍巖散熱性,0.938×10－6m2/s;井下除巖溫影響之外,其它熱源影響忽略不計(jì)。

2.3 采空區(qū)回風(fēng)的可行性

海溝金礦采空區(qū)主要分布在小海溝礦段和大海溝礦段,小海溝礦段的采空區(qū)處在整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)段,礦山已對其進(jìn)行了有針對性的密閉隔離,從源頭上遏制采空區(qū)漏風(fēng)的發(fā)生[6]。大海溝礦段一直是一個(gè)相對獨(dú)立的開采礦段,形成回風(fēng)通道相對容易;另一方面,采空區(qū)無有毒氣體析出,回風(fēng)對地表空氣不產(chǎn)生有害污染。因此,將大海溝采空區(qū)作為回風(fēng)通道是可行的。

利用采空區(qū)回風(fēng),在同等通風(fēng)設(shè)備的前提下,增大通風(fēng)斷面,降低風(fēng)速,減小阻力,降低能耗,這是礦井通風(fēng)節(jié)能降耗一個(gè)重要途徑。井巷通風(fēng)功耗采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

式中,Q為井巷通過的風(fēng)量,m3/s;α為摩擦阻力系數(shù),kg·s2/m4;P為井巷斷面周長,m;L為井巷長度,m;S為井巷斷面積,m2。

公式(1)表明,井巷通風(fēng)功耗與該井巷斷面積的立方成反比,當(dāng)通過風(fēng)量一定時(shí),通風(fēng)井巷的斷面積增大10%,則功耗降低25%,節(jié)能降耗效果顯著。

2.4 通風(fēng)系統(tǒng)需風(fēng)量估算

(1)海溝金礦典型的采礦方法是淺眼留礦法,標(biāo)準(zhǔn)采礦方法采場長度50 m,采場斷面4 m2,按巷道型采場采用公式(2)計(jì)算風(fēng)量：

式中,Qc為采場需風(fēng)量,m3/s;N為風(fēng)流交換系數(shù),N＝11.13;V為通風(fēng)空間體積,V＝2×2×50＝200 m3;T為通風(fēng)時(shí)間,取1800 s。

因此,一個(gè)采場需風(fēng)量計(jì)算為Qc＝1.24 m3/s。

淺眼留礦法采場生產(chǎn)能力為80 t/d,則滿足礦山生產(chǎn)能力要求的生產(chǎn)采場數(shù)為8個(gè),另考慮2個(gè)備用采場,采場總需風(fēng)量12.4 m3/s。

(2)考慮3個(gè)掘進(jìn)工作面,每個(gè)工作面按供風(fēng)定額需風(fēng)量2 m3/s,掘進(jìn)工作面總需風(fēng)量6 m3/s。

(3)提升運(yùn)輸及行人井筒小海溝副井和新豎井按用風(fēng)點(diǎn)對待,每個(gè)井筒安排1 m3/s,總共3 m3/s。

則最終礦井總需風(fēng)量為21.4 m3/s。

由于礦井范圍大,采空區(qū)多,通風(fēng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,漏風(fēng)難以避免,均衡生產(chǎn)不易保持,因此取風(fēng)量備用系數(shù)1.3,繼而得礦井總進(jìn)風(fēng)量為21.4×1.3＝27.82 m3/s。

3 通風(fēng)系統(tǒng)方案優(yōu)化及分析

針對通風(fēng)最困難時(shí)期,即反向自然風(fēng)壓最大時(shí)構(gòu)建的,能同時(shí)滿足礦山各項(xiàng)通風(fēng)需求的通風(fēng)系統(tǒng)即 為最優(yōu)方案。研究提出的礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案見圖1。

圖1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 自然風(fēng)壓計(jì)算分析

3.1.1 一般最冷氣溫時(shí)的自然風(fēng)壓

以地表氣溫－30℃為一般最冷時(shí)期。計(jì)算表明,地表氣溫一般最低情況下,自然風(fēng)壓作用范圍能到達(dá)十六中,作用方向是小海溝副井、西風(fēng)井和新豎井進(jìn)風(fēng),東風(fēng)井出風(fēng)、大海溝主斜井進(jìn)風(fēng)、49線風(fēng)井和538平硐出風(fēng)。表1是風(fēng)路小海溝副井到東風(fēng)井自然風(fēng)壓的計(jì)算結(jié)果。

表1 小海溝副井至大海溝主斜井自然風(fēng)壓計(jì)算

計(jì)算結(jié)果表明：小海溝副井對大海溝的自然風(fēng)壓131.9 Pa,對東風(fēng)井的自然風(fēng)壓82.1 Pa,新豎井對大海溝的自然風(fēng)壓7.2 Pa。這說明自然風(fēng)壓的作用方向與規(guī)劃的風(fēng)流方向是相反的,在冬季,自然風(fēng)壓實(shí)際上是通風(fēng)機(jī)的阻力,同時(shí),依靠自然通風(fēng)會(huì)導(dǎo)致小海溝副井和新豎井凍井。

3.1.2 自然風(fēng)壓變化規(guī)律

為了了解自然風(fēng)壓變化規(guī)律,以地表氣溫變化點(diǎn)－30℃、－20℃、－10℃、0℃、10℃、20℃、30℃分別計(jì)算通風(fēng)系統(tǒng)的自然風(fēng)壓,得到主要風(fēng)井對井下的自然風(fēng)壓值見表2。

表2 主要風(fēng)井對井下的自然風(fēng)壓值(負(fù)值為進(jìn)風(fēng))

由表2可知,礦井自然風(fēng)壓的大小及方向是隨著地表氣溫的變化而變化的,呈現(xiàn)出十分復(fù)雜的狀態(tài)。副井在地表氣溫為0℃后,方向會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,由進(jìn)風(fēng)轉(zhuǎn)為出風(fēng);大海溝主斜井風(fēng)向則在－10℃時(shí)可能出現(xiàn)風(fēng)向反轉(zhuǎn);新豎井、東風(fēng)井在自然風(fēng)壓作用下風(fēng)向保持不變,新豎井總是保持進(jìn)風(fēng),東風(fēng)井總是出風(fēng)而成為主扇的阻力;而西風(fēng)井維持進(jìn)風(fēng)道地表溫度為10℃時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折;當(dāng)?shù)乇須鉁剌^高時(shí),新豎井是主進(jìn)風(fēng)道,其它井筒出風(fēng)。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

(1)通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建為中央對角混合式多級機(jī)站統(tǒng)一通風(fēng)系統(tǒng)。進(jìn)風(fēng)路線設(shè)Ⅰ級機(jī)站,東、西風(fēng)井主扇向井下壓入式并聯(lián)供風(fēng)為Ⅰ級機(jī)站;由于回風(fēng)距離太大,八中59線風(fēng)巷設(shè)回風(fēng)機(jī)站,作為Ⅲ級機(jī)站。

(2)由于是多井筒通風(fēng)系統(tǒng),系統(tǒng)的風(fēng)流路線顯得很復(fù)雜,任何一個(gè)進(jìn)風(fēng)井筒與每一個(gè)出風(fēng)井筒之間都構(gòu)成一條風(fēng)路,如果內(nèi)部有并聯(lián)或角聯(lián)分支,就要構(gòu)成更多條風(fēng)路。通風(fēng)系統(tǒng)方案的主要風(fēng)路有(由于數(shù)量較多,只列出部分風(fēng)路)：

(3)目前礦山有1臺(tái)K40－4－NO12(37 k W)風(fēng)機(jī)用于東風(fēng)井,2臺(tái)K40－4－NO11(30 k W)風(fēng)機(jī)分別安裝在西風(fēng)井和八中59線回風(fēng)平巷中。為盡可能利用現(xiàn)有設(shè)備,節(jié)約資金,盡快收效,同時(shí)又達(dá)到優(yōu)化整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的目的,本通風(fēng)系統(tǒng)方案以優(yōu)化風(fēng)路結(jié)構(gòu)為主,東、西風(fēng)井主扇及八中59線風(fēng)機(jī)全部原位運(yùn)轉(zhuǎn)。

(4)二段盲豎井開采范圍的污風(fēng)通過十七中進(jìn)入新豎井循環(huán)利用,并排至地表。由于十七中風(fēng)流是一定程度的污風(fēng),因此,在十七中的適當(dāng)位置安設(shè)空氣凈化裝置,主要技術(shù)措施是利用2～3道水幕來凈化空氣。

3.3 通風(fēng)阻力分析

針對通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案的應(yīng)用特點(diǎn)和要求,采用熱力學(xué)方法對系統(tǒng)進(jìn)行解算,系統(tǒng)中包含了自然風(fēng)壓、局部阻力、空氣密度、風(fēng)門漏風(fēng)及漏風(fēng)風(fēng)阻等的影響。以風(fēng)路④進(jìn)行計(jì)算為例,結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)路④通風(fēng)阻力計(jì)算

3.4 通風(fēng)動(dòng)力分析

(1)西風(fēng)井主扇工況點(diǎn)全壓為971.1 Pa,風(fēng)量13.5 m3/s,軸功耗21.2 k W,效率65.1%,轉(zhuǎn)速1450 r/min。其風(fēng)壓曲線如圖2所示。

(2)東風(fēng)井主扇工況點(diǎn)全壓975.8 Pa,風(fēng)量19.1 m3/s,軸 功耗 26.8 k W,效 率 73.3%,轉(zhuǎn)速 1450 r/min。其風(fēng)壓曲線如圖3所示。

(3)59線回風(fēng)道主扇工況點(diǎn)全壓765.4 Pa,風(fēng)量16.5 m3/s,軸功耗17.2 k W,效率77.2%,轉(zhuǎn)速1450 r/min。其風(fēng)壓曲線如圖4所示。

圖2 西風(fēng)井主扇風(fēng)壓曲線

圖3 東風(fēng)井主扇風(fēng)壓曲線

圖4 59線回風(fēng)道主扇風(fēng)壓曲線

綜上所述,所有主扇均處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、高效運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性良好,符合有關(guān)規(guī)程規(guī)定。

3.5 通風(fēng)阻力評價(jià)

根據(jù)礦井總風(fēng)阻和礦井等積孔,通常把礦井通風(fēng)難易程度分為3級,如表4所示。

采用礦井等積孔的計(jì)算公式(3),以最大阻力路線風(fēng)路⑨計(jì)算得到的等積孔為0.33 m2。

計(jì)算認(rèn)為,相比現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng),通風(fēng)的困難程度降低不少,但通風(fēng)仍然十分困難,這是老礦山普遍面臨的問題。

表4 礦井通風(fēng)難易程度的分級標(biāo)準(zhǔn)

4 通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化涉及通風(fēng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的方案選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)以及運(yùn)行管理,為了進(jìn)一步完善通風(fēng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案,需要開展通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。以下采用單因素分析法,通過改變某一特征分支巷道的風(fēng)阻值,分析其它分支風(fēng)路風(fēng)量和風(fēng)壓對此做出的反應(yīng),如果這一反應(yīng)偏于敏感,則認(rèn)為通風(fēng)系統(tǒng)欠穩(wěn)定。

4.1 風(fēng)路的選擇

依據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分支的關(guān)鍵性原則,選取能夠全面反映系統(tǒng)通風(fēng)穩(wěn)定性的主要分支作為特征分支。本次工作選擇風(fēng)阻較大的風(fēng)路作為特征分支,根據(jù)前面的計(jì)算,選擇西風(fēng)井、東風(fēng)井為特征分支。通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),西風(fēng)井風(fēng)阻2.007 N·s2/m8,東風(fēng)井風(fēng)阻4.627 N·s2/m8。

4.2 穩(wěn)定性分析

東、西風(fēng)井的風(fēng)阻分別按10%、20%、30%等依次增加,然后分別計(jì)算每一個(gè)變化對通風(fēng)系統(tǒng)的影響,即小海溝副井、新豎井風(fēng)量(風(fēng)向)和總進(jìn)風(fēng)量的變化。計(jì)算過程見表5、表6。

表5 東風(fēng)井風(fēng)阻變動(dòng)的影響

(1)計(jì)算結(jié)果表明,即便是東、西風(fēng)井的風(fēng)阻增加60%,小海溝副井、新豎井的風(fēng)向也不會(huì)改變,該通風(fēng)系統(tǒng)是穩(wěn)定的;當(dāng)東風(fēng)井風(fēng)阻的增加超過60%時(shí),該大巷可能無風(fēng)甚至發(fā)生風(fēng)流方向反轉(zhuǎn);當(dāng)西風(fēng)井的風(fēng)阻增加40%時(shí),西風(fēng)井主扇的運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)失速,即處于高風(fēng)壓低風(fēng)量的不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

(2)主扇運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)對東風(fēng)井風(fēng)阻變動(dòng)更為敏感,通風(fēng)系統(tǒng)總進(jìn)風(fēng)量隨東風(fēng)井風(fēng)阻增加而減少的幅度比隨西風(fēng)井風(fēng)阻增加而減少的幅度大。

(3)盡管該通風(fēng)系統(tǒng)是穩(wěn)定的,但東、西風(fēng)井風(fēng)阻增加必然會(huì)增加通風(fēng)系統(tǒng)能耗,嚴(yán)重時(shí)仍然會(huì)干擾通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,在有條件時(shí)應(yīng)擴(kuò)大東、西風(fēng)井及其進(jìn)風(fēng)風(fēng)路的斷面積,進(jìn)一步提高通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表6 西風(fēng)井風(fēng)阻變動(dòng)的影響

5 小 結(jié)

(1)通過開展通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化工作,重建了通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路結(jié)構(gòu),改變了原通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)無規(guī)劃,采空區(qū)多處漏風(fēng)的現(xiàn)狀,坑內(nèi)作業(yè)環(huán)境得到極大改善,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。

(2)基于VENTSIM通風(fēng)模擬計(jì)算軟件提出了中央對角混合式多級機(jī)站統(tǒng)一通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案,通過科學(xué)規(guī)劃風(fēng)流路線、合理設(shè)置通風(fēng)構(gòu)筑物,使通風(fēng)系統(tǒng)各分支巷道的風(fēng)量、風(fēng)壓能夠達(dá)到最優(yōu)化。

(3)針對通風(fēng)系統(tǒng)中存在的二段盲污風(fēng)難以排出的問題,提出采用風(fēng)流凈化可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù),通過安設(shè)空氣凈化裝置,利用2～3道水幕達(dá)到凈化污濁空氣、過濾炮煙粉塵的目的。