王凱旋 彭俊興 梁宗霍 邱 輝 雷 鴻 康 敏 尹 裕 陳 興

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000;3.水口山有色金屬有限責(zé)任公司,湖南 常寧 421513)

隨著對礦產(chǎn)資源需求量和開采強度的不斷加大,淺部資源日益減少,國內(nèi)外礦山都相繼進入深部資源開采狀態(tài)。據(jù)不完全統(tǒng)計[1],目前國外開采深度超過千米的地下金屬礦山有112 座,而我國開采深度達到1 000 m 的金屬礦山已達16 座。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng),其狀態(tài)隨時間和空間的變化而變化[2]。礦井開采深度加大和礦山生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)變化使地下金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計礦井內(nèi)氣溫每高于標準溫度1 ℃,井下工人的勞動生產(chǎn)效率就會下降6%～8%,事故率便提升50～75次/千人[3]。因此,特別是大型深埋礦山,穩(wěn)定可靠的通風(fēng)系統(tǒng)是保證井下安全高效生產(chǎn)的前提。

以往研究[4-6]主要是通過礦井進回風(fēng)工程改造、風(fēng)流線路優(yōu)化、風(fēng)量分配等傳統(tǒng)方式對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化。近年來隨著計算機技術(shù)的興起,新的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化工具得到了運用。一些學(xué)者[7-17]采用了智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化算法等方式主要從風(fēng)量調(diào)節(jié)與能耗控制方面對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化。此外,一些學(xué)者[18-23]建立了三維礦井模型并通過數(shù)值模擬實現(xiàn)了高效的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。然而有關(guān)深埋復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的實例研究較為少見,已有的文獻[24-25]僅僅是針對通風(fēng)系統(tǒng)簡單的地下礦山進行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。此外,以往研究未針對通風(fēng)條件差、井巷復(fù)雜的礦井提出通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化全過程的科學(xué)策略與流程指導(dǎo)。綜上所述,現(xiàn)有的地下礦山通風(fēng)優(yōu)化研究完整性不足,缺少采取復(fù)雜礦井實例進行的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化全過程研究。

針對以上不足,本研究提出了復(fù)雜深埋礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的全策略與流程。針對以康家灣礦為代表的典型通風(fēng)系統(tǒng)問題,本研究對該礦進行了通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。并建立了三維通風(fēng)系統(tǒng)模型,通過數(shù)值模擬方法評估了通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化效果。

1 研究方法

1.1 礦山概況

水口山有色金屬有限責(zé)任公司康家灣礦(以下簡稱康家灣礦)是國內(nèi)以生產(chǎn)鉛、鋅、金、銀、硫為主的中型地下開采多金屬礦山?？导覟车V自1981年開工建設(shè),目前出礦量約為50萬t/a,礦井深度超過650 m?？导覟车V位于湖南省衡陽市南40 km,常寧市北東35 km處。自2011年以來,康家灣礦進入了快速發(fā)展的階段。隨著產(chǎn)量和開采深度的提升,該礦通風(fēng)系統(tǒng)已不能滿足井下安全高效生產(chǎn)。盡管康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)歷經(jīng)多次改造,但仍然存在諸多不足,嚴重影響了該礦的產(chǎn)能提升和未來發(fā)展。

1.2 礦井通風(fēng)優(yōu)化策略與流程

本研究提出了復(fù)雜深埋地下礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化策略與流程,見圖1。

圖1 地下礦山通風(fēng)優(yōu)化策略及流程Fig.1 Optimization strategy and process of underground mine ventilation

主要包含3個部分內(nèi)容:

(1)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查與測定。礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查與測定是對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化的最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的一項工作。通風(fēng)系統(tǒng)測定與評價包含風(fēng)流大小、風(fēng)流方向、空氣質(zhì)量、空氣溫濕度、通風(fēng)阻力、風(fēng)機工況的測定,同時也包括對通風(fēng)構(gòu)筑物、風(fēng)路特征的調(diào)查。通過全面、細致、準確的礦井通風(fēng)系統(tǒng)測定與調(diào)查,需清晰地了解通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀并總結(jié)通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題?；谕L(fēng)系統(tǒng)調(diào)查與測定結(jié)果,才能對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行合理有效的調(diào)整。

(2)基礎(chǔ)通風(fēng)優(yōu)化措施?；A(chǔ)通風(fēng)優(yōu)化措施是地下礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化首要的必備環(huán)節(jié),包含風(fēng)量調(diào)節(jié)分配、風(fēng)流線路優(yōu)化、通風(fēng)工程改造、風(fēng)機選型匹配4個部分的內(nèi)容。首先,應(yīng)結(jié)合礦山采掘計劃進行全礦需風(fēng)量計算,并根據(jù)各中段作業(yè)點情況和生產(chǎn)能力進行中段風(fēng)量的調(diào)節(jié)分配;其次,將風(fēng)流線路優(yōu)化與通風(fēng)工程改造作為一個整體考慮。基于通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查與測定結(jié)果重新規(guī)劃井下風(fēng)流線路,避免污風(fēng)串聯(lián)和短路漏風(fēng)等問題。并通過風(fēng)路設(shè)計改造、通風(fēng)構(gòu)筑物安設(shè)等方式實現(xiàn)井下預(yù)定風(fēng)流路線和風(fēng)流大小;最后,根據(jù)上述措施的礦井通風(fēng)效果、風(fēng)機運行工況以及全礦等效風(fēng)阻、通風(fēng)阻力、風(fēng)量等通風(fēng)特征參數(shù)評估主要風(fēng)機的匹配性。若風(fēng)機通風(fēng)能力不足,則優(yōu)選新型號風(fēng)機。

(3)高溫礦井降溫調(diào)節(jié)。隨著地下礦山轉(zhuǎn)入深部開采,原巖放熱、地下熱水、充填放熱、機械排熱、礦巖氧化放熱等因素造成礦井高溫問題趨于普遍和嚴重[26]。針對此類礦山,當(dāng)基礎(chǔ)通風(fēng)優(yōu)化措施通風(fēng)降溫效果產(chǎn)生局限性時,還需采用礦井降溫調(diào)節(jié)措施。目前,深埋熱害礦山降溫調(diào)節(jié)技術(shù)可以分為非人工制冷降溫和人工制冷降溫兩大類,非人工制冷降溫屬于較傳統(tǒng)的技術(shù),主要有加強通風(fēng)、隔離熱源、個體防護等。人工制冷降溫是隨深部開采而出現(xiàn)的主動降溫調(diào)控技術(shù),主要有冰冷卻法、水冷卻法和空氣壓縮式制冷法[27-29]。

一般認為[30-31],巖層溫度超過40 ℃ 時非人工制冷降溫措施便產(chǎn)生局限性,需采取人工制冷降溫措施進行熱害防控。目前我國存在熱害的地下礦山仍主要通過加強通風(fēng)、預(yù)冷進風(fēng)風(fēng)流、通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化等傳統(tǒng)措施來進行熱害控制。一者,我國的地下礦山深度仍然未達到超深,常規(guī)通風(fēng)調(diào)節(jié)仍然具有普遍的適用性。二者,人工制冷降溫措施仍存制冷費用高、部分技術(shù)不成熟等問題。

對于常規(guī)礦山,若通過基礎(chǔ)優(yōu)化措施可使井下環(huán)境符合生產(chǎn)要求,那么礦井通風(fēng)優(yōu)化流程即可結(jié)束。對于深埋熱害礦山,若通過基礎(chǔ)通風(fēng)優(yōu)化措施后井下環(huán)境評價不達標,則仍需采用礦井降溫調(diào)節(jié)措施。直至通風(fēng)系統(tǒng)達到預(yù)期優(yōu)化目標,方可結(jié)束礦井通風(fēng)優(yōu)化流程。

1.3 研究內(nèi)容與技術(shù)路線

本研究采取了現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方式(見圖2),以實現(xiàn)對康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造。主要研究內(nèi)容包括:① 礦井通風(fēng)系統(tǒng)測定與評價;② 礦井通風(fēng)優(yōu)化改造方案;③ 礦井通風(fēng)效果數(shù)值模擬。

圖2 本研究技術(shù)路線Fig.2 Technical route of this study

康家灣礦鉆孔溫度測量數(shù)據(jù)表明(見圖3),該礦巖溫在30.8 ℃之內(nèi),且深部中段高溫現(xiàn)象是由于通風(fēng)系統(tǒng)不完善,未形成貫穿風(fēng)流而產(chǎn)生的。因此,本研究對康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化仍采用了常規(guī)調(diào)節(jié)措施,未針對性地采取礦井降溫調(diào)節(jié)措施。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)測定與評價

2.1 礦井需風(fēng)量計算

礦井需風(fēng)量計算是礦井通風(fēng)設(shè)計的一個極其重要的內(nèi)容,正確計算礦井需風(fēng)量是選擇主要通風(fēng)設(shè)備和布置通風(fēng)工程的重要依據(jù)。礦井需風(fēng)量計算,一般有下列3種計算方法,選取需風(fēng)量最大值:① 按井下同時工作的最多人數(shù)計算所需風(fēng)量;② 按柴油設(shè)備運行的礦井計算所需風(fēng)量;③ 按排塵風(fēng)速計算所需風(fēng)量。

通過計算可得,以上3種方法計算的最大需風(fēng)量為按排塵風(fēng)速計算所需風(fēng)量(見表1),即總需風(fēng)量Q=1.1×1.15×168=212.52 m3/s。

表1 礦井需風(fēng)量計算表Table 1 Calculation table of total mine demand airflow

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)測定方式

康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)測定共布置測點85個,重點測量了主要進回風(fēng)路的溫度、風(fēng)流速度、斷面尺寸、風(fēng)量以及風(fēng)流方向。其中風(fēng)流速度和溫度采用HT-8398型熱敏風(fēng)速儀進行測量,井巷斷面尺寸采用DELIXI DB120型激光測距儀進行測量。

風(fēng)速測定采用側(cè)身測定法,測定時根據(jù)現(xiàn)場條件選擇前后斷面均勻筆直、無遮擋物的巷道布置測風(fēng)點。由于側(cè)身測定法時人體與儀器會使風(fēng)流實際流經(jīng)的斷面減小,風(fēng)速增大。因此,需要根據(jù)式(1)對實測風(fēng)流速度進行修正:

式中,ν為該斷面巷道實際風(fēng)速,m/s;νs為該斷面巷道測量風(fēng)速,m/s;s為巷道斷面面積,m2;s0為人體和儀器所占巷道截面積,取0.4 m2。

2.3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀概述

康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過了多次演化,目前形成了中央進風(fēng)兩翼回風(fēng)的通風(fēng)模式。其中1#斜井與北部風(fēng)井分別位于礦區(qū)南北兩翼,其井口分別安裝主扇負責(zé)全礦南北兩翼主回風(fēng)。2#斜井原為回風(fēng)井,井口安裝主扇進行抽出式通風(fēng),北部風(fēng)井投入使用后2#斜井主扇關(guān)停。目前副井、斜坡道以及2#斜井均為自然進風(fēng)。

康家灣礦在井下中段采用了平行雙巷式通風(fēng)。新鮮風(fēng)流通過副井、斜坡道及2#斜井進入井下,然后經(jīng)副井石門、斜坡道聯(lián)絡(luò)巷、盲電梯井和輔助盲斜井進入各中段沿脈運輸平巷。通過穿脈和通風(fēng)行人上山進入采場,洗刷工作面后由采場回風(fēng)井回至上中段回風(fēng)平巷。各中段污風(fēng)隨后通過接力回風(fēng)井及接力回風(fēng)機站匯至南北兩翼主回風(fēng)井。

2.4 通風(fēng)測定結(jié)果定量分析

(1)礦井總進風(fēng)量218.47 m3/s,礦井總回風(fēng)量220.52 m3/s,兩者相差2.05 m3/s,屬于測量誤差以及系統(tǒng)漏風(fēng)所致。礦井理論需風(fēng)量為212.52 m3/s,實際風(fēng)量略大于理論值,符合設(shè)計要求。

(2)副井進風(fēng)最大,斜坡道其次,2#斜井進風(fēng)最小。其中,副井進風(fēng)為99.34 m3/s,斜坡道地表進風(fēng)為 82.14 m3/s,2#斜井進風(fēng)為 36.99 m3/s。

(3)北部風(fēng)井回風(fēng)稍大于1#斜井回風(fēng),1#斜井回風(fēng)為 102.08 m3/s,北部風(fēng)井回風(fēng)為 118.44 m3/s。由于全礦采掘量主要位于礦區(qū)北翼,因此礦區(qū)南北兩翼風(fēng)量需要進一步調(diào)節(jié)分配。

(4)康家灣礦井下十二至十六中段為高溫?zé)岷^(qū)域,應(yīng)予以重點整治。其中干球溫度超過28 ℃的測風(fēng)點數(shù)量為26個,占上述5個中段總測點數(shù)的65%。溫度超過30 ℃的測風(fēng)點數(shù)量為11個,占上述5個中段總測點數(shù)的27.5%。

(5)康家灣礦井下十二至十六中段為通風(fēng)困難區(qū)域,且風(fēng)量分配不合理,需要加強深部通風(fēng)。十二中段至十六中段采掘量占全礦采掘總量75%,而十二至十六中段新鮮風(fēng)流進風(fēng)總量僅為81.24 m3/s,僅占礦井總進風(fēng)量的37.19%。

2.5 通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題

(1)2#斜井進入的新鮮風(fēng)流利用率不高,未進入深部中段,且涉嫌風(fēng)流短路。

(2)井下各中段風(fēng)流分配不合理,由于缺乏專用進風(fēng)通路,進入十二至十六深部中段風(fēng)量不足。

(3)井下十二至十六深部中段的通風(fēng)效果差,且高溫問題嚴重。

(4)南翼回風(fēng)所依賴的4#機站回風(fēng)能力較小,全礦轉(zhuǎn)入十二中段以下深部開采后南翼回風(fēng)能力受限。

(5)井下十二中段以下深部中段缺乏專用回風(fēng)道,污風(fēng)串聯(lián)問題明顯。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 礦井風(fēng)量分配優(yōu)化

目前,康家灣礦四至七中段已封閉,八至九中段進行殘采,十五至十六中段正在進行開拓。由于井下十二中段以上礦體回采在未來2年內(nèi)即將結(jié)束,因此本次設(shè)計不再考慮十二中段以上風(fēng)量分配。屆時全礦轉(zhuǎn)入深部開采,全礦風(fēng)流全部進入十二中段以下。結(jié)合康家灣礦70萬t/a采選能力提升技改完成后的采掘生產(chǎn)計劃,本研究對各生產(chǎn)中段所需風(fēng)量進行重新分配,結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化后康家灣礦井下各生產(chǎn)中段風(fēng)量分配Table 2 Distribution of air volume in each production section of Kangjiawan Mine after optimization

3.2 深部中段加強進風(fēng)方案

康家灣礦即將轉(zhuǎn)入十二中段以下深部開采,然而目前井下深部中段仍缺乏專用進風(fēng)通道?；诖?本方案提出建設(shè)深部雙進風(fēng)井聯(lián)合加強進風(fēng)方案:

(1)設(shè)計將箕斗主井兼作進風(fēng)井,并在箕斗井設(shè)置噴霧除塵設(shè)施用于井筒風(fēng)流凈化?；分骶M風(fēng)后,主要通過十三中段主井聯(lián)絡(luò)平巷和專用進風(fēng)平巷進入109線十三至十六中段風(fēng)井,進而實現(xiàn)十四至十六中段主沿脈進風(fēng)(見圖4)。

圖4 深部主進風(fēng)井布置方式Fig.4 Layout of the deep main inlet shaft

(2)在十三中段103線附近向下掘進深部專用進風(fēng)井至十六中段,中間依次與十三至十六中段沿脈聯(lián)通(見圖4)。103線進風(fēng)井井口與副井井底-410 m水平通過通風(fēng)下山相連,副井新鮮風(fēng)流經(jīng)通風(fēng)下山進入103線十三至十六中段進風(fēng)井,進而補充深部中段主沿脈進風(fēng)。通風(fēng)下山中部分風(fēng)流經(jīng)聯(lián)絡(luò)平巷進入十三中段主沿脈,從而補充十三中段進風(fēng)。該系統(tǒng)形成后,103線十三至十六中段進風(fēng)井與109線十三至十六中段進風(fēng)井將共同承擔(dān)井下十三至十六中段主沿脈進風(fēng)任務(wù)。同時斜坡道進行輔助進風(fēng),而措施盲斜井與盲電梯井由于過于靠近南翼端部故只承擔(dān)少量進風(fēng)任務(wù)。

3.3 深部中段回風(fēng)優(yōu)化

為了提高康家灣礦深部中段回風(fēng)效果,本研究提出系列優(yōu)化措施如下:

(1)更換4#機站接力風(fēng)機。為了提高南翼回風(fēng)效果,提升4#機站回風(fēng)能力,本研究設(shè)計拆除2#斜井井口K40-6-No22(250 kW)型風(fēng)機,將其移至十一中段南部風(fēng)機硐室內(nèi),并淘汰該硐室內(nèi)原有K40-6-No19(110 kW)型風(fēng)機。優(yōu)化后,南翼十一中段4#機站與1#斜井地表機站形成2級機站負責(zé)全礦南翼回風(fēng)。

(2)新增十二中段總回風(fēng)巷接力機站。由于康家灣礦北翼污風(fēng)主要經(jīng)井下十二中段回風(fēng)平巷匯入北部風(fēng)井,為了提高礦區(qū)北翼回風(fēng)效果,本研究提出新增十二中段總回風(fēng)道風(fēng)機硐室,并配備 K40-6-No22 (250 kW)型風(fēng)機。該機站形成后與北部風(fēng)井地表機站形成2級機站負責(zé)北翼污風(fēng)回風(fēng)。

(3)新增上盤回風(fēng)平巷。設(shè)計深部中段采用平行雙巷式通風(fēng),新建十二至十五中段專用上盤回風(fēng)平巷承擔(dān)下部中段污風(fēng)回風(fēng),并解決井下污風(fēng)串聯(lián)問題。深部中段新鮮風(fēng)流經(jīng)穿脈、采場聯(lián)絡(luò)巷等進入采場,洗刷工作面后污風(fēng)則由采場回風(fēng)井排至上中段回風(fēng)平巷。

4 礦井通風(fēng)數(shù)值模擬分析

4.1 三維礦井通風(fēng)模型建立

基于本研究提出的康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案以及現(xiàn)場勘測結(jié)果,本研究建立了康家灣礦三維通風(fēng)礦井模型。該模型包含完整的井下九至十六中段(見圖5),在空間上和形態(tài)上反映了康家灣礦真實的井下通風(fēng)系統(tǒng)。四至八中段由于殘采結(jié)束實施封閉處理,無風(fēng)流運行,故未建立以上中段模型參與通風(fēng)模擬。

圖5 優(yōu)化后康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)模型Fig.5 Ventilation system model of Kangjiawan Mine after optimization

4.2 礦井通風(fēng)數(shù)值模擬方法

本研究基于Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)進行了康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬,并進行了優(yōu)化前后通風(fēng)效果的對比與評價。

模擬過程中考慮自然風(fēng)壓與風(fēng)流可壓縮;模擬精度為0.001 m3/s,迭代次數(shù)為2 000次;模擬中主要風(fēng)路的尺寸、摩擦阻力系數(shù)等通風(fēng)特征參數(shù)完全依照現(xiàn)場勘測結(jié)果輸入(見表3),所沿用的礦山原有風(fēng)機、通風(fēng)構(gòu)筑物與井下實際保持一致。

表3 主要井巷的通風(fēng)特征參數(shù)Table 3 Ventilation feature parameters of the main wind road

通風(fēng)模擬基于質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律(伯努利方程)進行,控制方程如下所示。

(1)質(zhì)量守恒方程。在數(shù)值計算中,所有風(fēng)路不考慮漏風(fēng)。在任意一條巷道中前后2個斷面(見圖6),所通過的風(fēng)流質(zhì)量保持一致,見式(2)。

圖6 風(fēng)流運動示意Fig.6 Schematic diagram of air flow

式中,ρ1、ρ2分別為斷面1和斷面2上的空氣平均密度,kg/m3;υ1、υ2分別為斷面1和斷面2上的風(fēng)流平均速度,m/s;s1、s2分別為斷面1和斷面2的斷面積,m2。

(2)能量守恒方程。能量守恒定律考慮了單位體積風(fēng)流的全壓能與勢能,其中風(fēng)流全壓為風(fēng)流靜壓與動壓之和,見式(3)。在任意一條巷道中,單位體積風(fēng)流從斷面1流至斷面2,風(fēng)流全壓能與勢能之和的前后差值即為克服風(fēng)路阻力引起的能量損失。

式中,P1、P2分別為斷面1、斷面2上的單位體積風(fēng)流靜壓,Pa;z1、z2分別為斷面1、斷面2距基準面的高度,m;g為重力加速度,m/s2;h1-2為斷面1～斷面2單位體積風(fēng)流的壓力損失(阻力),Pa。

4.3 優(yōu)化后通風(fēng)系統(tǒng)分析與評價

4.3.1 優(yōu)化后通風(fēng)系統(tǒng)概述

通風(fēng)系統(tǒng)模擬結(jié)果表明優(yōu)化后康家灣礦總進風(fēng)、總回風(fēng)量均為215.4 m3/s,滿足全礦需風(fēng)量要求。其中,副井進風(fēng)量為94.5 m3/s,斜坡道地表進風(fēng)量為47.3 m3/s,2#斜井進風(fēng)量為 23.3 m3/s,箕斗主井進風(fēng)量為50.3 m3/s。1#斜井回風(fēng)量為89.6 m3/s,北部風(fēng)井回風(fēng)量為 125.8 m3/s。

優(yōu)化后全礦風(fēng)機總功率為768.3 kW,通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)整體效率為80.5%,年通風(fēng)功耗成本為471.1萬元。全礦總風(fēng)阻為0.061 86 N·s2/m8,摩擦損失功率為618.4 kW,通風(fēng)阻力損失為2 870.1 Pa。礦井等積孔為4.78 m2,該礦通風(fēng)難易程度屬容易。優(yōu)化后康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)圖如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)Fig.7 Ventilation system of Kangjiawan Mine after optimization

4.3.2 優(yōu)化后礦井通風(fēng)方式

4.3.2.1 系統(tǒng)通風(fēng)方式

優(yōu)化后,康家灣礦仍采用中央進風(fēng)兩翼回風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)(見圖7)。副井為主要進風(fēng)井,其次為斜坡道和箕斗主井,2#斜井為輔助進風(fēng)井。1#斜井和北部回風(fēng)井分別位于礦區(qū)南北兩翼,地表井口安裝抽出式主扇,負責(zé)全礦回風(fēng)任務(wù)。此外,南翼十一中段端部與北翼十二中段總回風(fēng)道均安設(shè)接力回風(fēng)機站,分別與1#斜井和北部回風(fēng)井地表機站形成2級機站進行接力回風(fēng)。其中,主要風(fēng)路風(fēng)流路線如下所述:

(1)副井進風(fēng)。優(yōu)化后,罐籠副井仍為全礦主要進風(fēng)風(fēng)路。副井石門在七至十一中段均進行了封閉處理,因此副井地表進風(fēng)全部進入井下十二中段和副井井底。副井大部分風(fēng)流通過井底通風(fēng)下山至十三中段水平,隨后通過103線十三至十六中段風(fēng)井和風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷進入十三至十六中段主沿脈。其余風(fēng)流則通過十二中段副井石門進入十二中段,然后通過輔助盲斜井和盲電梯井補充井下十三至十六中段南翼進風(fēng)。

(2)斜坡道進風(fēng)。優(yōu)化后,斜坡道與箕斗主井為康家灣礦次要進風(fēng)風(fēng)路。同時箕斗主井運行后,斜坡道不再作為礦石運輸通道,故斜坡道風(fēng)流質(zhì)量明顯提升。斜坡道聯(lián)絡(luò)道在井下四至十二中段均進行了封閉處理,因此斜坡道由地表進入的新鮮風(fēng)流通過斜坡道聯(lián)絡(luò)巷依次進入十三至十六中段主沿脈。

(3)箕斗主井進風(fēng)?；分骶O(shè)計用于礦井深部進風(fēng),并設(shè)置噴霧除塵設(shè)施用于井筒風(fēng)流凈化。箕斗主井由地表進風(fēng)后,通過十三中段主井聯(lián)絡(luò)巷進入十三中段。隨后新鮮風(fēng)流通過進風(fēng)平巷進入109線十三至十六中段進風(fēng)井,最終進入十四至十六中段主沿脈。

(4)2#斜井進風(fēng)。2#斜井為全礦輔助進風(fēng)井,地表進入少量風(fēng)流用以承擔(dān)十二中段以下補充進風(fēng)任務(wù)。2#斜井在五至六中段聯(lián)絡(luò)巷均進行了封閉處理,新鮮風(fēng)流全部進入七中段井底。隨后通過中段下山、中段風(fēng)井、風(fēng)橋、沿脈平巷、盲斜井等風(fēng)路進入十三中段主沿脈。進入十三中段后,該部分新鮮風(fēng)流沿十三中段主沿脈向北至采場。當(dāng)十三中段回采結(jié)束后,由2#斜井下行的新鮮風(fēng)流則沿十三中段主沿脈以及109線十三至十六中段風(fēng)井依次進入十四至十六中段。

(5)1#斜井回風(fēng)。1#斜井為南翼主回風(fēng)井,地表安裝一臺250 kW主扇進行抽出式通風(fēng)。南翼井下十一中段4#接力回風(fēng)機站更換250 kW接力風(fēng)機,并與1#斜井地表主扇形成雙級機站負責(zé)南翼接力回風(fēng)。南翼井下各中段污風(fēng)段通過中段回風(fēng)井接力匯至十一中段4#接力機站,隨后通過106線九至十一中段回風(fēng)井匯入九中段1#斜井井底,最終排出地表。

(6)北部風(fēng)井回風(fēng)。北部風(fēng)井為北翼主回風(fēng)井,地表安裝一臺315 kW主扇進行抽出式通風(fēng)。北翼井下十二中段總回風(fēng)道安設(shè)接力回風(fēng)機站與250 kW接力風(fēng)機,并與北部風(fēng)井地表主扇形成雙級機站負責(zé)北翼接力回風(fēng)。北翼井下各生產(chǎn)中段污風(fēng)經(jīng)接力回風(fēng)井匯至十二中段總回風(fēng)道,隨后通過十二中段接力回風(fēng)機站匯入北部風(fēng)井,最終排出地表。

4.3.2.2 中段通風(fēng)方式

井下生產(chǎn)中段采用平行雙巷式的通風(fēng)方式,優(yōu)化后新建103線進風(fēng)井及109線進風(fēng)井為深部中段主要進風(fēng)通道,其次為斜坡道,而原有的輔助盲斜井和盲電梯井則承擔(dān)少量進風(fēng)任務(wù)。十二中段以下新鮮風(fēng)流進入各中段主沿脈運輸平巷后,然后經(jīng)本中段穿脈進入采場,洗刷采場工作面。污風(fēng)則由采場通風(fēng)天井回至上中段穿脈,然后匯入上盤回風(fēng)平巷,有效避免了多中段開采污風(fēng)串聯(lián)。

4.3.2.3 采場通風(fēng)方式

采場通風(fēng)采用穿脈—采場—回風(fēng)天井貫穿風(fēng)流的方式。新鮮風(fēng)經(jīng)本中段穿脈和通風(fēng)行人上山進入采場,洗刷采場工作面后污風(fēng)由采場通風(fēng)天井回至上中段穿脈,然后進入上盤回風(fēng)巷。對于不能形成貫穿風(fēng)流的通風(fēng)困難采場,在采場回風(fēng)井井口安裝局扇用以加強通風(fēng)。

4.3.3 風(fēng)機選型與運行工況

本設(shè)計仍沿用原有1#斜井井口K45-6-No20-35°(250 kW)型主扇與北部風(fēng)井井口FBCZ-6-No21-25°(315 kW)型主扇。井下十一中段4#機站原K40-6-No19(110 kW)型接力風(fēng)機拆除,并替換為原2#斜井井口K40-6-No22-26°(250 kW)型風(fēng)機。其次,設(shè)計在十二中段北部風(fēng)井總回風(fēng)道建造北翼接力回風(fēng)機站,并安裝K40-6-No22-29°(250 kW)型風(fēng)機。

經(jīng)全礦通風(fēng)系統(tǒng)模擬計算顯示,本設(shè)計所沿用的主扇以及新安設(shè)的接力風(fēng)機運行合理,運行效率均介于79.2%～87.9%之間(見圖8)。因此本設(shè)計的風(fēng)機選型是合理的,能夠滿足康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造的需求。

圖8 優(yōu)化后主要風(fēng)機運行工況Fig.8 The operating conditions of major fans after optimization

4.3.4 通風(fēng)構(gòu)筑物布置

通風(fēng)構(gòu)筑物是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的三大組成部分之一,是引導(dǎo)風(fēng)流實現(xiàn)預(yù)定風(fēng)量分配目標的基本措施。本研究對康家灣礦實現(xiàn)風(fēng)流引導(dǎo)與分配所采用的通風(fēng)構(gòu)筑物主要有風(fēng)門、調(diào)節(jié)風(fēng)窗及密閉墻。根據(jù)風(fēng)流流動特性對井下幾個主要區(qū)域進行設(shè)置,通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置的主要目的:

(1)封閉八至十一中段副井石門,防止八至十一中段副井石門進風(fēng),引導(dǎo)副井風(fēng)流直接進入十二中段井底。

(2)封閉四至十二中段斜坡道聯(lián)絡(luò)巷,防止四至十二中段中段斜坡道進風(fēng),引導(dǎo)風(fēng)流全部進入深部十三至十六中段。

(3)引導(dǎo)2#斜井新鮮風(fēng)流經(jīng)中段下山、中段風(fēng)井、風(fēng)橋、沿脈平巷、盲斜井等風(fēng)路進入十三中段主沿脈,進而補充深部中段進風(fēng)。

(4)封閉十二中段以下涉及污風(fēng)串聯(lián)和風(fēng)流短路的中段回風(fēng)井或風(fēng)路,引導(dǎo)新鮮風(fēng)流流向作業(yè)點,并引導(dǎo)污風(fēng)回至上中段專用回風(fēng)平巷。

4.4 通風(fēng)優(yōu)化效果對比

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果表明,優(yōu)化后的康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)深部中段通風(fēng)效果明顯增強。采用本研究通風(fēng)優(yōu)化方案后,全礦新鮮風(fēng)流全部進入井下十三至十六中段(見圖9)。全礦總進風(fēng)量為215.4 m3/s,其中北翼總風(fēng)量為125.8 m3/s,南翼總風(fēng)量為89.6 m3/s,滿足設(shè)計與生產(chǎn)要求。

圖9 優(yōu)化后井下各中段進風(fēng)量Fig.9 The inlet air volume of each section after optimization

經(jīng)對比,優(yōu)化后礦井通風(fēng)系統(tǒng)功耗、阻力、整體效率、風(fēng)機工況等特征發(fā)生顯著變化(見表4)。其中由于南北兩翼均增設(shè)250 kW接力回風(fēng)機站,全礦風(fēng)機總功率由631.1 kW升至768.3 kW,年通風(fēng)成本由386.9萬元升至471.1萬元。而由于通風(fēng)系統(tǒng)的改變,全礦等效風(fēng)阻由0.065 30 N·s2/m8降低至0.061 86 N·s2/m8,阻力由2 907.2 Pa 降低至2 870.1 Pa,全礦摩擦損失功率由595.5 kW略增至618.4 kW,通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)整體效率由68.2%提升至80.5%。

表4 優(yōu)化前后全礦通風(fēng)系統(tǒng)效果對比Table 4 Comparison of the effect of mine ventilation system before and after optimization

以上結(jié)果表明,本設(shè)計的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案是合理的,能夠有效提升康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)效果。

5 結(jié) 論

(1)通風(fēng)測定結(jié)果表明,通風(fēng)系統(tǒng)工程完善程度是影響地下礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)劣的主要因素?？导覟车V深部中段存在進風(fēng)量不足以及礦井高溫顯現(xiàn)的問題,然而以上問題主要是由于該礦深部中段缺乏主進風(fēng)風(fēng)路,未形成貫通風(fēng)流所引起的。因此在礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化中,通風(fēng)系統(tǒng)工程改造應(yīng)被作為首要優(yōu)化措施進行重點考慮。

(2)本研究所提出的深埋復(fù)雜礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化策略與流程對地下礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化具有普遍適用性。該優(yōu)化策略和流程主要包含通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查與測定、基礎(chǔ)通風(fēng)優(yōu)化改造以及高溫礦井降溫調(diào)節(jié)三部分。對于無明顯熱害的礦井,一般通過基礎(chǔ)優(yōu)化措施即可完成優(yōu)化流程。對于通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜的深埋熱害礦山,采用基礎(chǔ)通風(fēng)優(yōu)化措施后,還可通過礦井降溫調(diào)節(jié)措施以達到預(yù)期優(yōu)化目標。

(3)針對康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題,本研究進行了礦井風(fēng)量計算與分配,并提出了如下主要優(yōu)化措施:① 設(shè)計南北兩翼地表與井下2級機站進行接力回風(fēng);② 設(shè)計103線和109線進風(fēng)井將副井和箕斗主井和2#斜井新鮮風(fēng)流引入深部中段;③ 設(shè)計十二至十五中段專用上盤回風(fēng)平巷以解決污風(fēng)串聯(lián)問題。

(4)通風(fēng)模擬結(jié)果表明,本研究提出的優(yōu)化方案對康家灣礦通風(fēng)系統(tǒng)具有明顯的改善效果。技改后,全礦風(fēng)量按預(yù)定設(shè)計轉(zhuǎn)入深部生產(chǎn)中段。相對優(yōu)化前,全礦等效風(fēng)阻由0.065 30 N·S2/m8降低至0.061 86 N·S2/m8,阻力由2 907.2 Pa降低至2 870.1 Pa,礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)整體效率由68.2%提升至80.5%,且井下污風(fēng)串聯(lián)和風(fēng)流短路問題得到有效解決。