深部復雜礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

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任公司,湖南 常寧 421513)

隨著對礦產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。礦井通風系統(tǒng)是一個復雜的非線性系統(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系統(tǒng)動態(tài)變化使地下金屬礦山通風系統(tǒng)面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計礦井內氣溫每高于標準溫度1 ℃,井下工人的勞動生產效率就會下降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)定可靠的通風系統(tǒng)是保證井下安全高效生產的前提。

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

針對以上不足,本研究提出了復雜深埋礦山通風系統(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系統(tǒng)問題,本研究對該礦進行了通風系統(tǒng)優(yōu)化。并建立了三維通風系統(tǒng)模型,通過數(shù)值模擬方法評估了通風系統(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任公司康家灣礦(以下簡稱康家灣礦)是國內以生產鉛、鋅、金、銀、硫為主的中型地下開采多金屬礦山。康家灣礦自1981年開工建設,目前出礦量約為50萬t/a,礦井深度超過650 m。康家灣礦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。隨著產量和開采深度的提升,該礦通風系統(tǒng)已不能滿足井下安全高效生產。盡管康家灣礦通風系統(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能提升和未來發(fā)展。

1.2 礦井通風優(yōu)化策略與流程

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

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

主要包含3個部分內容:

(1)通風系統(tǒng)調查與測定。礦井通風系統(tǒng)調查與測定是對礦井通風系統(tǒng)進行優(yōu)化的最基礎和最關鍵的一項工作。通風系統(tǒng)測定與評價包含風流大小、風流方向、空氣質量、空氣溫濕度、通風阻力、風機工況的測定,同時也包括對通風構筑物、風路特征的調查。通過全面、細致、準確的礦井通風系統(tǒng)測定與調查,需清晰地了解通風系統(tǒng)現(xiàn)狀并總結通風系統(tǒng)存在的問題。基于通風系統(tǒng)調查與測定結果,才能對礦井通風系統(tǒng)進行合理有效的調整。

(2)基礎通風優(yōu)化措施。基礎通風優(yōu)化措施是地下礦山通風系統(tǒng)優(yōu)化首要的必備環(huán)節(jié),包含風量調節(jié)分配、風流線路優(yōu)化、通風工程改造、風機選型匹配4個部分的內容。首先,應結合礦山采掘計劃進行全礦需風量計算,并根據(jù)各中段作業(yè)點情況和生產能力進行中段風量的調節(jié)分配;其次,將風流線路優(yōu)化與通風工程改造作為一個整體考慮。基于通風系統(tǒng)調查與測定結果重新規(guī)劃井下風流線路,避免污風串聯(lián)和短路漏風等問題。并通過風路設計改造、通風構筑物安設等方式實現(xiàn)井下預定風流路線和風流大小;最后,根據(jù)上述措施的礦井通風效果、風機運行工況以及全礦等效風阻、通風阻力、風量等通風特征參數(shù)評估主要風機的匹配性。若風機通風能力不足,則優(yōu)選新型號風機。

(3)高溫礦井降溫調節(jié)。隨著地下礦山轉入深部開采,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,當基礎通風優(yōu)化措施通風降溫效果產生局限性時,還需采用礦井降溫調節(jié)措施。目前,深埋熱害礦山降溫調節(jié)技術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,主要有加強通風、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)的主動降溫調控技術,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、預冷進風風流、通風系統(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)通風調節(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、部分技術不成熟等問題。

對于常規(guī)礦山,若通過基礎優(yōu)化措施可使井下環(huán)境符合生產要求,那么礦井通風優(yōu)化流程即可結束。對于深埋熱害礦山,若通過基礎通風優(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節(jié)措施。直至通風系統(tǒng)達到預期優(yōu)化目標,方可結束礦井通風優(yōu)化流程。

1.3 研究內容與技術路線

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

圖2 本研究技術路線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,且深部中段高溫現(xiàn)象是由于通風系統(tǒng)不完善,未形成貫穿風流而產生的。因此,本研究對康家灣礦通風系統(tǒng)優(yōu)化仍采用了常規(guī)調節(jié)措施,未針對性地采取礦井降溫調節(jié)措施。

2 礦井通風系統(tǒng)測定與評價

2.1 礦井需風量計算

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

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

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

2.2 通風系統(tǒng)測定方式

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

風速測定采用側身測定法,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點。由于側身測定法時人體與儀器會使風流實際流經(jīng)的斷面減小,風速增大。因此,需要根據(jù)式(1)對實測風流速度進行修正:

式中,ν為該斷面巷道實際風速,m/s;νs為該斷面巷道測量風速,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 礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀概述

康家灣礦通風系統(tǒng)經(jīng)過了多次演化,目前形成了中央進風兩翼回風的通風模式。其中1#斜井與北部風井分別位于礦區(qū)南北兩翼,其井口分別安裝主扇負責全礦南北兩翼主回風。2#斜井原為回風井,井口安裝主扇進行抽出式通風,北部風井投入使用后2#斜井主扇關停。目前副井、斜坡道以及2#斜井均為自然進風。

康家灣礦在井下中段采用了平行雙巷式通風。新鮮風流通過副井、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。通過穿脈和通風行人上山進入采場,洗刷工作面后由采場回風井回至上中段回風平巷。各中段污風隨后通過接力回風井及接力回風機站匯至南北兩翼主回風井。

2.4 通風測定結果定量分析

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

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

(3)北部風井回風稍大于1#斜井回風,1#斜井回風為 102.08 m3/s,北部風井回風為 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)南北兩翼風量需要進一步調節(jié)分配。

(4)康家灣礦井下十二至十六中段為高溫熱害區(qū)域,應予以重點整治。其中干球溫度超過28 ℃的測風點數(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困難區(qū)域,且風量分配不合理,需要加強深部通風。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流進風總量僅為81.24 m3/s,僅占礦井總進風量的37.19%。

2.5 通風系統(tǒng)存在的問題

(1)2#斜井進入的新鮮風流利用率不高,未進入深部中段,且涉嫌風流短路。

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

(3)井下十二至十六深部中段的通風效果差,且高溫問題嚴重。

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

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

3 通風系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 礦井風量分配優(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年內即將結束,因此本次設計不再考慮十二中段以上風量分配。屆時全礦轉入深部開采,全礦風流全部進入十二中段以下。結合康家灣礦70萬t/a采選能力提升技改完成后的采掘生產計劃,本研究對各生產中段所需風量進行重新分配,結果見表2。

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

3.2 深部中段加強進風方案

康家灣礦即將轉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通道。基于此,本方案提出建設深部雙進風井聯(lián)合加強進風方案:

(1)設計將箕斗主井兼作進風井,并在箕斗井設置噴霧除塵設施用于井筒風流凈化。箕斗主井進風后,主要通過十三中段主井聯(lián)絡平巷和專用進風平巷進入109線十三至十六中段風井,進而實現(xiàn)十四至十六中段主沿脈進風(見圖4)。

圖4 深部主進風井布置方式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線進風井井口與副井井底-410 m水平通過通風下山相連,副井新鮮風流經(jīng)通風下山進入103線十三至十六中段進風井,進而補充深部中段主沿脈進風。通風下山中部分風流經(jīng)聯(lián)絡平巷進入十三中段主沿脈,從而補充十三中段進風。該系統(tǒng)形成后,103線十三至十六中段進風井與109線十三至十六中段進風井將共同承擔井下十三至十六中段主沿脈進風任務。同時斜坡道進行輔助進風,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少量進風任務。

3.3 深部中段回風優(yōu)化

為了提高康家灣礦深部中段回風效果,本研究提出系列優(yōu)化措施如下:

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

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

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

4 礦井通風數(shù)值模擬分析

4.1 三維礦井通風模型建立

基于本研究提出的康家灣礦通風系統(tǒng)優(yōu)化方案以及現(xiàn)場勘測結果,本研究建立了康家灣礦三維通風礦井模型。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系統(tǒng)。四至八中段由于殘采結束實施封閉處理,無風流運行,故未建立以上中段模型參與通風模擬。

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

4.2 礦井通風數(shù)值模擬方法

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

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

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

通風模擬基于質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)質量守恒方程。在數(shù)值計算中,所有風路不考慮漏風。在任意一條巷道中前后2個斷面(見圖6),所通過的風流質量保持一致,見式(2)。

圖6 風流運動示意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流的全壓能與勢能,其中風流全壓為風流靜壓與動壓之和,見式(3)。在任意一條巷道中,單位體積風流從斷面1流至斷面2,風流全壓能與勢能之和的前后差值即為克服風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單位體積風流的壓力損失(阻力),Pa。

4.3 優(yōu)化后通風系統(tǒng)分析與評價

4.3.1 優(yōu)化后通風系統(tǒng)概述

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

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

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

4.3.2 優(yōu)化后礦井通風方式

4.3.2.1 系統(tǒng)通風方式

優(yōu)化后,康家灣礦仍采用中央進風兩翼回風通風系統(tǒng)(見圖7)。副井為主要進風井,其次為斜坡道和箕斗主井,2#斜井為輔助進風井。1#斜井和北部回風井分別位于礦區(qū)南北兩翼,地表井口安裝抽出式主扇,負責全礦回風任務。此外,南翼十一中段端部與北翼十二中段總回風道均安設接力回風機站,分別與1#斜井和北部回風井地表機站形成2級機站進行接力回風。其中,主要風路風流路線如下所述:

(1)副井進風。優(yōu)化后,罐籠副井仍為全礦主要進風風路。副井石門在七至十一中段均進行了封閉處理,因此副井地表進風全部進入井下十二中段和副井井底。副井大部分風流通過井底通風下山至十三中段水平,隨后通過103線十三至十六中段風井和風井聯(lián)絡巷進入十三至十六中段主沿脈。其余風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。

(2)斜坡道進風。優(yōu)化后,斜坡道與箕斗主井為康家灣礦次要進風風路。同時箕斗主井運行后,斜坡道不再作為礦石運輸通道,故斜坡道風流質量明顯提升。斜坡道聯(lián)絡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流通過斜坡道聯(lián)絡巷依次進入十三至十六中段主沿脈。

(3)箕斗主井進風。箕斗主井設計用于礦井深部進風,并設置噴霧除塵設施用于井筒風流凈化。箕斗主井由地表進風后,通過十三中段主井聯(lián)絡巷進入十三中段。隨后新鮮風流通過進風平巷進入109線十三至十六中段進風井,最終進入十四至十六中段主沿脈。

(4)2#斜井進風。2#斜井為全礦輔助進風井,地表進入少量風流用以承擔十二中段以下補充進風任務。2#斜井在五至六中段聯(lián)絡巷均進行了封閉處理,新鮮風流全部進入七中段井底。隨后通過中段下山、中段風井、風橋、沿脈平巷、盲斜井等風路進入十三中段主沿脈。進入十三中段后,該部分新鮮風流沿十三中段主沿脈向北至采場。當十三中段回采結束后,由2#斜井下行的新鮮風流則沿十三中段主沿脈以及109線十三至十六中段風井依次進入十四至十六中段。

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

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

4.3.2.2 中段通風方式

井下生產中段采用平行雙巷式的通風方式,優(yōu)化后新建103線進風井及109線進風井為深部中段主要進風通道,其次為斜坡道,而原有的輔助盲斜井和盲電梯井則承擔少量進風任務。十二中段以下新鮮風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。污風則由采場通風天井回至上中段穿脈,然后匯入上盤回風平巷,有效避免了多中段開采污風串聯(lián)。

4.3.2.3 采場通風方式

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

4.3.3 風機選型與運行工況

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

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

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

4.3.4 通風構筑物布置

通風構筑物是礦井通風系統(tǒng)的三大組成部分之一,是引導風流實現(xiàn)預定風量分配目標的基本措施。本研究對康家灣礦實現(xiàn)風流引導與分配所采用的通風構筑物主要有風門、調節(jié)風窗及密閉墻。根據(jù)風流流動特性對井下幾個主要區(qū)域進行設置,通風構筑物設置的主要目的:

(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,引導副井風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)絡巷,防止四至十二中段中段斜坡道進風,引導風流全部進入深部十三至十六中段。

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

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

4.4 通風優(yōu)化效果對比

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

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

經(jīng)對比,優(yōu)化后礦井通風系統(tǒng)功耗、阻力、整體效率、風機工況等特征發(fā)生顯著變化(見表4)。其中由于南北兩翼均增設250 kW接力回風機站,全礦風機總功率由631.1 kW升至768.3 kW,年通風成本由386.9萬元升至471.1萬元。而由于通風系統(tǒng)的改變,全礦等效風阻由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,通風網(wǎng)絡整體效率由68.2%提升至80.5%。

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

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

5 結 論

(1)通風測定結果表明,通風系統(tǒng)工程完善程度是影響地下礦山通風系統(tǒng)優(yōu)劣的主要因素。康家灣礦深部中段存在進風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風路,未形成貫通風流所引起的。因此在礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化中,通風系統(tǒng)工程改造應被作為首要優(yōu)化措施進行重點考慮。

(2)本研究所提出的深埋復雜礦山通風系統(tǒng)優(yōu)化策略與流程對地下礦山通風系統(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系統(tǒng)調查與測定、基礎通風優(yōu)化改造以及高溫礦井降溫調節(jié)三部分。對于無明顯熱害的礦井,一般通過基礎優(yōu)化措施即可完成優(yōu)化流程。對于通風系統(tǒng)復雜的深埋熱害礦山,采用基礎通風優(yōu)化措施后,還可通過礦井降溫調節(jié)措施以達到預期優(yōu)化目標。

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

(4)通風模擬結果表明,本研究提出的優(yōu)化方案對康家灣礦通風系統(tǒng)具有明顯的改善效果。技改后,全礦風量按預定設計轉入深部生產中段。相對優(yōu)化前,全礦等效風阻由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,礦井通風網(wǎng)絡整體效率由68.2%提升至80.5%,且井下污風串聯(lián)和風流短路問題得到有效解決。