王軍民

摘要：隨著采礦不斷走向深部，開采強(qiáng)度變大，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，造成井下生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境惡劣等現(xiàn)實(shí)難題。為了保障井下生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)礦井安全高效通風(fēng)是最有效的手段。在沃溪坑口礦井通風(fēng)實(shí)施管理過程中，面臨通風(fēng)管理數(shù)字化程度低，整體協(xié)同性差，生產(chǎn)管理難度大等問題。通過現(xiàn)場測定、數(shù)值模擬等手段，對沃溪坑口礦井通風(fēng)系統(tǒng)中主要巷道風(fēng)阻分布和礦井風(fēng)量分配等情況進(jìn)行測定和分析，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的后續(xù)優(yōu)化和改造提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)系統(tǒng);通風(fēng)測定;風(fēng)量分析;iVent礦井通風(fēng)軟件;數(shù)值模擬

中圖分類號：TD724文章編號：1001-1277（2021）10-0038-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20211008

引 言

隨著開采深度和強(qiáng)度不斷加大，開采的地質(zhì)條件更加復(fù)雜，井下作業(yè)環(huán)境對人員安全與礦井生產(chǎn)效率的影響越來越大。隨著礦山開采活動的進(jìn)行，礦井通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時變化，及時調(diào)整通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，滿足礦山深部安全生產(chǎn)要求，提高通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性顯得尤為重要[1-2]。

沃溪坑口是湖南辰州礦業(yè)有限責(zé)任公司（下稱“辰州礦業(yè)公司”）沃溪礦區(qū)的主采坑口，地溫梯度為1 ℃/39.5 m，是一個多中段、超100個采掘作業(yè)點(diǎn)同時作業(yè)的高溫?zé)岷ΦV井，也是國內(nèi)為數(shù)不多的千米礦井之一[3]。由于深井原巖溫度高，而深部通風(fēng)系統(tǒng)不完善，排風(fēng)能力嚴(yán)重不足，通風(fēng)困難，采礦作業(yè)環(huán)境差，加之礦井提升級數(shù)多，導(dǎo)致員工進(jìn)出時間長，有效作業(yè)時間短，勞動效率低。目前，沃溪坑口通風(fēng)系統(tǒng)面臨一些亟需解決的問題[4-5]：①通風(fēng)管理工作量大。隨著采礦不斷走向深部，采、掘工作面越來越多，多中段同時開采，作業(yè)點(diǎn)多面廣，普遍存在多中段串風(fēng)。②技術(shù)管理難度大。隨著礦井開拓變化，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，供風(fēng)地點(diǎn)多，分布廣，調(diào)風(fēng)越來越困難，通風(fēng)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，深部通風(fēng)降溫效果不理想。③職業(yè)健康影響大[6]。

為改善和優(yōu)化深井采礦作業(yè)環(huán)境，保障員工和設(shè)備作業(yè)效率，穩(wěn)定目前地下開采生產(chǎn)能力、延長礦山服務(wù)年限，采用基于DIMINE數(shù)字采礦軟件系統(tǒng)平臺開發(fā)的可用于通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、改造、優(yōu)化與測定管理等工作的三維仿真通風(fēng)動態(tài)模擬作業(yè)平臺iVent礦井通風(fēng)軟件，構(gòu)建了沃溪坑口三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，并在礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中布置測點(diǎn)，測定了現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)中的阻力分布和礦井風(fēng)量分配情況，將測定的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行相關(guān)分析，從而為礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化和改造提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 工程概況

辰州礦業(yè)公司沃溪坑口擁有世界罕見的特大型金、銻、鎢共生礦床，已經(jīng)開采了140余年，是當(dāng)前國內(nèi)少數(shù)千米深井開采的礦山之一。沃溪坑口礦體屬于緩傾斜薄礦體，主要采用豎分條空場廢石膠結(jié)充填采礦法開采，斜、豎井聯(lián)合開拓，工程布置方式為：沿礦體走向每50 m劃分1個礦塊，階段高度為25 m、傾斜長40～60 m，礦房內(nèi)沿走向劃分成分條，每分條寬度為4 m，礦塊間不留間柱，保留少量底柱和頂柱，采礦前先將天井錨網(wǎng)護(hù)頂，清刷底板礦石后從上向下退采礦房，分條間隔回采、清底后干式充填，采用電耙配合裝巖機(jī)出礦。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為：采切比6.13 m/kt，出礦能力20～30 t/d，礦石貧化率8 %，采礦損失率10 %[7]。

目前沃溪坑口新鮮風(fēng)流由西部風(fēng)井、1#主井（240 m平硐口）、2#副井、1#副井進(jìn)風(fēng)至16中段，經(jīng)2#主井、3#副井至32中段，再經(jīng)V3地井、V7地井、4#副井進(jìn)入42中段，西部風(fēng)井進(jìn)入28中段，東部風(fēng)井至32中段，同時礦區(qū)新建2#明豎井的進(jìn)風(fēng)直接進(jìn)入42，44中段新回風(fēng)豎井回風(fēng)。礦井風(fēng)流清洗作業(yè)面和吸收深部高溫區(qū)域的熱量后匯流至36，41中段通風(fēng)聯(lián)絡(luò)道，在新回風(fēng)豎井地表主扇風(fēng)機(jī)作用下排出地表，系統(tǒng)總排風(fēng)能力大于160 m3/s。通風(fēng)系統(tǒng)見圖1。

2 通風(fēng)系統(tǒng)測定

2.1 測定目的

現(xiàn)場測定目的主要包括：①了解現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)中阻力分布和礦井風(fēng)量分配情況，為了使通風(fēng)系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)合理，為下一步提出切合實(shí)際的改進(jìn)意見提供依據(jù);②通過測定各種類型井巷的通風(fēng)阻力、風(fēng)量等，提供實(shí)際的風(fēng)阻和摩擦阻力系數(shù)，為通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化[8-9]等提供依據(jù)。

2021年第10期/第42卷采礦工程采礦工程黃 金

2.2 測定內(nèi)容

現(xiàn)場測定內(nèi)容主要包括：①巷道壁面特征實(shí)測，包括巷道形狀、支護(hù)形式、凈寬、凈高及斷面面積;②巷道的風(fēng)速、風(fēng)量、測點(diǎn)壓差;③測點(diǎn)的動壓計(jì)算;④礦井通風(fēng)阻力、摩擦阻力系數(shù)計(jì)算。

2.3 測定方法

測定方法選用差壓計(jì)法[10]。其中，氣壓測定采用CPD2/20型礦用便攜氣壓測定器，風(fēng)速測定采用的機(jī)械風(fēng)表為CFJ-5低速風(fēng)表、CFJ-10中速風(fēng)表和CFJ-25高速風(fēng)表。測定原理是采用氣壓測定器測出兩測點(diǎn)間的絕對靜壓差，再加上速壓差和位壓差，最終計(jì)算出通風(fēng)阻力。由于同一天短時間內(nèi)地面大氣壓和礦井通風(fēng)狀況變化不大，本文測定計(jì)算忽略其影響，同一中段不考慮位壓差。兩測點(diǎn)之間通風(fēng)阻力（F 阻i-j）計(jì)算方法見式（1）。

F 阻i-j=p 靜i-p 靜j+（Z igρ i-Z jgρ j）+ρ iv2 i2-ρ jv2 j2（1）

式中：p 靜i為靜讀i氣壓計(jì)的讀數(shù)（Pa）;p 靜j為靜讀j氣壓計(jì)的讀數(shù)（Pa）;Z i為i點(diǎn)標(biāo)高（m）;Z j為j點(diǎn)標(biāo)高（m）;g為重力加速度，取9.8 m/s2;ρ i為i點(diǎn)空氣密度（kg/m3）;ρ j為j點(diǎn)空氣密度（kg/m3）;v i為i點(diǎn)風(fēng)速（m/s）;v j為j點(diǎn)風(fēng)速（m/s）。

另外，采用iVent礦井通風(fēng)軟件構(gòu)建三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，錄入礦山通風(fēng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)通風(fēng)參數(shù)實(shí)際測定結(jié)果，修正三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，使三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型與礦山實(shí)際狀況相符。

2.4 測定路線選擇與測點(diǎn)布置

2.4.1 測定路線選擇

根據(jù)沃溪坑口的生產(chǎn)布局和通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，從有利于系統(tǒng)現(xiàn)狀分析出發(fā)，選擇測定路線布置測點(diǎn)。主要測定路線選擇在通風(fēng)路線長、風(fēng)量大，且包含風(fēng)井、運(yùn)輸大巷、主要工作面、回風(fēng)上山、回風(fēng)巷道等，能反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)特征的風(fēng)路上。通過測定其結(jié)果反映礦井通風(fēng)現(xiàn)狀，并為礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造提供依據(jù)。

2.4.2 測點(diǎn)布置

礦井通風(fēng)系統(tǒng)測定的主要中段包括：-510 m（32中段）、-610 m（36中段）、-735 m（41中段）、-760 m（42中段）、-810 m（44中段）。由于一些布置測點(diǎn)風(fēng)速過低或受通風(fēng)設(shè)施影響，實(shí)測有效測點(diǎn)相比布置測點(diǎn)有所調(diào)整，實(shí)測有效測點(diǎn)共42個，見表1。以41中段和44中段為例，實(shí)測點(diǎn)位置情況見圖2。

3 測定結(jié)果與分析

3.1 測定數(shù)據(jù)整理

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，對礦井各中段實(shí)測風(fēng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，部分中段通風(fēng)測定記錄見表2。

3.2 礦井風(fēng)量分配狀態(tài)分析

沃溪坑口礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要回風(fēng)分兩路：一是41中段以上從上往下通過36，41中段回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道排到專用回風(fēng)豎井;二是41中段以下從下往上通過41中段回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道排到專用回風(fēng)豎井，最后排出地表。中段回風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見表3。

基于iVent礦井通風(fēng)軟件中所建立的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)風(fēng)量配色分析礦井整體風(fēng)量分配，結(jié)果見圖3、圖4。由圖3、圖4可知：大部分區(qū)域風(fēng)量過低，只有主要的進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷道風(fēng)量較大，風(fēng)量分配不均勻，部分內(nèi)部巷道形成均壓，無風(fēng)流流動，造成圍巖排熱效果差，作業(yè)地點(diǎn)溫度上升。41中段以上從上往下通過36，41中段回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道排到專用回風(fēng)豎井，為下行排風(fēng);41中段以下從下往上通排，為上行排風(fēng)。經(jīng)對比分析可知，41中段以下的上行排風(fēng)效果優(yōu)于41中段以上的下行排風(fēng)效果。

沃溪坑口采用控制主要回風(fēng)路線風(fēng)量的方法控制系統(tǒng)通風(fēng)，經(jīng)過分析可以看出：單控制回風(fēng)路線回風(fēng)量很難實(shí)現(xiàn)按需風(fēng)量供風(fēng)，阻力小的路線風(fēng)流大，由于運(yùn)輸路線的障礙少，形成以主要運(yùn)輸路線為風(fēng)路的系統(tǒng)，風(fēng)流沒有有效流經(jīng)工作面及時排出圍巖散熱。

3.3 礦井總風(fēng)阻與阻力分布

3.3.1 礦井通風(fēng)難易程度

礦井通風(fēng)難易程度一般用等積孔衡量，分級標(biāo)準(zhǔn)[11]見表4。在相同條件下穿過斷面越小的孔其壓差損失越大，所以等積孔越大，壓差損失越小，其通風(fēng)越容易。根據(jù)在iVent礦井通風(fēng)軟件中建立的完整三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，可得到總風(fēng)壓1 732.11 Pa，總風(fēng)量161.69 m3/s，總風(fēng)阻0.066 27 N·s2/m8，等積孔4.62 m2。根據(jù)表4通風(fēng)難易程度的分級標(biāo)準(zhǔn)，沃溪坑口為小阻力礦，通風(fēng)比較容易，總回風(fēng)量也滿足礦井通風(fēng)需求。

3.3.2 礦井阻力分布狀態(tài)

通過在iVent礦井通風(fēng)軟件中對解算結(jié)果進(jìn)行配色顯示來分析礦井通風(fēng)阻力分布情況，結(jié)果見圖5。由圖5可以看出：阻力分布比較大的區(qū)域集中在專用回風(fēng)豎井、各主要運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)量大的巷道;造成這樣的原因主要是其路線風(fēng)量大。產(chǎn)生的不良影響是風(fēng)量分配不均勻，區(qū)域處于均壓狀態(tài)，造成大部分作業(yè)地點(diǎn)風(fēng)量不夠，風(fēng)速小，排熱不順暢。

4 結(jié) 論

通過調(diào)研、梳理和分析礦山實(shí)際情況，基于iVent礦井通風(fēng)軟件系統(tǒng)平臺構(gòu)建了三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，采用現(xiàn)場測定、數(shù)值模擬等手段，對沃溪坑口礦井通風(fēng)系統(tǒng)中主要巷道阻力分布和礦井風(fēng)量分配等情況進(jìn)行了測定和分析，可為礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化和改造提供理論依據(jù)。

1）沃溪坑口41中段以下的上行排風(fēng)效果優(yōu)于41中段以上的下行排風(fēng)效果。

2）沃溪坑口大部分區(qū)域風(fēng)量過低，只有主要進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷道風(fēng)量較大，風(fēng)量分配不均勻，部分內(nèi)部巷道形成均壓，無風(fēng)流流動，難以實(shí)現(xiàn)按需風(fēng)量供風(fēng)，造成圍巖排熱效果差，作業(yè)地點(diǎn)溫度上升。

3）沃溪坑口為小阻力礦，阻力分布比較大的區(qū)域集中在專用回風(fēng)豎井、各主要運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)量大的巷道，導(dǎo)致風(fēng)量分配不均勻及區(qū)域處于均壓狀態(tài)，大部分作業(yè)地點(diǎn)風(fēng)量不足，風(fēng)速小，排熱不順暢。

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Measurement and analysis of mine ventilation system in Woxi pithead

Wang Junmin

（Hunan Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：With the mining going deep，the mining intensity becomes greater and the geological conditions become more complex，resulting in practical problems such as poor underground production and operation environment.In order to ensure the underground production and operation environment，it is the most effective means to realize the safe and efficient ventilation of the mine.In the process of ventilation management in Woxi pithead shaft，there are some problems，such as low digitization of ventilation management，poor overall coordination，and difficult production management.By means of field measurement and numerical simulation，this paper measures and analyzes the wind resistance distribution and shaft air volume distribution in the main roadway in the mine ventilation system at Woxi pithead，so as to provide data support and theoretical basis for the subsequent optimization and transformation of the mine ventilation system.

Keywords：mine ventilation system;ventilation measurement;air volume analysis;iVent shaft ventilation software;numerical simulation