復雜采空區(qū)條件下多井筒通風系統(tǒng)優(yōu)化研究?

馮福康

(長春黃金研究院有限公司, 吉林 長春 130012)

0 引 言

礦井通風系統(tǒng)的基本任務是以最經(jīng)濟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,能及時有效地控制風流方向及大小,同時與其它措施結(jié)合,防止和消滅災害的發(fā)生。礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化,就是采用各種有效的方法尋求礦井通風電能消耗低、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,國內(nèi)學者在多井筒通風網(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、井下多水平較為復雜的礦井通風系統(tǒng)進行分析,在通風阻力測定和計算機模擬的基礎上,研究確定該礦通風系統(tǒng)改造方案。琚和森等[2]分析了冬瓜山銅礦老區(qū)大團山采區(qū)通風系統(tǒng)存在的問題,采用多機站風壓和風量平衡技術,通風網(wǎng)絡解算模擬優(yōu)化技術,確定了通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案;梅林芳等[3]針對通風系統(tǒng)存在的新風大量短路、采區(qū)污風循環(huán)、通風網(wǎng)絡復雜難調(diào)等問題開展分區(qū)通風、多機站聯(lián)合運行優(yōu)化設計;王孝東等[4]通過繪制網(wǎng)絡圖和進行風網(wǎng)解算,采用多風機多級機站的通風方式,提出了云錫老廠礦分公司新三大采區(qū)通風系統(tǒng)的2種構(gòu)造方案。

本文針對海溝金礦礦井通風實際,在開展自然風壓計算、采空區(qū)回風可行性分析以及通風系統(tǒng)需風量估算的基礎上,采用VENTSIM三維通風動態(tài)仿真模擬的方法,提出切實可行的通風系統(tǒng)優(yōu)化方案,并從通風阻力、通風動力分析以及通風阻力評價等方面開展了通風系統(tǒng)評價工作,采用單因素分析方法驗證了不同風阻條件下通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實施效果表明,項目的實施有效改善了礦山井下通風條件與空氣質(zhì)量,提高了作業(yè)人員的勞動生產(chǎn)率,降低了通風成本,消除了可能發(fā)生的通風安全隱患。

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個相連通的礦區(qū),小海溝為中央對角式通風系統(tǒng),大海溝則主要依靠小海溝通風系統(tǒng)通風,新開掘井筒開采范圍也未考慮獨立的通風系統(tǒng)。總起來看,整個礦區(qū)就形成一個多井筒開拓的地下礦,計有小海溝箕斗井、副井、3個風井(新、老東風井和西風井),大海溝斜井、538平硐以及新豎井。共8個通達地表的出口。

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機動力提高入井風量來滿足深部中段的用風需求,這不僅增加了礦山的通風成本,而且大功率風機的運轉(zhuǎn)無形中提高了漏風通道兩側(cè)的壓差,從而引發(fā)更大范圍的采空區(qū)漏風。

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

2 通風方案前期論證

2.1 自然風壓的特點

隨著地表氣溫的變化,地面空氣進入地下后與各種熱源進行熱交換,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,這就是自然風壓[5]。

當自然風壓的作用方向與主扇風壓作用方向相反時,風流方向與自然風壓同向的分支風量、風壓則隨自然風壓的增大而增大,反向者風量和風壓則隨著自然風壓的增大而減小。

同樣,自然風壓對主扇的工況點也會產(chǎn)生影響。當反向自然風壓的出現(xiàn)或增大時,會使主扇的實際工況點沿其風壓曲線向上移動,等效工況點風阻曲線下移。當有正向自然風壓時,會使主扇的實際工況點沿主扇風壓曲線向下移動,其等效工況點風阻曲線上移。

2.2 熱力學參數(shù)的選擇

VENTSIM三維通風動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)可以對通風系統(tǒng)進行熱模擬,在熱模擬的過程中計算得出風網(wǎng)中各段風路的自然風壓,計算井下可壓縮性空氣流動的風量、阻力等通風參數(shù)。

根據(jù)海溝金礦當?shù)貧庀筚Y料及參考類似礦山相關資料,計算最冷氣候條件下的自然風壓初始參數(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℃;地熱梯度,2.1℃/100 m;圍巖比熱容,790 J/kg℃;圍巖導熱性,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。

2.3 采空區(qū)回風的可行性

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)處在整個通風系統(tǒng)的進風段,礦山已對其進行了有針對性的密閉隔離,從源頭上遏制采空區(qū)漏風的發(fā)生[6]。大海溝礦段一直是一個相對獨立的開采礦段,形成回風通道相對容易;另一方面,采空區(qū)無有毒氣體析出,回風對地表空氣不產(chǎn)生有害污染。因此,將大海溝采空區(qū)作為回風通道是可行的。

利用采空區(qū)回風,在同等通風設備的前提下,增大通風斷面,降低風速,減小阻力,降低能耗,這是礦井通風節(jié)能降耗一個重要途徑。井巷通風功耗采用公式(1)進行計算：

式中,Q為井巷通過的風量,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,井巷通風功耗與該井巷斷面積的立方成反比,當通過風量一定時,通風井巷的斷面積增大10%,則功耗降低25%,節(jié)能降耗效果顯著。

2.4 通風系統(tǒng)需風量估算

(1)海溝金礦典型的采礦方法是淺眼留礦法,標準采礦方法采場長度50 m,采場斷面4 m2,按巷道型采場采用公式(2)計算風量：

式中,Qc為采場需風量,m3/s;N為風流交換系數(shù),N＝11.13;V為通風空間體積,V＝2×2×50＝200 m3;T為通風時間,取1800 s。

因此,一個采場需風量計算為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,另考慮2個備用采場,采場總需風量12.4 m3/s。

(2)考慮3個掘進工作面,每個工作面按供風定額需風量2 m3/s,掘進工作面總需風量6 m3/s。

(3)提升運輸及行人井筒小海溝副井和新豎井按用風點對待,每個井筒安排1 m3/s,總共3 m3/s。

則最終礦井總需風量為21.4 m3/s。

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

3 通風系統(tǒng)方案優(yōu)化及分析

針對通風最困難時期,即反向自然風壓最大時構(gòu)建的,能同時滿足礦山各項通風需求的通風系統(tǒng)即 為最優(yōu)方案。研究提出的礦井通風系統(tǒng)方案見圖1。

圖1 礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 自然風壓計算分析

3.1.1 一般最冷氣溫時的自然風壓

以地表氣溫－30℃為一般最冷時期。計算表明,地表氣溫一般最低情況下,自然風壓作用范圍能到達十六中,作用方向是小海溝副井、西風井和新豎井進風,東風井出風、大海溝主斜井進風、49線風井和538平硐出風。表1是風路小海溝副井到東風井自然風壓的計算結(jié)果。

表1 小海溝副井至大海溝主斜井自然風壓計算

計算結(jié)果表明：小海溝副井對大海溝的自然風壓131.9 Pa,對東風井的自然風壓82.1 Pa,新豎井對大海溝的自然風壓7.2 Pa。這說明自然風壓的作用方向與規(guī)劃的風流方向是相反的,在冬季,自然風壓實際上是通風機的阻力,同時,依靠自然通風會導致小海溝副井和新豎井凍井。

3.1.2 自然風壓變化規(guī)律

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

表2 主要風井對井下的自然風壓值(負值為進風)

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

3.2 通風系統(tǒng)優(yōu)化方案

(1)通風系統(tǒng)構(gòu)建為中央對角混合式多級機站統(tǒng)一通風系統(tǒng)。進風路線設Ⅰ級機站,東、西風井主扇向井下壓入式并聯(lián)供風為Ⅰ級機站;由于回風距離太大,八中59線風巷設回風機站,作為Ⅲ級機站。

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

(3)目前礦山有1臺K40－4－NO12(37 k W)風機用于東風井,2臺K40－4－NO11(30 k W)風機分別安裝在西風井和八中59線回風平巷中。為盡可能利用現(xiàn)有設備,節(jié)約資金,盡快收效,同時又達到優(yōu)化整個通風系統(tǒng)的目的,本通風系統(tǒng)方案以優(yōu)化風路結(jié)構(gòu)為主,東、西風井主扇及八中59線風機全部原位運轉(zhuǎn)。

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

3.3 通風阻力分析

針對通風系統(tǒng)優(yōu)化方案的應用特點和要求,采用熱力學方法對系統(tǒng)進行解算,系統(tǒng)中包含了自然風壓、局部阻力、空氣密度、風門漏風及漏風風阻等的影響。以風路④進行計算為例,結(jié)果見表3。

表3 風路④通風阻力計算

3.4 通風動力分析

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

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

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

圖2 西風井主扇風壓曲線

圖3 東風井主扇風壓曲線

圖4 59線回風道主扇風壓曲線

綜上所述,所有主扇均處于穩(wěn)定運轉(zhuǎn)、高效運轉(zhuǎn)狀態(tài),技術性、經(jīng)濟性良好,符合有關規(guī)程規(guī)定。

3.5 通風阻力評價

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

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

計算認為,相比現(xiàn)有通風系統(tǒng),通風的困難程度降低不少,但通風仍然十分困難,這是老礦山普遍面臨的問題。

表4 礦井通風難易程度的分級標準

4 通風系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化涉及通風系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的方案選擇、參數(shù)設計以及運行管理,為了進一步完善通風系統(tǒng)的整體設計方案,需要開展通風系統(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阻值,分析其它分支風路風量和風壓對此做出的反應,如果這一反應偏于敏感,則認為通風系統(tǒng)欠穩(wěn)定。

4.1 風路的選擇

依據(jù)礦井通風系統(tǒng)網(wǎng)絡分支的關鍵性原則,選取能夠全面反映系統(tǒng)通風穩(wěn)定性的主要分支作為特征分支。本次工作選擇風阻較大的風路作為特征分支,根據(jù)前面的計算,選擇西風井、東風井為特征分支。通風系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)時,西風井風阻2.007 N·s2/m8,東風井風阻4.627 N·s2/m8。

4.2 穩(wěn)定性分析

東、西風井的風阻分別按10%、20%、30%等依次增加,然后分別計算每一個變化對通風系統(tǒng)的影響,即小海溝副井、新豎井風量(風向)和總進風量的變化。計算過程見表5、表6。

表5 東風井風阻變動的影響

(1)計算結(jié)果表明,即便是東、西風井的風阻增加60%,小海溝副井、新豎井的風向也不會改變,該通風系統(tǒng)是穩(wěn)定的;當東風井風阻的增加超過60%時,該大巷可能無風甚至發(fā)生風流方向反轉(zhuǎn);當西風井的風阻增加40%時,西風井主扇的運轉(zhuǎn)出現(xiàn)失速,即處于高風壓低風量的不穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

(2)主扇運轉(zhuǎn)狀態(tài)對東風井風阻變動更為敏感,通風系統(tǒng)總進風量隨東風井風阻增加而減少的幅度比隨西風井風阻增加而減少的幅度大。

(3)盡管該通風系統(tǒng)是穩(wěn)定的,但東、西風井風阻增加必然會增加通風系統(tǒng)能耗,嚴重時仍然會干擾通風系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。因此,在有條件時應擴大東、西風井及其進風風路的斷面積,進一步提高通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表6 西風井風阻變動的影響

5 小 結(jié)

(1)通過開展通風系統(tǒng)優(yōu)化工作,重建了通風系統(tǒng)風路結(jié)構(gòu),改變了原通風網(wǎng)絡無規(guī)劃,采空區(qū)多處漏風的現(xiàn)狀,坑內(nèi)作業(yè)環(huán)境得到極大改善,各項技術指標均優(yōu)于國家標準的最低要求。

(2)基于VENTSIM通風模擬計算軟件提出了中央對角混合式多級機站統(tǒng)一通風系統(tǒng)優(yōu)化方案,通過科學規(guī)劃風流路線、合理設置通風構(gòu)筑物,使通風系統(tǒng)各分支巷道的風量、風壓能夠達到最優(yōu)化。

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