基于Ventsim的深井采礦熱環(huán)境分析*

趙小稚，崔 崳，王敬志

(1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255091;2.招遠(yuǎn)市曹家洼金礦，山東 招遠(yuǎn) 265415)

1 引言

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，我國(guó)的淺表礦床及開采技術(shù)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的礦床儲(chǔ)量不斷消耗，迫使大多數(shù)礦山轉(zhuǎn)入深部或復(fù)雜礦床的開采[1]。我國(guó)采礦界一般認(rèn)為，開采深度在600～2000m為深井開采[2]，開采深度超過2000m的稱為超深礦井。深井開采中，突出的一個(gè)問題是井下熱環(huán)境惡化。礦井熱環(huán)境是指地下采掘空間中的微氣候(溫度、濕度、風(fēng)速和熱輻射)對(duì)人體散熱的綜合影響與作用，人們習(xí)慣把惡劣的熱環(huán)境稱為熱害。隨著礦井開采深度和范圍的逐漸增加，各種熱源(圍巖冷卻、空氣壓縮、氧化過程、機(jī)械設(shè)備做功等)的放熱作用、擴(kuò)散過程和其它原因，使井下溫度越來越高，高溫礦井?dāng)?shù)目日益增多，而且危害程度也日趨嚴(yán)重[3]。另一方面，隨著開采范圍和深度的增加，礦井通風(fēng)網(wǎng)路也越來越復(fù)雜。尤其是同時(shí)存在高溫?zé)岷εc礦井延伸等因素的礦井，其礦井通風(fēng)網(wǎng)路極其復(fù)雜[4]。因此，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析深井開采通風(fēng)系統(tǒng)及其熱環(huán)境將更為科學(xué)準(zhǔn)確，也是十分必要的。

早在1953年，Scott和Hinsley采用計(jì)算機(jī)解決礦井通風(fēng)網(wǎng)路解算問題，這是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)解決礦井通風(fēng)問題的開端。涉及礦井通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而得到了很大的發(fā)展。目前，國(guó)際上很有影響的礦井通風(fēng)系統(tǒng)仿真軟件有 VentPC2000，MinTeeh 和 DataMine[5]以及Ventsim等。在國(guó)內(nèi)，有代表性的是有關(guān)高校開發(fā)研制的MVSS礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)，在多家礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造和設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。

曹家洼金礦于1989年11月投產(chǎn)，為采選聯(lián)合企業(yè)，目前正在開采的小尹格莊礦段開采深度超過800m，現(xiàn)有－450～－600共6個(gè)中段作業(yè)，其中－570、－600中段的風(fēng)溫接近30℃，個(gè)別作業(yè)面風(fēng)溫甚至達(dá)到32℃。因此，該礦已出現(xiàn)一定程度的高溫?zé)岷顩r，致使工人的勞動(dòng)條件趨于惡化，勞動(dòng)生產(chǎn)效率降低，這已成為制約該礦安全高效開采的一個(gè)亟待解決的問題。本文將應(yīng)用Ventsim三維礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)分析曹家洼金礦深部開采的熱環(huán)境，同時(shí)提出礦井通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)降溫方案。

2 Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)

Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)以其良好的可視化效果和簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，逐漸成為礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)和通風(fēng)管理最強(qiáng)有力的工具，是集通風(fēng)三維仿真、井下環(huán)境模擬分析于一體，可以同時(shí)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行三維顯示、通風(fēng)解算、風(fēng)機(jī)選型、熱模擬、污染物模擬及經(jīng)濟(jì)性分析的綜合模擬軟件[6]。

該系統(tǒng)考慮的熱參數(shù)主要包括圍巖和地下水的熱量和濕度、不同種類巖石的熱性質(zhì)、點(diǎn)源熱量、線源熱量、柴油機(jī)熱量以及礦石的氧化作用產(chǎn)生的熱量、空氣自動(dòng)壓縮產(chǎn)生的熱量、空氣的制冷和局部降溫，井下隨深度、溫度和通風(fēng)壓力變化而變化的空氣密度、考慮空氣密度變化的自然風(fēng)壓、諸如除塵水霧的人工加濕、飽和空氣的壓縮等因素[7]。

3 井下熱環(huán)境分析

3.1 井下熱參數(shù)的確定

圖1 曹家洼金礦開拓系統(tǒng)示意圖

曹家洼金礦小尹格莊礦段內(nèi)主要斷裂為招平斷裂帶，礦體賦存于主裂面以下50m范圍內(nèi);構(gòu)造帶自上而下分別為碎裂巖、糜棱巖、斷層泥、絹英巖、絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、鉀化碎裂狀花崗巖等。小尹格莊礦段所處構(gòu)造破碎帶富水性差，補(bǔ)給條件差，屬水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的礦床。曹家洼金礦所在的招遠(yuǎn)市屬于暖溫帶季風(fēng)型大陸型半濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年(1971～2000年)平均氣溫為12℃，最熱月平均氣溫22℃。

根據(jù)地溫測(cè)量所得數(shù)據(jù)及當(dāng)?shù)氐責(zé)崽匦訹8]并參考《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法》(DZ40－85)，用于井下熱環(huán)境分析所用的熱參數(shù)有:恒溫帶巖溫20℃，地溫梯度1.82℃/100m，巖石綜合導(dǎo)熱系數(shù)2.59W/m℃，圍巖比熱容839J/kg℃，巖石密度2.81kg/m3，圍巖潮濕系數(shù)0.17，圍巖散熱性0.941。

將上述參數(shù)錄入Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)工程環(huán)境數(shù)據(jù)庫。

3.2 曹家洼金礦熱環(huán)境現(xiàn)狀

曹家洼金礦開拓系統(tǒng)見圖1，小尹格莊礦段設(shè)計(jì)開采深度達(dá)－660m。原有通風(fēng)系統(tǒng)為中央對(duì)角式通風(fēng)，1號(hào)、2號(hào)豎井進(jìn)風(fēng)，1號(hào)斜井回風(fēng)。1號(hào)豎井進(jìn)風(fēng)經(jīng)2號(hào)斜井，由－265中段措施巷到達(dá)3號(hào)豎井大巷;2號(hào)豎井進(jìn)風(fēng)經(jīng)－265m南大巷進(jìn)入3號(hào)豎井大巷，然后通過3號(hào)豎井送入小尹格莊礦段各中段;其中－450中段、－510中段由－480中段進(jìn)風(fēng)，－570中段由－600中段進(jìn)風(fēng)。污風(fēng)經(jīng)由6號(hào)、5號(hào)斜井和－265m回風(fēng)道通過2號(hào)斜井、－85中段回風(fēng)措施巷，由1號(hào)斜井排到地表。整個(gè)系統(tǒng)安裝有5臺(tái)37kW通風(fēng)機(jī)，分別安裝在－480、－510、－540中段回風(fēng)端斜井石門和－265m回風(fēng)道及－85中段回風(fēng)措施巷中。

經(jīng)測(cè)定分析，原有通風(fēng)系統(tǒng)存在風(fēng)流路線紊亂，污風(fēng)串聯(lián)嚴(yán)重，用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量小，風(fēng)機(jī)安裝位置不合理等問題。

將礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖(CAD格式)繪制成單線圖(DXF格式)，然后將單線圖導(dǎo)入Ventsim系統(tǒng)，建立礦井通風(fēng)二維視圖。輸入完風(fēng)路的標(biāo)高、斷面尺寸等基本參數(shù)，Ventsim軟件會(huì)自動(dòng)生成礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維視圖，在已設(shè)定礦井大氣物理參數(shù)和熱參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)行“熱模擬”，即可獲得井下熱環(huán)境的仿真分析結(jié)果。

原有通風(fēng)系統(tǒng)中－450～－600m各中段的熱環(huán)境分析結(jié)果見表1。

表1 原通風(fēng)系統(tǒng)深部開采中段熱環(huán)境分析結(jié)果表

分析結(jié)果說明，－450、－570副中段缺少直接進(jìn)風(fēng)而循環(huán)風(fēng)嚴(yán)重，整個(gè)中段的風(fēng)溫較高;由于風(fēng)路不合理，造成－600中段無風(fēng)，風(fēng)溫升高。井下熱環(huán)境仿真分析的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)基本相符。

3.3 通風(fēng)降溫方案

對(duì)于深部開采礦井，為了改善其熱環(huán)境和通風(fēng)質(zhì)量，依其熱害和空氣污染的嚴(yán)重程度，一般按如下順序來考慮治理措施:(1)加大風(fēng)量，強(qiáng)化通風(fēng)。(2)隔絕熱源。(3)局部制冷。(4)集中制冷。(5)個(gè)體防護(hù)。采用增加風(fēng)量的方法是高溫礦井最簡(jiǎn)捷、也是最經(jīng)濟(jì)的降溫手段之一。增加風(fēng)量可以大大降低空氣的含熱量，具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是減少環(huán)境對(duì)單位風(fēng)量的加熱量，為進(jìn)一步降低圍巖的放熱強(qiáng)度創(chuàng)造條件，以降低風(fēng)流的溫度;二是提高風(fēng)速，改善井下氣候條件，增加工人的舒適感。隨著流過巷道的風(fēng)量增加，從礦巖中放出的氧化熱和其它熱源放出的熱量，分散在更大數(shù)量的空氣中，使風(fēng)流溫度降低[9]。

從曹家洼金礦通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際情況分析，作業(yè)中段范圍內(nèi)的開采通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化以優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)路，合理布置風(fēng)機(jī)，加大作業(yè)區(qū)域風(fēng)量的技術(shù)方法為主。為此，提出了用風(fēng)段分區(qū)回風(fēng)側(cè)多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)。具體做法是(參見圖1)，保持通風(fēng)系統(tǒng)整體為中央對(duì)角式不變，針對(duì)礦井多中段同時(shí)作業(yè)的特點(diǎn)，將－480～－660m7個(gè)作業(yè)中段劃分為兩個(gè)通風(fēng)分區(qū)，－480、－510、－540和 －570為第一分區(qū)，其中－480、－510和－540由－540進(jìn)風(fēng)、－570由－600進(jìn)風(fēng)，總回風(fēng)由設(shè)置在－480的主扇直接排入5號(hào)斜井。第二分區(qū)－600、－630、－660中段統(tǒng)一從－660進(jìn)風(fēng)，總回風(fēng)由安裝在－570的主扇排入6號(hào)斜井，經(jīng)由－510北翼的巷道進(jìn)入5號(hào)斜井排走。形成2臺(tái)主扇對(duì)5號(hào)斜井的并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)。

考慮到井下進(jìn)風(fēng)段行人運(yùn)輸頻繁，為了避免行人運(yùn)輸與通風(fēng)之間的相互影響，選擇在通風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)側(cè)取多級(jí)機(jī)站抽出式通風(fēng)方式。Ⅲ級(jí)機(jī)站由－480主扇和－570主扇組成，2臺(tái)主扇分別對(duì)作業(yè)區(qū)域的兩個(gè)通風(fēng)分區(qū)作抽出式通風(fēng);Ⅳ級(jí)機(jī)站主扇安裝在－55m總回風(fēng)道內(nèi)。

用風(fēng)段兩通風(fēng)分區(qū)相對(duì)獨(dú)立，通風(fēng)阻力也相對(duì)較低，風(fēng)量大幅增加，有利于深部開采通風(fēng)降溫;另外，系統(tǒng)的回風(fēng)側(cè)布置機(jī)站不影響礦井生產(chǎn)的行人運(yùn)輸。

3.4 通風(fēng)降溫方案的熱環(huán)境分析

針對(duì)曹家洼金礦深部采礦通風(fēng)降溫方案的熱環(huán)境，應(yīng)用Ventsim軟件進(jìn)行模擬分析，圖2表現(xiàn)了分析模型的一部分，其結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列于表2中。

圖2 曹家洼金礦熱模擬模型局部示意圖

表2 通風(fēng)降溫方案熱環(huán)境分析結(jié)果表

模擬結(jié)果表明，所制定的通風(fēng)系統(tǒng)方案降溫明顯。從方案實(shí)際實(shí)施的情況看，曹家洼金礦小尹格莊礦段的總進(jìn)風(fēng)量比原系統(tǒng)增加了42%，達(dá)到了通風(fēng)降溫的預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)避免了污風(fēng)串聯(lián)和循環(huán)風(fēng)，收到了良好的通風(fēng)效果。

4 結(jié)語

(1)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與礦產(chǎn)資源需求的增長(zhǎng)，深井采礦的礦山越來越多，尤其是金屬礦山。能否有效解決深井采礦中熱環(huán)境趨于惡化的問題，是地下礦開采不斷向更大深度發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵制約因素。深井采礦的熱環(huán)境具有復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析研究這類問題具有科學(xué)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

(2)Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)以其良好的可視化效果和科學(xué)實(shí)用的特點(diǎn)，對(duì)礦井通風(fēng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬，以及井下熱環(huán)境、污染物遷移等的仿真分析，為礦井通風(fēng)專業(yè)人員優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、防范通風(fēng)事故、實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化管理，提供了一個(gè)十分先進(jìn)實(shí)用的方法和工具。

(3)基于Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用，為解決曹家洼金礦深部開采存在一定程度熱害的問題所提出的通風(fēng)降溫方案，增風(fēng)顯著，降溫明顯，收到了很好的通風(fēng)效果。

[1]胡漢華.金屬礦山熱害控制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2007.

[2]姚香.關(guān)于深部開采技術(shù)的探討[J].黃金，1998(2):17－20.

[3]岑衍強(qiáng)，侯祺綜.礦內(nèi)熱環(huán)境工程[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1989.

[4]田洪建，王樹剛.礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)多功能模擬可視化的實(shí)現(xiàn)[J].煤礦安全，2008(4):42－44.

[5]林增勇.礦井通風(fēng)可視化系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2008.

[6]馮偉，朱方平，劉全義.三維仿真軟件Ventsim在礦井熱害控制中的應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(6):776－779.

[7]McPherson M J.Subsurface ventilation engineering[M].England:Springer，1993.

[8]吳立進(jìn).山東省地?zé)豳Y源特征及其分區(qū)研究[D].青島:山東科技大學(xué)，2008.

[9]王文，桂祥友，王國(guó)君.礦井熱害的治理[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2002(3):31－33.