柳勇，吳曉明，陳能坤 ，胡建華，周坦

(1.湖北三寧礦業(yè)有限公司， 湖北 宜昌市 443000；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410000)

0 引言

我國磷礦資源整體上多薄少厚，大部分呈緩傾斜儲(chǔ)存[1]。隨著緩傾斜薄礦體開采規(guī)模的增加作業(yè)分散，導(dǎo)致礦山通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)需風(fēng)點(diǎn)范圍大、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、風(fēng)流紊亂、風(fēng)量分配不均等問題。隨著通風(fēng)解算軟件研究加快，運(yùn)用解算軟件進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)管理是一大重要趨勢。利用三維通風(fēng)模擬軟件，可以對井下風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行快速模擬，準(zhǔn)確反饋井下各項(xiàng)通風(fēng)參數(shù)的變化，為通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化提供重要依據(jù)[2]。

1 工程背景及問題分析

湖北三寧挑水河磷礦是正在開采的一座磷礦山，預(yù)計(jì)儲(chǔ)量2億噸，礦體賦存范圍為海拔81.67～614.75 m，礦體平均厚度4 m，整體呈緩傾斜賦存，屬于大范圍緩傾斜薄礦。

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

根據(jù)采區(qū)設(shè)置及開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置，三寧挑水河磷礦依照設(shè)計(jì)實(shí)行對角單翼式機(jī)械抽出通風(fēng)方式。主扇為一臺(tái)型號為FCDZ-Ⅱ№27的軸流式風(fēng)機(jī)。工作面所需新鮮風(fēng)流在 896，902斜坡道進(jìn)入，流經(jīng)斜坡道進(jìn)入各中段采場，供給保障采場工作人員安全。污風(fēng)經(jīng)階段平巷匯入回風(fēng)巷道，經(jīng) 1018風(fēng)井排出地面。根據(jù)挑水河磷礦實(shí)際建設(shè)生產(chǎn)情況，對井下總進(jìn)出風(fēng)量進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)，在礦井中各個(gè)盤區(qū)主要的運(yùn)輸巷道、局部進(jìn)回風(fēng)巷道等地布置測點(diǎn)進(jìn)行測量。經(jīng)測定礦山總進(jìn)風(fēng) 167.466 m3/s，總回風(fēng)179.76 m3/s。現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)需求超過礦山設(shè)計(jì)需風(fēng)量148.12 m3/s，基本滿足現(xiàn)有生產(chǎn)總需風(fēng)量。

1.2 存在的問題

經(jīng)對井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)井下南部采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)存在如下問題。

（1）向井下運(yùn)輸和破溜系統(tǒng)提供新鮮風(fēng)流的1245皮帶巷道出現(xiàn)反風(fēng)，新鮮風(fēng)流自896巷進(jìn)入經(jīng)由862探礦巷道、864中段、860中段、875平巷直至1245送出地面，溜破系統(tǒng)中充斥污風(fēng)。

（2）南部采區(qū)風(fēng)流短路，新鮮風(fēng)無法沖刷作業(yè)面。南部首采區(qū)新鮮風(fēng)流主要由902斜坡道進(jìn)入，由902斜坡道流入883主巷，繼而由各采區(qū)斜坡道沖洗工作面，再由2#回風(fēng)井經(jīng)1018風(fēng)井排出。但經(jīng)實(shí)際測量，新鮮風(fēng)流經(jīng)883直接回風(fēng)，導(dǎo)致新鮮風(fēng)流難以進(jìn)入工作面進(jìn)行沖洗。部分風(fēng)流出現(xiàn)內(nèi)部風(fēng)流短路，由 883～915下山直接回風(fēng)，另外部分進(jìn)入工作面的風(fēng)流難以達(dá)到要求，甚至有部分巷道出現(xiàn)反風(fēng)。2#巷回風(fēng)量極小，通風(fēng)未能達(dá)到預(yù)期效果，工作環(huán)境較差。

2 通風(fēng)優(yōu)化方案

目前基于迭代解算技術(shù)的通風(fēng)系統(tǒng)管理軟件有很多[3-4]，利用軟件可以進(jìn)行礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)、日常管理、實(shí)時(shí)解算、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析、污染物擴(kuò)散模擬、風(fēng)機(jī)選型、調(diào)速及反風(fēng)試驗(yàn)、構(gòu)筑物優(yōu)化等多項(xiàng)功能，建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)的三維模型，方便用戶在不同的角度觀察通風(fēng)狀態(tài)信息以及及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題[5-9]。

2.1 模型建立

三寧挑水河磷礦在日常生產(chǎn)過程中已經(jīng)使用數(shù)字化礦山軟件DMINE進(jìn)行生產(chǎn)管理，礦山擁有實(shí)時(shí)的采掘系統(tǒng)圖，將礦井生產(chǎn)系統(tǒng)三維模型導(dǎo)入通風(fēng)解算軟件進(jìn)行實(shí)體轉(zhuǎn)換就可以得到三寧挑水河磷礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型。其采通風(fēng)系統(tǒng)三維模型如圖1所示。

圖1 三寧挑水河磷礦通風(fēng)模型

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀模擬

在測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對礦井三維通風(fēng)模型進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀模擬，解算結(jié)果顯示進(jìn)、回風(fēng)布局與現(xiàn)狀相同，總進(jìn)風(fēng) 168.8 m3/s，回風(fēng) 166.2 m3/s，與實(shí)際測量基本相符。由于礦山開采范圍大、風(fēng)路復(fù)雜，在局部采區(qū)出現(xiàn)風(fēng)流短路、作業(yè)面需風(fēng)量不足、污風(fēng)反向等問題，與上述基于調(diào)查參數(shù)總結(jié)分析的通風(fēng)系統(tǒng)問題吻合。如圖2所示，其中南部采區(qū)如圖測點(diǎn) 1-9、1-10出現(xiàn)反風(fēng)情況，與實(shí)際情況相符。902進(jìn)入的新鮮風(fēng)流，部分由883西端經(jīng)聯(lián)絡(luò)道至915快速下山回至1018回風(fēng)井，部分由南四匯入南部回風(fēng)巷，回風(fēng)巷回風(fēng)量過小。測點(diǎn)2-26回風(fēng)巷回風(fēng)量與實(shí)際大致相符，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖2 883-采區(qū)情況模擬結(jié)果

圖3 測點(diǎn)2-26模擬結(jié)果

由測量參數(shù)和軟件模擬對比分析可得，本文所建立的通風(fēng)系統(tǒng)三維動(dòng)態(tài)模型基本符合礦山通風(fēng)實(shí)際情況。因此在礦山實(shí)際運(yùn)行過程中，可以依托本文所建立模型進(jìn)行礦山通風(fēng)系統(tǒng)解算、優(yōu)化方案調(diào)整驗(yàn)證。

3.3 解決措施及模擬驗(yàn)證

針對三挑水河磷礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀、存在問題及今后生產(chǎn)對通風(fēng)的需求，提出南部采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)局部優(yōu)化措施并進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

（1）方案一。883運(yùn)輸巷的新鮮風(fēng)流在最小風(fēng)阻作用下直接由915下山回風(fēng)，導(dǎo)致南部2#回風(fēng)井回風(fēng)量較小，污風(fēng)串聯(lián)，甚至反風(fēng)。因此考慮在883運(yùn)輸巷末端設(shè)置自動(dòng)風(fēng)門。通過增阻方式，減少直接回風(fēng)量，以增加沖刷采場的風(fēng)量，構(gòu)筑物布置方式見圖4。

圖4 南部采區(qū)通風(fēng)優(yōu)化方案一

模擬結(jié)果分析如下。

在883巷道末端設(shè)置自動(dòng)風(fēng)門，模擬風(fēng)門關(guān)閉時(shí)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)情況。設(shè)置自動(dòng)風(fēng)門后，對整體通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬運(yùn)算。計(jì)算結(jié)果顯示加入風(fēng)門可以有效地防止風(fēng)流由聯(lián)絡(luò)巷道至915下山回風(fēng)，增加部分新鮮風(fēng)沖刷南四采場并進(jìn)入南部2#回風(fēng)巷回風(fēng)。但改善效果不強(qiáng)，南二—883反風(fēng)情況改善較小。南部回風(fēng)巷總回風(fēng)由 26.2 m3/s增加至 27.4 m3/s，測點(diǎn) 2-26 風(fēng)量由 9.1 m3/s增加至 19.4 m3/s。模擬計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 方案一模擬結(jié)果

（2）方案二。883運(yùn)輸巷在與883中段和878中段連接處較多，且形成十字岔口，風(fēng)路組成復(fù)雜，通風(fēng)混亂。且878中段回風(fēng)距離較短，導(dǎo)致大量風(fēng)流進(jìn)入878中段。因此導(dǎo)致研究區(qū)域通風(fēng)效果不理想。在883運(yùn)輸巷末端和883運(yùn)輸設(shè)置自動(dòng)風(fēng)門，減少混亂風(fēng)流，控制新鮮風(fēng)流流向，構(gòu)筑物布置見圖6。

圖6 南部采區(qū)通風(fēng)優(yōu)化方案二

模擬結(jié)果分析如下。

通過軟件在圖6所示巷道位置設(shè)置風(fēng)門后進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)平衡的模擬運(yùn)算。計(jì)算結(jié)果顯示設(shè)置密閉墻和風(fēng)門可以有效地防止大量新鮮風(fēng)流進(jìn)入878中段，改善風(fēng)流混亂情況。模擬結(jié)果顯示方案二可有效增加部分風(fēng)流沖刷采場并進(jìn)入南部 2#回風(fēng)巷回風(fēng)。對南二—883反風(fēng)情況同樣有較大改善。南部回風(fēng)巷（2#）總回風(fēng)由 27.4 m3/s增加至 52.6 m3/s，測點(diǎn)2-26風(fēng)量由9.1 m3/s增加至37.0 m3/s。該方案效果較好。模擬計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 方案二模擬結(jié)果

方案二基本為方案一補(bǔ)充方案，通過模擬對比，方案二效果較優(yōu)。該方案不僅可以優(yōu)化風(fēng)路，還可以對以后結(jié)束回采工作的采場進(jìn)行最小風(fēng)流控制和采場通風(fēng)密閉，減少總體通風(fēng)的浪費(fèi)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)總體通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

3 結(jié)論

（1）以挑水河磷礦為對象，對典型大范圍開采的緩傾斜薄礦體通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。結(jié)合井下實(shí)測發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計(jì)“四進(jìn)一回”的通風(fēng)格局變?yōu)椤叭M(jìn)兩回”，總進(jìn)、回風(fēng)路徑與設(shè)計(jì)不符；井下南部開采區(qū)域產(chǎn)生風(fēng)流短路和污風(fēng)循環(huán)，需風(fēng)工作面風(fēng)量不足，風(fēng)流浪費(fèi)嚴(yán)重，導(dǎo)致南部采區(qū)工作環(huán)境變差。

（2）采用通風(fēng)模擬軟件建立了挑水河磷礦的通風(fēng)系統(tǒng)三維模型，并進(jìn)行井下風(fēng)網(wǎng)驗(yàn)證性模擬。模擬結(jié)果顯示，所建模型可以有效反映井下通風(fēng)實(shí)際情況，為開展通風(fēng)系統(tǒng)方案研究奠定了基礎(chǔ)，不僅提高了方案設(shè)計(jì)效率，而且同時(shí)實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)的可視化展示。

（3）針對通風(fēng)問題突出的南部采區(qū)，設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，經(jīng)模型驗(yàn)證，最終確定在883運(yùn)輸巷末端和883運(yùn)輸巷與878中段相連接的岔口設(shè)置自動(dòng)風(fēng)門，通過增加通風(fēng)構(gòu)筑物改變巷道風(fēng)阻控制風(fēng)流流向，減少混亂風(fēng)流現(xiàn)象。