復(fù)雜采空區(qū)條件下井下通風(fēng)系統(tǒng)模擬仿真與優(yōu)化

陳曉利

摘要：廟嶺金礦井下采空區(qū)規(guī)模龐大，大量的廢棄巷道和未處理采空區(qū)，導(dǎo)致井下通風(fēng)風(fēng)流紊亂、漏風(fēng)量大、通風(fēng)效果差、主扇運(yùn)轉(zhuǎn)效率低。基于變權(quán)重與可變模糊集耦合模型對(duì)現(xiàn)有復(fù)雜采空區(qū)進(jìn)行了穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通過(guò)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)較大的采空區(qū)進(jìn)行充填治理、對(duì)風(fēng)險(xiǎn)一般的采空區(qū)和廢棄巷道進(jìn)行封閉，大大減少了漏風(fēng)和串風(fēng)現(xiàn)象。增設(shè)459 m平硐作進(jìn)風(fēng)通道，將原單翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化為雙翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)，大大縮短了通風(fēng)線路，改善了進(jìn)風(fēng)質(zhì)量?；赩entsim的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬與仿真，解算了容易時(shí)期和困難時(shí)期機(jī)械通風(fēng)所需的風(fēng)壓。在充分利用現(xiàn)有風(fēng)機(jī)和新增少量采掘工程的基礎(chǔ)上，有效改善了風(fēng)流質(zhì)量，保障了通風(fēng)效果，節(jié)約了系統(tǒng)改造投資成本。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜采空區(qū);漏風(fēng)串風(fēng);通風(fēng)系統(tǒng);模擬仿真;穩(wěn)定性

作為全國(guó)第二大產(chǎn)金省，河南省黃金資源豐富，保有金資源量超過(guò)2 000 t，主要分布在小秦嶺、伏牛山、熊耳山、桐柏山等地區(qū)[1]。但是，由于大多數(shù)為中小型規(guī)模的巖金礦山，且仍然沿用留礦采礦法、房柱采礦法等空?qǐng)霾傻V工藝，廣大中小型金礦普遍存在采空區(qū)安全隱患突出、井下漏風(fēng)串風(fēng)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響礦山的正常生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。因此，亟需深入開(kāi)展復(fù)雜采空區(qū)治理和通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究工作。

1 工程背景

嵩縣廟嶺金礦有限公司（下稱“廟嶺金礦”）位于河南省嵩縣大章鄉(xiāng)東灣村，是一座設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力13.5萬(wàn)t/a的地下開(kāi)采礦山。開(kāi)采礦床屬破碎帶蝕變巖型，礦體產(chǎn)出嚴(yán)格受近南北向含金斷裂蝕變帶控制，主礦體分布在含金斷裂蝕變帶中，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，頂?shù)装鍑鷰r破碎，穩(wěn)固性較差，工程地質(zhì)條件屬中等—偏復(fù)雜類型。礦區(qū)目前采用平硐+盲豎井聯(lián)合開(kāi)拓方式，多年來(lái)一直采用空?qǐng)霾傻V法開(kāi)采[2]。

廟嶺金礦采用機(jī)械抽出式通風(fēng)方式，由北PD512平硐口進(jìn)風(fēng)、PD596平硐回風(fēng)，屬單翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)機(jī)安裝在PD596平硐口。新鮮風(fēng)流均由北PD512、512 m中段運(yùn)輸平巷、盲豎井進(jìn)入井下各中段，經(jīng)采掘工作面，清洗工作面，污風(fēng)經(jīng)各中段回風(fēng)天井、512 m中段輔助回風(fēng)巷、回風(fēng)井（512 m～596 m中段）、596 m中段回風(fēng)巷、PD596由風(fēng)機(jī)排出地面。礦山現(xiàn)有K45-4-№13型通風(fēng)機(jī)1臺(tái)，風(fēng)量28.6～53.8 m3/s，風(fēng)壓943～1 810 Pa。

由于廟嶺金礦459 m水平以上中段采用空?qǐng)霾傻V法開(kāi)采，采空區(qū)總體積已超過(guò)10萬(wàn)m3，部分規(guī)模較大的單個(gè)采空區(qū)體積已達(dá)到1.8萬(wàn)m3（見(jiàn)表1）。由于礦體產(chǎn)出嚴(yán)格受斷裂蝕變帶控制，礦體及其頂?shù)装逡攒浫跗扑閹r體為主，回采結(jié)束后極易發(fā)生礦柱失穩(wěn)、頂板冒落和采場(chǎng)坍塌現(xiàn)象，部分回采巷道底鼓變形嚴(yán)重，支護(hù)基本失效，部分采空區(qū)已出現(xiàn)縱橫交錯(cuò)、上下貫通、長(zhǎng)期淋水的現(xiàn)象，加上礦山上部遺留了大量的廢棄巷道和未處理采空區(qū)，形成了復(fù)雜的采空區(qū)，導(dǎo)致井下漏風(fēng)、串風(fēng)嚴(yán)重（見(jiàn)圖1）。礦山整體的通風(fēng)系統(tǒng)雖已形成，但是未能根據(jù)各中段同時(shí)生產(chǎn)礦塊數(shù)和生產(chǎn)能力來(lái)合理分配風(fēng)量，井下實(shí)際通風(fēng)效果差。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整方案

2.1 復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性分析

廟嶺金礦已有大型采空區(qū)縱橫交錯(cuò)，相互影響，諸多影響因素復(fù)雜且多不相容。在分析復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)影響因素的基礎(chǔ)上，基于變權(quán)重與可變模糊集耦合模型對(duì)統(tǒng)計(jì)的7個(gè)特大采空區(qū)的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。采空區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)圖2，選取4項(xiàng)地質(zhì)條件影響因子：巖體結(jié)構(gòu)（X1）、地質(zhì)構(gòu)造（X2）、巖石抗壓強(qiáng)度（X3）、水文因素（X4）;6項(xiàng)開(kāi)采技術(shù)條件影響因子：礦體傾角（X5）、高跨比（X6）、采空區(qū)埋深（X7）、最大暴露面積（X8）、礦柱面積比（X9）、爆破擾動(dòng)（X10）;6項(xiàng)采空區(qū)影響因子：采空區(qū)形狀（X11）、實(shí)際采空區(qū)體積（X12）、采空區(qū)分散度（X13）、采空區(qū)貫通重疊情況（X14）、采空區(qū)形成時(shí)間（X15）、采空區(qū)失穩(wěn)狀況（X16）;總計(jì)16項(xiàng)主要影響因子[3]。各采空區(qū)調(diào)查數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表2。

基于變權(quán)重與可變模糊集耦合模型計(jì)算得出采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。結(jié)果表明：459～478-3號(hào)、459～478-5號(hào)、459～478-6號(hào)、478～512-7號(hào)采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)為Ⅱ級(jí)，整體安全風(fēng)險(xiǎn)較大;459～478-1號(hào)、459～478-2號(hào)、459～478-4號(hào)采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)為Ⅲ級(jí)，安全風(fēng)險(xiǎn)一般。

2.2 調(diào)整措施

1）加強(qiáng)采空區(qū)充填與封堵?；谧儥?quán)重與可變模糊集耦合模型計(jì)算得出了采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。為了保證深部回采作業(yè)的安全，防止采空區(qū)進(jìn)一步塌陷，減少采空區(qū)漏風(fēng)、串風(fēng)，必須對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)較大的4個(gè)大規(guī)模采空區(qū)進(jìn)行充填治理，消除采空區(qū)安全隱患，對(duì)剩余安全風(fēng)險(xiǎn)一般的采空區(qū)則可暫時(shí)采用砌墻封閉的方式，防止風(fēng)流短路和泄漏。同時(shí)，針對(duì)礦山上部中段存在的大量廢棄巷道，應(yīng)通過(guò)優(yōu)化通風(fēng)線路、封堵等措施，縮短通風(fēng)線路，改善風(fēng)流質(zhì)量，保障通風(fēng)效果。

2）增加進(jìn)風(fēng)通道。礦山現(xiàn)采用北PD512平硐口進(jìn)風(fēng)、PD596平硐回風(fēng)的單翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)。由于459 m平硐是人員、材料和設(shè)備通行的主要通道，因此459 m平硐需兼作進(jìn)風(fēng)通道。經(jīng)核算，459 m平硐兼作進(jìn)風(fēng)通道后風(fēng)流線路較原北PD512平硐口進(jìn)風(fēng)縮短300～500 m，通風(fēng)阻力減少10 %～20 %，不僅不會(huì)對(duì)原有通風(fēng)系統(tǒng)造成不利影響，反而有利于改善整體的通風(fēng)效果。

3）設(shè)置專用回風(fēng)通道。根據(jù)礦體的賦存條件及開(kāi)拓系統(tǒng)布置形式，結(jié)合礦山目前正在使用的上向水平進(jìn)路充填采礦法的通風(fēng)要求，新鮮風(fēng)流自礦體下盤斜坡道進(jìn)入各分段巷道，經(jīng)穿脈進(jìn)入各回采進(jìn)路，污風(fēng)經(jīng)局扇抽出后進(jìn)入布置在礦體上盤的專用充填回風(fēng)上山排至上一個(gè)中段，并最終匯入512～596 m專用回風(fēng)井，由布置在PD596平硐的風(fēng)機(jī)排出地面，廟嶺金礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整方案見(jiàn)圖3。由于廟嶺金礦礦體傾角較緩，因此在礦體上盤布設(shè)專用的回風(fēng)上山作為回風(fēng)通道更加安全合理。

3 礦井通風(fēng)風(fēng)量與風(fēng)阻計(jì)算

3.1 礦井總需風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)GB 16423—2006 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》，礦井需風(fēng)量應(yīng)分別按同時(shí)工作的最多人數(shù)、排塵風(fēng)速、柴油設(shè)備凈化需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，并取最大值。

1）按井下最大班工作人數(shù)確定需風(fēng)量。廟嶺金礦采礦能力為13.5萬(wàn)t/a，最大班工作人數(shù)50人。按每人供風(fēng)量不少于4 m3/min計(jì)算，則井下總需風(fēng)量為200 m3/min，即3.4 m3/s。

2）按排塵風(fēng)速確定需風(fēng)量。根據(jù)采礦工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)，采礦工作面為巷道型采場(chǎng)，工作面最大面積為10 m2，按排塵風(fēng)速0.25 m/s計(jì)算，單采礦工作面需風(fēng)量為2.5 m3/s。掘進(jìn)巷道工作面最大面積為4 m2，按排塵風(fēng)速0.25 m/s計(jì)算，單采礦工作面需風(fēng)量為1.0 m3/s。

（1）回采工作面需風(fēng)量。按照設(shè)計(jì)的充填采礦方法，正常生產(chǎn)時(shí)期要維持13.5萬(wàn)t/a的礦石生產(chǎn)規(guī)模，需要8個(gè)生產(chǎn)采場(chǎng)（單采場(chǎng)生產(chǎn)能力按50 t/d計(jì)算），4個(gè)備用采場(chǎng)，單個(gè)備用采場(chǎng)需風(fēng)量按單個(gè)普通作業(yè)采場(chǎng)需風(fēng)量的50 %計(jì)算，則回采工作面需風(fēng)量為25.0 m3/s。

（2）掘進(jìn)工作面需風(fēng)量。技術(shù)改造最大所需掘進(jìn)工作面2個(gè)，則掘進(jìn)工作面需風(fēng)量為2.0 m3/s。

（3）硐室需風(fēng)量。井下同時(shí)工作的硐室主要為1個(gè)變電硐室、1個(gè)修理硐室、1個(gè)裝卸礦硐室。根據(jù)GB 16423—2006 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》，單個(gè)變電硐室需風(fēng)量為2.0 m3/s，單個(gè)修理硐室和裝卸礦硐室需風(fēng)量為1.5 m3/s，則硐室需風(fēng)量為5.0 m3/s。

（4）礦井總需風(fēng)量。漏風(fēng)系數(shù)均取1.25，則礦井總需風(fēng)量為40.0 m3/s。

3.2 通風(fēng)線路及風(fēng)量分配

考慮到459 m平硐是人員、材料和設(shè)備通行的主要通道，459 m平硐需兼作進(jìn)風(fēng)通道，原單翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造為459 m平硐和512 m平硐進(jìn)風(fēng)、PD596平硐回風(fēng)的雙翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)。同時(shí)，風(fēng)路沿線采空區(qū)和廢棄巷道均要求封閉。

512 m平硐進(jìn)風(fēng)風(fēng)量25.0 m3/s，滿足5個(gè)采場(chǎng)同時(shí)回采作業(yè)要求，新鮮風(fēng)流經(jīng)512 m平硐—盲豎井—419 m中段—斜坡道—429～449 m分段—穿脈—采場(chǎng)，污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)天井—459 m中段專用回風(fēng)道—478 m中段—512 m中段—596 m中段，抽出地表。459 m平硐進(jìn)風(fēng)風(fēng)量15.0 m3/s，滿足3個(gè)采場(chǎng)同時(shí)回采作業(yè)要求，新鮮風(fēng)流經(jīng)459 m平硐—459 m中段—斜坡道—439～471 m分段—穿脈—采場(chǎng)，污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)天井—459 m中段專用回風(fēng)道—478 m中段—512 m中段—596 m中段，抽出地表。

3.3 礦井通風(fēng)總風(fēng)阻計(jì)算

廟嶺金礦在通風(fēng)困難時(shí)期與通風(fēng)容易時(shí)期總摩擦阻力的計(jì)算公式[4]如下：

式中：pf為井巷的摩擦阻力（Pa）;α為井巷的摩擦阻力系數(shù)（kg/m3）;lp為井巷斷面的周界長(zhǎng)度（m）;l為巷道的長(zhǎng)度（m）;S為井巷斷面面積（m2）;Q為流過(guò)井巷的風(fēng)量（m3/s）。

通風(fēng)容易時(shí)期和困難時(shí)期，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果表明：512 m平硐進(jìn)風(fēng)風(fēng)量25.0 m3/s，容易時(shí)期總風(fēng)阻為1 489.0 Pa（449 m中段2盤區(qū)和4盤區(qū)5條進(jìn)路同時(shí)回采），困難時(shí)期為1 861.7 Pa（429 m中段1盤區(qū)和2盤區(qū)5條進(jìn)路同時(shí)回采，見(jiàn)表3）;459 m平硐進(jìn)風(fēng)風(fēng)量15.0 m3/s，容易時(shí)期總風(fēng)阻為1 225.9 Pa（471 m中段3個(gè)采場(chǎng)同時(shí)回采，見(jiàn)表4），困難時(shí)期為1 530.7 Pa（439 m中段2盤區(qū)和4盤區(qū)3個(gè)采場(chǎng)同時(shí)回采）。根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)及通風(fēng)方式，計(jì)算礦井自然風(fēng)壓夏季為-40 Pa（與機(jī)械通風(fēng)方向相反）、冬季為80 Pa（與機(jī)械通風(fēng)方向相同），則廟嶺金礦的機(jī)械通風(fēng)所需風(fēng)壓為1 145.7～1 901.4 Pa（見(jiàn)表5）。

4 基于Ventsim的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬與解算

Ventsim是一款功能強(qiáng)大的通風(fēng)模擬仿真軟件，包含三維通風(fēng)設(shè)計(jì)、風(fēng)網(wǎng)解算、風(fēng)機(jī)選型和通風(fēng)過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬，高級(jí)功能提供熱模擬、污染物擴(kuò)散模擬等功能。將現(xiàn)有生產(chǎn)中段和459 m中段以上回采結(jié)束的中段平面圖導(dǎo)入Ventsim軟件，分別賦予真實(shí)高程，根據(jù)礦山生產(chǎn)實(shí)際，建立各中段之間的關(guān)系，調(diào)整巷道斷面的大小和風(fēng)阻，在與實(shí)際對(duì)應(yīng)的風(fēng)井、巷道的位置上安設(shè)風(fēng)機(jī)，建立通風(fēng)系統(tǒng)三維模型，并進(jìn)行解算[5]。

進(jìn)行礦井通風(fēng)總風(fēng)阻計(jì)算的具體做法是：按通風(fēng)容易時(shí)期和通風(fēng)困難時(shí)期，分別選定通風(fēng)線路最長(zhǎng)，通過(guò)風(fēng)量較大的一條風(fēng)路作為阻力最大的風(fēng)路，沿著這條風(fēng)路分別計(jì)算各段井巷的摩擦阻力，疊加總和得出全礦的總摩擦阻力[6]。廟嶺金礦在通風(fēng)困難時(shí)期與通風(fēng)容易時(shí)期的總摩擦阻力的計(jì)算采用Ventsim網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)進(jìn)行解算。

基于Ventsim三維通風(fēng)模擬仿真軟件對(duì)廟嶺金礦井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬與解算，結(jié)果表明：通風(fēng)容易時(shí)期和困難時(shí)期，512 m平硐進(jìn)風(fēng)風(fēng)量25.0 m3/s、459 m平硐進(jìn)風(fēng)風(fēng)量15.0 m3/s時(shí)，機(jī)械通風(fēng)所需風(fēng)壓為1 050～1 880 Pa，與計(jì)算結(jié)果誤差在5 %以內(nèi)。

廟嶺金礦現(xiàn)有主扇為K45-4-№13型通風(fēng)機(jī)，風(fēng)量28.6～53.8 m3/s，風(fēng)壓943～1 810 Pa。根據(jù)計(jì)算和Ventsim模擬解算結(jié)果，現(xiàn)有主扇風(fēng)機(jī)風(fēng)量滿足要求，風(fēng)壓略有不足?？紤]到廟嶺金礦保有資源儲(chǔ)量即將枯竭，按照13.5萬(wàn)t/a滿負(fù)荷生產(chǎn)的時(shí)間極短，建議仍利用現(xiàn)有風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，采場(chǎng)內(nèi)通過(guò)增設(shè)局扇輔助通風(fēng)，但是要求風(fēng)路沿線采空區(qū)和廢棄巷道均封閉，以減少采空區(qū)漏風(fēng)、串風(fēng)現(xiàn)象。同時(shí)，考慮作業(yè)面分風(fēng)需要，并為減少因負(fù)壓不平衡而產(chǎn)生風(fēng)量分配不合理的現(xiàn)象，擬在各主要需風(fēng)岔口和回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道中設(shè)置測(cè)風(fēng)站和活動(dòng)式調(diào)節(jié)風(fēng)門，根據(jù)實(shí)測(cè)差值調(diào)節(jié)風(fēng)量。生產(chǎn)中，隨采掘面轉(zhuǎn)移應(yīng)及時(shí)密閉采空區(qū)通道和調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，以減少漏風(fēng)并適應(yīng)作業(yè)面轉(zhuǎn)移時(shí)的通風(fēng)需要[7]。

5 結(jié) 論

1）廟嶺金礦一直采用空?qǐng)霾傻V法開(kāi)采，采空區(qū)體積龐大，大量的廢棄巷道和未處理采空區(qū)，導(dǎo)致井下漏風(fēng)、串風(fēng)嚴(yán)重，礦山也未能根據(jù)各中段同時(shí)生產(chǎn)礦塊數(shù)和生產(chǎn)能力來(lái)合理分配風(fēng)量，導(dǎo)致實(shí)際風(fēng)流紊亂、漏風(fēng)量大、通風(fēng)效果差、主扇運(yùn)轉(zhuǎn)效率低。

2）基于變權(quán)重與可變模糊集耦合模型的采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，必須對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)較大的大規(guī)模采空區(qū)進(jìn)行充填治理，以消除采空區(qū)安全隱患，通過(guò)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)一般的采空區(qū)和廢棄巷道砌墻封閉，大大減少了漏風(fēng)和串風(fēng)現(xiàn)象，增設(shè)459 m平硐兼作進(jìn)風(fēng)通道，將原單翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化為雙翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)，有效縮短了通風(fēng)線路，改善了進(jìn)風(fēng)質(zhì)量。

3）基于Ventsim的礦井通風(fēng)系統(tǒng)模擬與解算結(jié)果表明，通風(fēng)容易時(shí)期和困難時(shí)期，512 m平硐進(jìn)風(fēng)風(fēng)量25.0 m3/s、459 m平硐進(jìn)風(fēng)風(fēng)量15.0 m3/s時(shí)，機(jī)械通風(fēng)所需風(fēng)壓為1 050～1 880 Pa，與計(jì)算結(jié)果誤差在5 %以內(nèi)。在充分利用現(xiàn)有風(fēng)機(jī)和新增少量采掘工程的基礎(chǔ)上，有效改善了風(fēng)流質(zhì)量，保障了通風(fēng)效果，節(jié)約了系統(tǒng)改造投資。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 譚滿堂.小秦嶺地區(qū)金礦構(gòu)造控礦規(guī)律研究[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），2013.

[2] 中南大學(xué).河南省嵩縣廟嶺金礦有限公司軟破復(fù)雜礦體安全高效充填采礦關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告[R].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2020.

[3] 陳俊宇，周興暉，李帥，等.基于可變模糊集的特大采空區(qū)群穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].黃金，2016，37（12）：28-33.

[4] 吳超.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2008：67，112.

[5] 張亞明，何水清，李國(guó)清，等.基于Ventsim的高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化[J].中國(guó)礦業(yè)，2016，25（7）：82-86.

[6] 楊正松，任紅崗.礦井三維可視化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)礦業(yè)，2019，28（增刊2）：226-228.

[7] 蔡長(zhǎng)發(fā).江西某金礦井下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].世界有色金屬，2019（17）：125-127.