基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬的多中段開采通風(fēng)方式選擇*

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

金山店鐵礦是我國(guó)重要的地下鐵礦山之一，其張福山礦區(qū)設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為230萬(wàn)t，其中西區(qū)年產(chǎn)量可達(dá)178萬(wàn)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(gè)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(jié)束在－340 m中段的回采和運(yùn)輸工作，并提前進(jìn)入－410 m中段作業(yè)，這將導(dǎo)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(jìn)度，西區(qū)進(jìn)行－410 m中段作業(yè)時(shí)，東區(qū)－340和－410 m中段需同時(shí)進(jìn)行回采，形成多中段開采。

若東區(qū)進(jìn)行多中段開采，東區(qū)－410 m水平風(fēng)流通過(guò)－340 m水平進(jìn)入新回風(fēng)井，－410 m中段污風(fēng)將污染－340 m中段采場(chǎng)，影響東區(qū)采場(chǎng)通風(fēng)安全。為保證東區(qū)多中段開采采場(chǎng)新鮮風(fēng)流，有必要在東區(qū)通過(guò)新掘及改造回風(fēng)天井改進(jìn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。為研究東區(qū)多中段開采通風(fēng)優(yōu)化方案，在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬基礎(chǔ)上，探討了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流分布規(guī)律，為通風(fēng)方式的選擇和通風(fēng)系統(tǒng)管理奠定了基礎(chǔ)。

1 礦山通風(fēng)系統(tǒng)模型

1.1 三維模型

金山店鐵礦現(xiàn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖1。其中，平巷寬3.3 m，側(cè)壁高2.4 m，頂部為1/3三心拱;中段模型在中段平面設(shè)計(jì)圖基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化;對(duì)于由風(fēng)門關(guān)閉而形成的封閉區(qū)域，模型不予考慮。模型與實(shí)際尺寸保持基本一致。

圖1 現(xiàn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格。

流體介質(zhì)為25℃空氣，相對(duì)壓力0.1 MPa;流體域采用笛卡爾坐標(biāo)系，選用標(biāo)準(zhǔn)自由表面模型，對(duì)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(dòng)控制方程組，其包含連續(xù)性方程、動(dòng)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(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)工具如CFX來(lái)求其數(shù)值近似解［2］;以截面負(fù)壓代替風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)局部通風(fēng)。

設(shè)置邊界條件時(shí)，老主井、中央副井、余華寺聯(lián)絡(luò)大巷為進(jìn)風(fēng)井，西副井、東副井、新主井、西回風(fēng)井及新回風(fēng)井為出風(fēng)井，各進(jìn)、回風(fēng)界面設(shè)為自由邊界;東區(qū)－340 m新回風(fēng)井石門，西區(qū)－270 m西回風(fēng)井石門，溜破系統(tǒng)－450、－488、－520、－590 m新主井石門處設(shè)置負(fù)壓面代替風(fēng)機(jī)。

1.3 通風(fēng)模擬

1.3.1 模型檢驗(yàn)

模擬時(shí)，老主井、中央副井、余華寺聯(lián)絡(luò)巷道、西副井、東副井、新主井、西回風(fēng)井、新回風(fēng)井進(jìn)出口截面分別重命名為In1、In2、In3、In4、In5、Out1、Out2、Out3(如圖1)，模擬結(jié)果見表1。由表1可知，模擬結(jié)果相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)單項(xiàng)相對(duì)誤差均小于10%，平均相對(duì)誤差為4.5%。考慮復(fù)雜通風(fēng)條件和計(jì)算誤差，總體來(lái)說(shuō)，模擬結(jié)果比較準(zhǔn)確，可作為決策依據(jù)。

表1 截面風(fēng)量比較

1.3.2 風(fēng)流分析

通過(guò)模擬結(jié)果可以直觀觀察現(xiàn)行礦區(qū)模型風(fēng)流分布。圖2為現(xiàn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型流線圖，由該圖可知:礦區(qū)整體通風(fēng)狀況良好，各區(qū)域均有風(fēng)流分布，其中進(jìn)出口處風(fēng)速較大。模擬結(jié)果可以較真實(shí)地反映礦區(qū)通風(fēng)現(xiàn)狀。

圖2 現(xiàn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型流線

圖3和圖4分別為東區(qū)－410 m水平通風(fēng)矢量圖和局部流線矢量圖。由圖可知，東區(qū)－410 m水平風(fēng)流通過(guò)－340 m水平進(jìn)入新回風(fēng)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(qiáng)通風(fēng)將其稀釋到規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)以下。此時(shí)，可優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，以改變東區(qū)采場(chǎng)通風(fēng)方式，并保證各開采中段分區(qū)通風(fēng)安全［4］。

圖3 東區(qū)－410 m水平流線

圖4 局部矢量

2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

金屬礦山進(jìn)行多中段同時(shí)作業(yè)時(shí)，通風(fēng)工作的難點(diǎn)是使各中段工作面都有新鮮風(fēng)流，并將工作面的污風(fēng)排至回風(fēng)道。

針對(duì)東區(qū)多中段開采存在問(wèn)題，提出以下方案:

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

(2)東區(qū)各水平采用分區(qū)通風(fēng)的方式，同時(shí)在進(jìn)路中間加強(qiáng)局扇作用，改善獨(dú)頭式進(jìn)路風(fēng)流。針對(duì)－410 m中段通過(guò)－270 m中段進(jìn)行回風(fēng)時(shí)存在的通風(fēng)線路較長(zhǎng)、漏風(fēng)較多、通風(fēng)阻力較大等問(wèn)題，在－410 m中段及格回風(fēng)天井處添加局扇及通風(fēng)構(gòu)筑物以改善－410 m中段的通風(fēng)效果。

2.2 優(yōu)化模型

根據(jù)優(yōu)化方案，對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行修改:

(1)保持西區(qū)結(jié)構(gòu)不變，東區(qū)通過(guò)新掘－340 m中段回風(fēng)天井以及改造－410 m中段回風(fēng)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(fēng)井石門，并關(guān)閉－340 m新回風(fēng)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(shè)置基本不變，但增加了東區(qū)－270 m石門截面負(fù)壓，以保證東區(qū)多中段開采風(fēng)量供給。

2.3 結(jié)果分析

基于優(yōu)化模型，利用CFX對(duì)礦區(qū)通風(fēng)進(jìn)行模擬。

(1)中段風(fēng)流分布。圖5和圖6分別為－410 m中段和－340 m中段風(fēng)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(shí)開采時(shí)，整體通風(fēng)狀況良好，且風(fēng)流均通過(guò)中段回風(fēng)天井由－270 m中段進(jìn)行回風(fēng)。

對(duì)比圖3和圖5可知:現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型中，東區(qū)－410 m中段通過(guò)－340 m中段進(jìn)行回風(fēng)，而在優(yōu)化模型中，東區(qū)－410 m中段直接通過(guò)－270 m中段進(jìn)行回風(fēng)，避免了－410 m及－340 m中段污風(fēng)的循環(huán)及對(duì)采場(chǎng)的污染。

(2)風(fēng)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(fēng)天井，表2為與中段回風(fēng)天井聯(lián)接的穿脈聯(lián)絡(luò)巷道風(fēng)速。東區(qū)－410 m和－340 m中段部分穿脈回風(fēng)天井公用1條回風(fēng)道，因此部分回風(fēng)天井風(fēng)量較大，此時(shí)，結(jié)合模型及表2數(shù)據(jù)分析可知:穿脈巷道正常回風(fēng)，且風(fēng)量基本平均分配。

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

表2 穿脈聯(lián)絡(luò)巷道單位時(shí)間的風(fēng)量

(3)風(fēng)速分布。為保證礦區(qū)通風(fēng)安全，局部通風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)與回風(fēng)口間巷道風(fēng)速不得低于0.15 m/s［5］。圖7為風(fēng)速大于等于0.15 m/s區(qū)域。模擬結(jié)果顯示:優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)大部分區(qū)域通風(fēng)良好，部分巷道通風(fēng)不良。對(duì)于通風(fēng)不良區(qū)域，可加局扇以改善通風(fēng)。

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

圖7 通風(fēng)良好區(qū)域

3 結(jié)論

(1)金山店鐵礦東區(qū)進(jìn)行多中段開采時(shí)，在現(xiàn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)條件下，－410 m中段通過(guò)－340 m中段進(jìn)行回風(fēng)，易造成－340 m中段采場(chǎng)空氣污染。通過(guò)新掘及改造回風(fēng)天井將－270中段與－340、－410 m中段貫通，使－340、－410 m中段污風(fēng)直接由－270 m中段排出，保證了東區(qū)多中段開采時(shí)通風(fēng)安全。

(2)東區(qū)－340 m新回風(fēng)井石門，西區(qū)－270 m西回風(fēng)井石門，溜破系統(tǒng)－450、－488、－520、－590 m新主井石門處設(shè)置負(fù)壓面代替風(fēng)機(jī)，模擬抽出式通風(fēng)，解決了CFX軟件不能預(yù)加風(fēng)機(jī)的問(wèn)題。在后續(xù)工作中，將進(jìn)一步研究負(fù)壓面壓力與風(fēng)機(jī)工作壓力之間關(guān)系。

(3)利用CFX軟件，可有效模擬礦區(qū)風(fēng)流風(fēng)速及流向，為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)組織設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，幫助設(shè)計(jì)者改進(jìn)并驗(yàn)證通風(fēng)優(yōu)化方案。

(4)為了降低建模和網(wǎng)格劃分難度，節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，在建模時(shí)未考慮部分風(fēng)流過(guò)小區(qū)域?qū)α鲌?chǎng)的影響，部分區(qū)域簡(jiǎn)化。建議在以后的模擬研究中應(yīng)充分考慮各因素的影響，增加對(duì)比數(shù)據(jù)，以便模擬結(jié)果能更準(zhǔn)確地表征礦區(qū)流場(chǎng)狀態(tài)。

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