混合式階段通風網絡與回風系統在脈狀礦床中的應用研究

盛建紅 ，譚星宇 ，朱必勇 ，黃文 ，周林 ，邱金銘

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012；3.崇義章源鎢業股份有限公司，江西 贛州市 341000)

0 引言

國內某多脈狀礦床開采的金屬礦山，前期為了投入少、見效快、減少開拓工程，沒有布置中段回風巷、中段回風天井和系統總回風井，僅利用采場回風天井回風，中段采用階梯式階段通風網絡。前期近地表開采，通風效果還能適應生產需要，但是進入中后期深部開采后，礦井通風系統運行狀況、技術參數和環境條件發生較大變化，礦山面臨系統總回風不暢通、通風網絡復雜、風流短路和漏風嚴重、通風阻力增加、通風難度加大、管理困難等突出問題。

目前金屬非金屬礦山常用階梯式、平行雙巷式、棋盤式、上下間隔式和梳式等階段通風網路[1]。多層平行密集脈狀礦床具有多條平行礦脈，且支脈變化多，階段出露不一，尖滅不一等各種實際形態，上述五種單一的階段通風網路由于容易造成污風串聯、支脈無法回風、開鑿工程量大、通風成本高、風流難于控制、漏風等問題，均不適合多層平行密集脈狀礦床開采時的通風。因此，研究一種適用于開采多層平行密集脈狀礦床且通風效果好、可靠性高的階段通風網路和回風系統，對降低中后期礦山通風成本，調節井下作業環境，保障生產可持續發展，具有非常重要的現實意義。

1 礦井通風網絡現狀

1.1 國內外研究分析

在礦井通風網絡研究歷程中，國外學者對于礦井通風網絡的研究早在十九世紀初就已開始，至今已取得許多代表性的成果。1953年，日本平松良雄教授首次提出了“京大第一試算法”，為應用計算機解算礦井通風網絡奠定基礎。1987年，日本井上雅弘編制的“風丸”軟件最早實現了通風系統預測和優化[2-4]。國內礦井通風網絡方面的研究起步較晚，但近年來發展迅速，提出了很多具有較強實用性的方法。1990年，馬心校在使用斯考德-恒斯雷法解算風網時，提出了校正各回路余樹風量的同時校正本回路內各樹枝風量，其他不變的思路，結果表明可使各風量接近真值[5]。近年來，基于CFD、ACPSO算法、網絡流理論、WINDOWS、回路風量法等各種礦井通風網絡解算的分析理論日益系統化，方法豐富化[6-9]，礦井通風網絡解算模擬軟件也逐步打破國外壟斷，2008年，劉劍和倪景峰等人研究的礦井通風仿真系統MVSS首次在國內9省市24個礦井生產集團推廣應用[10-11]，數值模擬促進了礦井通風網絡分析方法的發展。

1.2 階段通風網絡對比分析

階段通風網絡是由各階段進、回風巷道和進、回風天井所構成的通風網絡，它是連接進風井和回風井的通風干線[12]。分析金屬非金屬礦山常用五種階段通風網路結構的特點與多層平行密集脈狀礦床開采的適應性，發現階梯式不能嚴格遵守回采順序，且支脈礦體不規整，出露尖滅不一，易造成風流污染或支脈無法回風；平行雙巷式開鑿工程量較大，適用于礦體較厚、開采強度較大的礦山；棋盤式需開鑿一定數量的專用回風天井，通風構筑物也較多，通風成本較高；上下間隔式由于中間階段回風平巷不能實現專用，且上階段風流下行難于控制也不適用；梳式需要擴大穿脈巷道斷面且修建風障的工程較大，進、回風巷相距很近，容易漏風。對比分析可知：上述五種單一的階段通風網路，由于容易造成污風串聯或支脈無法回風、開鑿工程量大、通風成本高、風流難于控制、漏風等問題，均不適合多層平行密集脈狀礦床開采，因此，有必要對多層平行密集脈狀礦床開采階段通風網絡結構進行優化。

2 混合式階段通風網絡

2.1 網絡結構

根據礦山平行密集脈狀礦脈賦存情況，克服現有5種階段通風網絡結構的不足，對多層平行密集脈狀礦床開采階段通風網絡結構進行優化，研究發明了一種混合式階段通風網絡[13]。

混合式階段通風網絡結構主要是在礦脈端部利用階段平巷將平行礦脈貫通作為階段回風巷，在階段之間利用專用回風天井貫通，并與總回風井連接，形成回風通路。由于脈距很近，在同一階段可在平行礦脈間開鑿一小穿脈，利用已采完礦脈的沿脈巷道作為回風巷，實現平行雙巷式通風網路。對于規整的礦脈，利用采場回風天井與上階段回風巷貫通形成階梯式網路。對于不規整的礦脈或在上階段沒有出露的礦脈，無法利用采場回風天井與上階段回風巷貫通，可在同一階段平行礦脈間開鑿一小穿脈，利用相鄰沿脈巷道作為回風巷，形成平行雙巷式網路，或者在采場上部與平行礦脈的采場回風天井之間開鑿一小穿脈，形成混合階段通風網絡。混合式階段通風網絡如圖1所示，圖1中V1、V2、V3脈可通過采場回風天井利用上階段已結束作業的運輸巷道作為回風道，形成階梯式階段通風網路，也可利用端部階段回風平巷形成平行雙巷式階段通風網路。Vn1支脈由于走向未到端部，可與V1通過小穿脈形成平行雙巷式階段通風網路。另外由于在上部階段未出露，可通過在采場上部與平行礦脈V1的采場回風天井之間開鑿一小穿脈，實現平行階梯混合式通風網路。Vn2支脈由于走向未到端部，可與V3通過小穿脈形成平行雙巷式階段通風網路。另外由于在上部階段未出露，可通過在采場上部與平行礦脈V3的采場回風天井之間開鑿一小穿脈，實現平行階梯混合式通風網路。

圖1 混合式階段通風網路

2.2 數值模擬

根據圖1，建立一個包含一條進風井，一條回風井，100 m中段、50 m中段和0 m中段共3個中段，V1、V2、V3、Vn1和Vn2共5條礦脈的礦井通風系統，其中Vn1和Vn2兩條支脈在100 m中段沒有出露。運用 AutoCAD繪制通風系統單線立體圖，然后導入Ventsim軟件中，轉換成三維模型，設置中段、各類井巷的參數和主扇，形成三維模型[14-15]。采用Ventsim三維通風仿真軟件分別對階梯式通風網路、平行雙巷式通風網路和混合式階段通風網絡進行風網解算和風流模擬[16-17]，并對比分析模擬結果（見表1）。

表1 各階段通風網絡模擬數據

根據表1，分別繪制各中段沿脈平巷階梯式通風網路、平行雙巷式通風網路和混合式階段通風網絡風量圖，如圖2所示。

圖2 各中段沿脈巷道風量

對比分析模擬結果可知：

（1）Vn1和Vn2兩支脈在100 m中段沒有出露，采用階梯式通風網絡由于沒有上部巷道作為回風巷，風量只有 0.1 m3/s，通風困難；要形成完整的階梯式通風網絡，需要開鑿回風天井和回風平巷，工程量大。

（2）在同一階段平行礦脈間開鑿一小穿脈，利用相鄰沿脈巷道作為回風巷，實現平行雙巷式通風網絡后，總回風量由66.9 m3/s增加到67.4 m3/s，Vn1和Vn2兩支脈通風風量增加到3.7～4.0 m3/s，V1、V2、V3主脈風量減少到3.9～4.8 m3/s，但提高了有效風量率，總體比Vn1和Vn2兩支脈風量大，說明平行雙巷式通風網絡較好地改善了不規整礦脈，或無法利用采場回風天井回風到上階段回風巷的礦脈的通風。平行雙巷式實現并聯后降低了通風風阻，增加了總風量。

（3）在平行雙巷式的基礎上，再在采場上部與平行礦脈的采場回風天井之間開鑿一小穿脈，形成平行階梯式混合階段通風網絡后，總回風量由67.4 m3/s增加到 67.5 m3/s，V1、V2、V3 主脈以及Vn1和Vn2兩支脈風量基本穩定在4.2 m3/s，說明混合式通風網絡在少量的工程條件下，實現了多層平行密集礦脈的通風，且通風風阻最低。

混合式階段通風網絡在解決多層平行密集脈狀礦床開采過程中的通風問題時，能有效充分利用已有的開拓切割工程，減少不必要的通風井巷，降低通風成本，有利于快速實現采場貫穿風流，縮短回采時間、提高回采效率。并能根據實際條件對風流進行優化調控，可實現回采順序調整及優化，多階段多作業點同時作業，可避免回采作業面間風流串聯，實現階段風量調控靈活、合理分配，提高井下作業點通風有效率，有效提高多層平行密集脈狀礦床開采安全性。

3 采場回風天井并聯回風系統

3.1 回風系統模型

多層平行密集脈狀礦床通常采用淺孔留礦法、削壁充填法等采礦方法進行開采。很多礦山前期沒有布置系統總回風井，利用采場回風天井回風，造成開采系統總回風不暢通，通風阻力大等問題。根據礦山回風系統存在的問題，研究發明了一種利用上部回采結束的采場回風天井并聯回風作為總回風通道的回風系統[18]。

為更好地說明采場回風天井并聯回風系統，依據某礦山實際創建一個含 150 m、100 m、50 m、0 m 4個中段的連續采空區的模型，中段高度為50 m，采場長為50 m，采寬為2 m，頂底柱高為5 m，回采天井斷面為2.0 m×2.0 m。圖3為采場回風天井并聯回風作為總回風通道示意圖。

圖3 采場回風天井并聯回風示意圖

3.2 安全可靠性分析

直接利用上部采空區作為總回風通道，漏風嚴重，風流可控性較差且在井下得不到有效利用；另外，采空區形成較長時間后易垮塌，可能封堵回風通道，采空區作為總回風通道安全可靠性較低，因此，為了實現利用采場回風天井并聯回風作為總回風通道，需對上部老采場和回風天井進行處理[19-20]，處理措施如下。

（1）選取礦區端部連續性較好的老采場作為利用對象，老采場按要求留設了規范的間柱、底柱和頂柱，布置的采場回風天井如圖3所示。利用老采場為跨 150 m、100 m、50 m、0 m 4 個中段的連續采空區，每個中段采空區由多個采場空區形成；采空區上部通過總回風平巷與地表相通，并與下部礦體開采集中回風井相聯。

（2）對采空區進行治理。礦脈采用淺孔留礦嗣后廢石充填法和削壁充填法開采，利用充填確保采空區的穩定。采用混凝土或擋板封堵漏斗，防止采空區內充填體從漏斗泄出，采場天井下方設置鋼筋擋網，防止采場天井內巖石冒落；對采場回風天井進行混凝土或噴漿掛網支護，對各采場進行處理后，各采場天井、中段平巷形成的網絡見圖3，圖中4條首尾相聯的采場天井形成回風天井，共形成4條并聯回風天井。

（3）除采空區與地表風井、下部礦體開采回風井相通的通道外，其他通道都進行封堵，封堵150 m、100 m、50 m、0 m中段運輸巷及與上部相通的井巷。

3.3 回風斷面符合性分析

某礦山回風量為51.4 m3/s，總回風井斷面要求為8.6 m2。老采場留設回風天井規格為2.0 m×2.0 m，總回風斷面積為16 m2，符合通風要求。假如總回風斷面要求更大，則多并聯幾個回風天井，直到回風天井斷面總和大于總回風井斷面即可，因此，利用采場回風天井并聯回風作為總回風井巷回風斷面符合要求。

3.4 通風阻力計算

礦井通風阻力主要包括摩擦阻力和局部阻力兩部分，其中巷道的通風摩擦阻力由式（1）計算：

式中，hf為巷道通風摩擦阻力，Pa；α為巷道的通風摩擦阻力系數，(N·s2)/m4；P為巷道通風斷面的周邊長度，m；L為巷道長度，m；S為巷道的通風斷面，m2；Q為巷道通過的風量，m3/s。

根據式（1）可計算出巷道的通風摩擦阻力，再加上通風局部阻力后即為礦井通風總阻力。局部阻力一般為礦井通風摩擦阻力的20%。綜上，分別計算出 150 m、100 m、50 m、0 m 4 個中段采場回風天井并聯回風和布置0～150 m系統總回風井的通風阻力，結果見表2。

表2 通風阻力計算結果

由表2計算結果可知：利用150 m、100 m、50 m、0 m 4個中段采場回風天井并聯回風井的通風阻力為48.3 Pa，系統總回風井通風阻力為122.47 Pa，這是因為采場回風天井并聯回風分散了風流，且并聯風阻比串聯風阻小。系統總回風井由于風量大，通風阻力與風量的平方成正比關系，所以通風風阻更大。

4 結論

（1）混合式階段通風網絡與階梯式通風網路、平行雙巷式通風網路相比，通風效果最優，可充分利用已有開拓切割工程，減少不必要的通風井巷，提高井下作業點通風效率并降低通風成本，解決了多層平行密集脈狀礦床開采支脈無法回風、容易污風串聯，通風井巷工程量大等通風問題，克服了 5種階段通風網絡結構的不足。

（2）利用采場回風天井并聯回風作為總回風巷的回風系統，在滿足基本要求的前提下，由于風流分散、回風斷面大、通風阻力小，可以很好地解決老礦山通風系統總回風無專用回風井回風困難的問題，而且具有安全可靠、通風工程少、投資費用低、工期短、不影響正常生產等優點。

（3）混合式階段通風網絡和利用采場回風天井并聯回風作為總回風巷的回風系統，對多層平行密集脈狀礦床開采具有廣泛的推廣作用。