特大型鐵礦主輔聯合式通風系統優(yōu)化研究

邱熠華

（福建馬坑礦業(yè)股份有限公司， 福建 龍巖 364000）

近幾年， 國內非煤礦井的有毒有害氣體中毒窒息事故時有發(fā)生， 礦井安全生產壓力大， 礦工的生命安全和家庭幸福受到威脅。為此， 加強礦井通風研究顯得尤為重要。

礦井通風系統是一個復雜多變的動態(tài)系統，其通風動力、 風流調控設施和通風網絡三要素既相互聯系， 又相互制約， 每個要素的變化都會引起整個礦井通風系統發(fā)生變化［1］。近幾十年來， 國內外學者在礦井通風系統優(yōu)化與風流監(jiān)測控制技術方面開展了大量研究， 并取得了一系列研究成果［2-6］。其中， 應用自動監(jiān)控系統實現對礦井通風系統的在線監(jiān)測［7-9］、 應用礦井通風三維仿真系統軟件優(yōu)化通風動力和通風網絡［10-13］、 應用可控循環(huán)通風技術增大有效風量率［14-15］、 應用空調降溫系統解決深井開采的熱害、 應用硐室型風流調控技術解決運輸巷道內風流調節(jié)［16］等研究， 對完善礦井通風系統具有重要作用。然而， 由于不同的礦山，其開采、 通風等條件不同， 且是動態(tài)變化的， 故仍然存在各種通風問題。因此， 要確保井下風流有序流動， 及時稀釋和排出井下作業(yè)過程中產生的有毒有害氣體和粉塵， 需結合礦山的實際情況適時開展礦井通風系統的優(yōu)化與應用研究。

1 基礎條件

國內某特大型鐵礦的礦石儲量非常豐富， 經過多年的發(fā)展， 礦井生產規(guī)模由原300 萬t/a 擴大到500 萬t/a， 其通風系統也隨之發(fā)生變化， 如今已形成兩翼對角壓抽混合的主輔聯合式礦井通風系統， 如圖1 所示。1#和2#專用進風井為主要進風井， 1#和2#副井、 斜坡道為輔助進風道， 各階段作業(yè)面的污風， 分別由東、 西風井排出地表。其中，中區(qū)和東區(qū)生產系統作業(yè)過程中產生的污風主要由東風井排出， 4臺并聯運行主扇安裝在-200 m 東風井回風石門； 西區(qū)生產系統作業(yè)過程中產生的污風主要由西風井排出， 單臺主扇安裝在西風井井口地表。主要風機的安裝位置及型號如表1所示。

圖1 礦井通風系統立體示意簡圖Fig.1 Stereoscopic schematic diagram of mine ventilation system

表1 風機設置方案Table 1 Blower setting scheme

該鐵礦主要采用無底柱分段崩落法和大直徑深孔階段礦房嗣后充填法， 主要作業(yè)區(qū)域分布在0~100 m 水平階段。隨著生產規(guī)模的擴大， 礦井開采條件、 需風量等也隨之變化。為此， 須通過分析影響通風效果的諸多因素， 針對性研究完善礦井通風系統的技術和方法， 確保礦井風流按需有序流動。

2 礦井通風現狀與分析

2.1 礦井通風現狀評價

該鐵礦500 萬t/a 生產規(guī)模的礦井通風系統已經形成， 主要作業(yè)區(qū)域在100 m 中段。由于井下開采范圍的擴大、 開采深度的延伸、 機械化程度不斷提高， 礦井通風系統尚存在不足之處。為此， 本研究選擇在夏季35 ℃環(huán)境條件下， 通過布置568 個測點， 對礦井通風系統進行了全面、 系統地調查和測定， 包括測點的平均風量、 風機運行參數以及井下作業(yè)面、 通風構筑物數量和布置情況、 采空區(qū)及漏風地點等。結果表明： 該鐵礦由于通風動力、 通風構筑物等設置不夠完善， 礦井總進風量為651.64 m3/s， 尚未達到設計需風量要求； 斜坡道等局部區(qū)域存在風流反向、 風流停滯、 風流短路等情況， 東、 西兩翼的風機動力不均， 導致東、 西回風井的風量分配（1∶1.82）不均， 中區(qū)和東區(qū)作業(yè)區(qū)域的新鮮風量不足， 礦井通風效果受到顯著影響。

2.2 開采條件變化與分析

因礦井采礦方法、 生產作業(yè)中段、 通風方式等已發(fā)生變化， 故礦井通風系統需隨之改變， 否則在現有通風效果不足的基礎上， 將遇到新的通風問題。一是采礦方法由無底柱分段崩落法改為大直徑深孔階段礦房嗣后充填法， 采場通風網絡隨之改變， 作業(yè)區(qū)域的局部通風網絡需要隨之進行調整， 以滿足作業(yè)區(qū)域的通風需求。二是單中段生產改為雙中段同時生產， 生產作業(yè)點相對集中， 需增強風流調控能力， 有效組織和分配作業(yè)區(qū)域風流有序流動。三是東、 西兩翼主扇型號區(qū)別較大，使中東部、 西部區(qū)域之間的風壓不均衡， 直接影響東、 西兩翼間的風流分配和通風效果， 需優(yōu)化井下風機的位置與數量， 讓中東部和西部的風壓趨于平衡。因此， 通過分析礦井開采條件變化對礦井通風效果的影響， 以保持礦井通風系統穩(wěn)定可靠、通風效果良好的目標為導向， 開展礦井通風系統的優(yōu)化研究與工程應用。

3 礦井通風系統優(yōu)化與結果分析

依據上述分析結果和現場實際情況， 若要獲得更加完善的礦井通風系統， 需要針對性解決的問題主要有： 1）增加礦井總進風量； 2）合理分配東部與西部作業(yè)區(qū)域的風量； 3）控制作業(yè)區(qū)域風流有序流動； 4）有效調節(jié)斜坡道及主要運輸巷道內風流流動等。

3.1 優(yōu)化方案研究

為有效解決上述主要問題， 從通風網絡、 通風動力、 風流調節(jié)設施三個方面提出完善礦井通風系統的技術方案， 應用礦井通風三維仿真系統（3D VS）進行模擬分析， 優(yōu)化風流路徑、 風機及通風構筑物設置等， 并確定礦井通風系統工程實施方案。

3.1.1 通風網絡優(yōu)化

依據生產作業(yè)計劃及作業(yè)區(qū)域的劃分， 將礦井通風系統劃分為東區(qū)、 中區(qū)和西區(qū)三個非獨立的通風分區(qū)， 并通過掘進進風天井、 回風斜井、 回風井聯絡道、 擴大通風巷道斷面及密閉采空區(qū)等措施，優(yōu)化和完善通風網絡， 理順風流路徑， 使采場通風網絡與整體通風網絡匹配， 確保風流有序流動。

3.1.2 通風動力優(yōu)化

1）風機設置優(yōu)化。根據現場調查測定結果和需要解決的通風問題， 初步擬定了5個風機設置方案， 如表1 所示。其中， 方案I 和II 的東主扇安裝在200 m 回風石門； 方案III 和IV 的東主扇安裝在地表； 方案V為現狀通風系統風機設置方案。

2）加裝引射風流礦用空氣幕。受到自然風壓的影響， 該礦斜坡道的風流紊亂， 時而停滯， 時而反向， 影響了斜坡道內的行車安全和風流穩(wěn)定性。控制通風巷道內風流紊亂的傳統方法通常是在通風巷道安裝輔扇， 但該礦斜坡道內有無軌柴油機設備運行， 采用輔扇的方法基本不可行。為此， 依據礦用空氣幕引射風流理論模型［9］， 經理論分析和工業(yè)試驗得到礦用空氣幕引射風量的計算公式，如式（1）所示， 在斜坡道內設置雙機并聯運行的礦用空氣幕， 選型參數如表2所示。

表2 礦用空氣幕設置地點及型號Table 2 Location and model of mine air curtain

式中，Q為空氣幕所在巷道風量， m3/s；PⅡ-Ⅰ為設置空氣幕巷道兩邊的靜壓差， Pa；RⅡ-Ⅰ為設置空氣幕巷道的風阻， N·s2/m8；Vc為風流速度， m/s；S為巷道面積， m2；Sc為空氣幕供風器出口斷面積， m2；θ為空氣幕射流軸線與巷道軸線夾角， （°）；n為風機數量， 臺；a為試驗系數；ρ為風流密度， kg/m3；Ks為斷面比系數。

3.1.3 通風構筑物優(yōu)化

該特大型地采礦山的井下機械化程度高， 無軌設備運輸頻繁， 且有大爆破作業(yè)。因此， 井下一些主要運輸巷道、 聯絡道、 穿脈巷道等地點的通風構筑物設置難度增加。為解決此問題， 根據井下風流調節(jié)的需要和現場實際情況， 優(yōu)選合適位置（見表3）， 設計應用電梯式自動風門、 無動力自動閉合風門（ZL 201910941570.3）、 組合式柔性密閉裝置等新型通風構筑物調節(jié)風流。其中， 電梯式自動風門用于隔斷行車巷道的風流， 無動力自動閉合風門用于隔斷行人巷道的風流， 組合式柔性密閉裝置用于隔斷穿脈巷道的短路風流。

表3 通風構筑物優(yōu)選Table 3 Optimization of ventilation structures

3.2 礦井通風系統模擬研究

3.2.1 構建通風網絡分析模型

依據風壓平衡定律、 風量平衡定律和阻力定律， 采用節(jié)點風壓法與Hardy-Cross 迭代算法相結合的方法， 構建復雜礦井通風網絡分析模型， 并按照以下步驟執(zhí)行： 1）實現通風網絡數字化， 輸入通風網絡結構參數和屬性； 2）計算各分支巷道的風阻：h=RQ|Q|， 并判斷Q的正負， 即風流方向； 3）設定初始風量； 4）每迭代一次后檢驗精度是否符合要求， 如果某次迭代計算滿足預定精度ε， 則迭代計算結束， 即一般取0.01~0.001 m3/s）， 實現復雜通風網絡解算。具體數學模型如式（2）和式（3）所示：

式中，aij為關聯矩陣A的i行j列的元素；pi為i節(jié)點風壓， Pa；Hj，Hfi，Hej為j分支通風阻力、 動力位壓差， Pa；akj為關聯矩陣D 中第i 行j 列元素， 稱為節(jié)點流量系數；為初設j分支風量， m3/s；Rj為第j分支的風阻， N·s2/m； N 為整個礦井通風網絡的點數； B為整個礦井通風網絡的分支數。

3.2.2 構建通風網絡解算數據庫

依據通風網絡解算模型的數據結構， 通過對實際通風網絡的節(jié)點編號、 風路編號、 風路長度、α 系數、 面積、 局部風阻、 漏風系數、 風機特性曲線、 風機位置、 自然風壓、 固定風量點等相關參數進行數值化前處理， 轉化為3D VS 軟件要求的格式， 并輸入3D VS 數據庫模型， 自動生成后綴名為din 的數據庫文件， 建立通風網絡解算數據庫文件， 在3D VS 數據信息管理界面實現對數據的管理、 查看和修改。數據信息管理界面如圖2所示。

圖2 數據信息管理界面Fig.2 Data information management interface

3.2.3 驗證數據庫可靠性

數據庫的可靠性是礦井通風系統方案優(yōu)化的基礎， 為消除初建數據庫與現場實際情況的誤差，在進行通風網絡模擬分析前， 要根據現場實際測定結果對初建數據庫進行分析和修正， 使相對誤差符合要求， 確保礦井通風系統模擬分析結果可靠。

3.2.4 模擬結果與分析

在通風網絡、 通風構筑物優(yōu)化的基礎上， 應用3D VS 軟件對表1 中方案I~V 的風機設置方案進行模擬， 并與現狀通風系統的實測結果進行對比分析， 結果如表4 所示。可以看出， I~IV 方案礦井總進風量的增加量大于109 m3/s， 均能滿足礦井500萬t/a 生產規(guī)模的需風量需求， 但與設計總需風量670 m3/s相比， 技術方案IV的總進風量為760.4 m3/s，更接近設計需風量要求。從東、 西兩翼的風量分配來看， 現狀通風系統東、 西回風井的總回風量比為1∶1.84， 而I~IV 方案的總回風量比分別為1∶1.21， 1∶1.25， 1∶1.08， 1∶1.39， 表明礦井通風系統經過完善后， 東、 西兩翼的風量分配趨于相對均衡。從作業(yè)中段的進風量看， 現階段0 m 中段的生產作業(yè)面增加， 需風量也相應增加， 而礦井通風系統優(yōu)化前， 100 m中段的進風量偏大， 0 m中段的進風量不足以滿足需風量要求； 而從模擬解算的結果可以看出， I~IV 方案0 m 中段的進風量增加了約170 m3/s， 能較好滿足0 m 中段的需風量需求。從主斜坡道的進風量看， I~IV 方案比現狀通風系統的進風量增加量均超過了20 m3/s。

表4 主要進、 回風井巷風量模擬結果Table 4 Air volume simulation results of main intake and return air shafts

由此可見， 從理順風流路徑、 完善通風構筑物、 合理配置通風動力三方面優(yōu)化礦井通風系統，能有效增加礦井總進風量， 使東部與西部作業(yè)區(qū)域間的風量分配更加合理， 主斜坡道內風流流動有序穩(wěn)定。因此， 綜合多方面因素和現場實際情況， 最終選擇I方案進行通風系統優(yōu)化改造。

3.3 應用研究結果與分析

按照I 方案實施礦井通風系統改造后， 在地表溫度為28 ℃左右的條件下， 對礦井通風系統進行了全面測定， 其主要進、 回風井巷實測風量結果如表5 所示， 各作業(yè)水平的實測進風量結果如表6所示。

表5 主要井巷進、 回風量實測結果Table5 Measured results of inlet and return air volume in main shafts

表6 作業(yè)分段改造前、 后進風量Table 6 Air volume before and after the operation section reconstruction

3.3.1 礦井進、 回風量分析

由表5可知， 改造后的礦井總進風量為743.11 m3/s，比改造前增加了約92 m3/s， 能較好滿足生產規(guī)模為500 萬t/a 情況下的風量需求（670 m3/s）。其中，1#和2#專用進風井的進風量分別增加了約45 m3/s和109 m3/s。

改造后， 東風井的總回風量為294.45 m3/s， 比改造前增加了約65 m3/s； 西風井的總回風量為398.44 m3/s， 比改造前減少了約25 m3/s。東、 西風井的風量比由1∶1.84降為1∶1.35， 總回風量趨于接近。此外， 主斜坡道的風量大幅增加約23 m3/s， 風流穩(wěn)定； 西風井回風端的內部漏風得到較好控制，漏風量減少了約38 m3/s。

3.3.2 風量分配效果分析

由表6 可知， 礦井通風系統改造方案實施后，100 m 中段以上各分段的進風量大幅減少， 0 m 中段各分段的進風量明顯增加， 且各分段進風量的分配比較均衡， 能有效滿足0 m 中段采礦量增加對需風量的要求， 作業(yè)區(qū)域的風量分配達到了預期效果。

3.3.3 進、回風井通風能力分析

根據《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020）中對進、 回風井允許風速的規(guī)定， 可計算進、 回風井最大通風量。由表7 可知， 進、 回風井的實際通風量均符合《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020）要求， 未超出20 m/s 的風速限值， 且均有較大的通風量余量， 表明礦井主要進、回風井的風量未過于集中， 分配合理。

表7 進回風井通風能力Table 7 Ventilation capacity of inlet and return air shaft

4 結 論

1）礦井總進風量達到了設計需風量要求， 且東、 西兩翼的風量分配由1∶1.84 優(yōu)化到1∶1.35， 風量分配均衡， 風流調節(jié)的靈活性增強。

2）理順了東、 西兩翼作業(yè)區(qū)域的風流路徑， 實現了雙中段多分段同時作業(yè)時風流的有序流動，作業(yè)過程中產生的污濁空氣能及時排出。

3）100 m 作業(yè)中段的進風量減少， 0 m 作業(yè)中段的進風量增加， 適應主要生產作業(yè)區(qū)域由100 m下移至0 m中段的需風量變化。