礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造研究*

唐夢(mèng)宇， 王晉淼， 付簫月， 吳勤儉， 黃端龍， 林佳豪

(湘潭大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

0 引言

礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用.隨著礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)不斷往深部延伸，礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為礦山開(kāi)采的八大系統(tǒng)之一，為給井下作業(yè)人員提供安全、舒適、良好的作業(yè)環(huán)境，扮演著極其重要的角色[1-2].然而在礦物資源的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，礦井通風(fēng)系統(tǒng)好壞直接影響著井下作業(yè)人員的身心健康與工作效率[3].因而井下通風(fēng)存在的問(wèn)題成為制約礦產(chǎn)資源安全、經(jīng)濟(jì)、高效生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的一大難題[4].

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開(kāi)發(fā)利用，井下工作面不斷被推進(jìn)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不斷延伸，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交錯(cuò)復(fù)雜，常常出現(xiàn)各水平風(fēng)量分配不足、風(fēng)流短路與串聯(lián)、污風(fēng)循環(huán)、微風(fēng)、無(wú)風(fēng)、通風(fēng)能耗居高不下等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致井下工作環(huán)境惡劣，工作效率低，甚至?xí)斐砂踩鹿蔥5-9].由于上述存在的問(wèn)題，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造是非常有必要的，以使井下作業(yè)環(huán)境滿(mǎn)足職業(yè)健康要求.

因此，以某金屬礦山為研究對(duì)象，針對(duì)風(fēng)量分配不均衡、風(fēng)量調(diào)節(jié)困難、通風(fēng)效果差等一系列問(wèn)題，結(jié)合理論分析與模擬實(shí)驗(yàn)展開(kāi)研究，并借助三維礦井通風(fēng)動(dòng)態(tài)仿真軟件iVent使礦山實(shí)際狀況數(shù)字化、可見(jiàn)化，運(yùn)用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算動(dòng)態(tài)仿真模擬礦山通風(fēng)現(xiàn)狀，分析與診斷礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，最后進(jìn)行優(yōu)化改造，使其總風(fēng)量與各水平風(fēng)量滿(mǎn)足需風(fēng)量要求，提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)整體的安全性、穩(wěn)定性，降低通風(fēng)能耗.

1 工程概況

某金屬礦井采用對(duì)角抽出式多級(jí)機(jī)站通風(fēng)的方式，由地表向下布置的西風(fēng)井與副井為通風(fēng)系統(tǒng)提供新鮮風(fēng)流，主回風(fēng)斜井(東風(fēng)井)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的回風(fēng).多級(jí)機(jī)站布置情況：Ⅰ級(jí)機(jī)站被安設(shè)在礦體的兩端，布置在-230 m水平東、西部進(jìn)風(fēng)井處.Ⅳ級(jí)機(jī)站布置在-50 m水平回風(fēng)井聯(lián)巷.且Ⅰ、Ⅳ級(jí)基站風(fēng)機(jī)控制采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，可根據(jù)需要適時(shí)調(diào)控風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量及時(shí)間.礦井通風(fēng)系統(tǒng)概況圖如圖1所示.

圖1 某金屬礦井通風(fēng)系統(tǒng)概況圖Fig.1 Ventilation system of a metal mine

2 通風(fēng)阻力測(cè)定與解算模型構(gòu)建

為準(zhǔn)確掌握該金屬礦的風(fēng)量分配情況以及通風(fēng)阻力分布情況，通過(guò)選定測(cè)定路線以及布置測(cè)點(diǎn)，并采用氣壓計(jì)基點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)定，獲得巷道的斷面形狀、支護(hù)方式、凈寬、凈高、斷面積、風(fēng)速、壓差等參數(shù)，以此為基礎(chǔ)，計(jì)算巷道的周長(zhǎng)、面積、摩擦阻力系數(shù)、風(fēng)阻、空氣密度等參數(shù).

此外，依據(jù)CAD平面圖、各巷道實(shí)測(cè)點(diǎn)以及巷道輪廓線，利用DIMINE軟件構(gòu)建單線網(wǎng)絡(luò)模型，將其導(dǎo)入三維通風(fēng)動(dòng)態(tài)仿真軟件iVent中，并輸入相應(yīng)的通風(fēng)阻力測(cè)定與計(jì)算的風(fēng)阻參數(shù)，構(gòu)建礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型，如圖2所示.

圖2 某金屬礦的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Ventilation network diagram of a metal mine

3 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題分析與診斷

以通風(fēng)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助三維動(dòng)態(tài)仿真軟件iVent，對(duì)該金屬礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面的問(wèn)題分析與診斷，包括需風(fēng)量核算、循環(huán)風(fēng)分析、巷道風(fēng)速分析以及風(fēng)流方向合理性分析.

3.1 需風(fēng)量核算

為更好地確定各需風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)量是否達(dá)到通風(fēng)要求，需準(zhǔn)確計(jì)算出各水平的需風(fēng)量.根據(jù)礦山的實(shí)際情況，每個(gè)工作面的需風(fēng)量按排塵風(fēng)速(0.25 m/s)乘以斷面面積(16.67 m2)確定，硐室則按每個(gè)硐室的需風(fēng)量1.5 m3/s確定.各水平所需風(fēng)量與實(shí)測(cè)風(fēng)量如表1所示.

表1 各水平風(fēng)量對(duì)比分析

由表1可知，該金屬礦通風(fēng)系統(tǒng)中總需風(fēng)量172.95 m3/s，小于實(shí)測(cè)風(fēng)量347.08 m3/s，整個(gè)系統(tǒng)總風(fēng)量能夠得到滿(mǎn)足，但-170 m水平的實(shí)測(cè)風(fēng)量小于實(shí)際所需風(fēng)量，而-125 m、-140 m、-155 m三個(gè)水平的計(jì)算風(fēng)量要大于實(shí)際所需風(fēng)量.因此，需要對(duì)各水平進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，避免不必要的能耗損失，減少生產(chǎn)運(yùn)行成本.

3.2 循環(huán)風(fēng)分析

循環(huán)風(fēng)可能會(huì)使井下的有毒有害氣體大量堆積，達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)引起安全事故的發(fā)生.因此，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)風(fēng)的檢測(cè)分析是至關(guān)重要的[10].通過(guò)借助三維礦井通風(fēng)動(dòng)態(tài)仿真軟件iVent對(duì)該金屬礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)風(fēng)檢測(cè)，測(cè)得該礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在兩個(gè)循環(huán)風(fēng)(以-50 m和-230 m水平機(jī)站為中心的循環(huán)風(fēng)路)，如圖3所示.

圖3 循環(huán)風(fēng)檢測(cè)圖Fig.3 Detect results of recirculating air flow

3.3 巷道風(fēng)速分析

通過(guò)對(duì)該金屬礦全礦井巷道風(fēng)速進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在-50 m水平的-50 m到5 m回風(fēng)井處，存在一超速巷道，巷道風(fēng)速達(dá)到20.969 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)程規(guī)定的風(fēng)速15 m/s.

3.4 風(fēng)流方向合理性分析

對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)主要進(jìn)、回風(fēng)道，專(zhuān)用風(fēng)井的風(fēng)流方向進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)-170 m水平與主回風(fēng)斜井處風(fēng)流方向存在不合理現(xiàn)象，如圖4所示.

圖4 -170 m水平風(fēng)流流向不合理圖Fig.4 Incorrect air flow direction for -170 m level

4 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案擬定

針對(duì)該金屬礦通風(fēng)系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，考慮以最小化為原則，充分利用現(xiàn)有的通風(fēng)調(diào)控設(shè)施，提出以下兩種方案.

4.1 方案一

(1)對(duì)-50 m水平風(fēng)流超速的通風(fēng)巷道實(shí)施巷道擴(kuò)刷，降低風(fēng)速至15 m/s以下.

(2)在-170 m水平內(nèi)回風(fēng)井聯(lián)巷處增設(shè)一臺(tái)葉片角度為40°、效率為84.7%、額定功率為90 kW的K45-6-No16輔扇.

(3)針對(duì)-125 m、-140 m水平的風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需風(fēng)量的問(wèn)題，避免通風(fēng)能耗過(guò)高，在-140 m水平內(nèi)回風(fēng)聯(lián)巷處安設(shè)一風(fēng)窗，使進(jìn)入-155 m、-170 m水平的風(fēng)量增加，以滿(mǎn)足其需風(fēng)量的要求，如圖5所示.

圖5 -140 m水平回風(fēng)聯(lián)巷處安裝風(fēng)窗圖Fig.5 Air window installed at the return air lane of -140 m level

(4)將-50 m水平內(nèi)風(fēng)機(jī)DK40-8-No26移動(dòng)至地表.

4.2 方案二

(1)與方案一中(1)一致，對(duì)-50 m水平超速巷道進(jìn)行巷道擴(kuò)刷.

(2)在-110 m水平內(nèi)-110～-50 m斜坡聯(lián)巷處安裝風(fēng)窗，使-110 m水平中多余風(fēng)量調(diào)節(jié)至下面幾個(gè)水平，如圖6所示.

圖6 -110 m水平內(nèi)-110 ～-50 m斜坡聯(lián)巷處安裝風(fēng)窗圖Fig.6 Air window installed at -110 ～ -50 m slope lane of -110 m level

(3)在-140 m、-155 m兩水平內(nèi)回風(fēng)聯(lián)巷處各安裝一風(fēng)窗，使兩水平多余風(fēng)量調(diào)節(jié)至實(shí)際風(fēng)量較小的-170 m水平.

5 礦井通風(fēng)優(yōu)化方案確定

5.1 兩優(yōu)化方案數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)制定的兩種優(yōu)化改造方案，借助iVent軟件進(jìn)行模擬分析，將兩種優(yōu)化改造方案的各種參數(shù)、數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，其中兩方案優(yōu)化后各水平風(fēng)量對(duì)比如表2所示，擴(kuò)刷巷道前后數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示，兩方案增加風(fēng)機(jī)與構(gòu)筑物對(duì)比如表4所示.

表2 兩方案優(yōu)化后各水平風(fēng)量對(duì)比

表3 巷道擴(kuò)刷前后數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)表2可知，兩方案都滿(mǎn)足通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際需求，而方案二各水平風(fēng)量貼近實(shí)際所需風(fēng)量且總體風(fēng)量小于方案一，比較符合實(shí)際所需.

由表3數(shù)據(jù)顯示，兩方案進(jìn)行擴(kuò)刷巷道后的風(fēng)流風(fēng)速已滿(mǎn)足其限定標(biāo)準(zhǔn)，解決了安全隱患.

由表4可知，方案一實(shí)施的困難程度要高于方案二，其復(fù)雜程度也高于方案二.于施工難度方面來(lái)說(shuō)，方案二可行性較高.

5.2 合理性分析

(1)技術(shù)可行性分析

方案一和方案二的主要技術(shù)手段是在現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改造，其中方案一的主要關(guān)鍵措施是增設(shè)輔扇、通風(fēng)建筑物、擴(kuò)刷巷道和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)位置，而兩種方案本質(zhì)上的區(qū)別是方案二用兩個(gè)通風(fēng)構(gòu)筑物(風(fēng)窗)來(lái)代替方案一的輔扇，以滿(mǎn)足各水平風(fēng)量需求.

由兩方案對(duì)比可看出，方案一的施工周期要比方案二長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)的移動(dòng)會(huì)使整個(gè)礦井的一系列生產(chǎn)活動(dòng)受到影響.此外，方案一還增加了一輔扇.因此，方案二優(yōu)于方案一.

(2)經(jīng)濟(jì)合理性分析

根據(jù)表5數(shù)據(jù)可知，施工工程量相同，其施工費(fèi)用也相同，但從購(gòu)置設(shè)備的費(fèi)用上比較，方案一的費(fèi)用更高.因此，在經(jīng)濟(jì)方面，還是方案二更勝一籌.

表5 兩方案工程量與實(shí)施費(fèi)用對(duì)比

5.3 優(yōu)化方案選定及效果模擬分析

從各水平風(fēng)量分配方案來(lái)說(shuō)，方案二的風(fēng)量配比最優(yōu)；從技術(shù)性角度分析，方案二實(shí)際操作起來(lái)比較簡(jiǎn)易，可實(shí)施性強(qiáng)且對(duì)礦井正常生產(chǎn)影響較??；從經(jīng)濟(jì)合理性比較，方案二的經(jīng)濟(jì)輸出小于方案一；從綜合性分析來(lái)看，方案二的性能優(yōu)于方案一.由此可見(jiàn)，最佳方案為“方案二”.選定方案后，利用三維動(dòng)態(tài)仿真軟件iVent進(jìn)行模擬，對(duì)其實(shí)施效果進(jìn)行分析：

(1)滿(mǎn)足礦井總需風(fēng)量需求，各水平風(fēng)量分配合理且滿(mǎn)足其需風(fēng)量要求；

(2)通風(fēng)系統(tǒng)所有巷道風(fēng)速達(dá)到規(guī)定要求；

(3)解決了井下循環(huán)風(fēng)流的影響，提高了整個(gè)系統(tǒng)通風(fēng)效率.

6 結(jié)論

(1)借助三維動(dòng)態(tài)通風(fēng)仿真軟件iVent，分析與診斷某金屬礦通風(fēng)系統(tǒng)存在風(fēng)量分布不均衡、巷道風(fēng)流超速、風(fēng)流串聯(lián)、循環(huán)風(fēng)以及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，從而使整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)效果不佳且能耗較高.

(2)針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，充分利用已有的通風(fēng)調(diào)控設(shè)施，即通過(guò)增加構(gòu)筑物、輔扇以及擴(kuò)刷斷面等技術(shù)手段，制定了兩種優(yōu)化改造方案，在此基礎(chǔ)上，從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩方面，對(duì)兩方案進(jìn)行對(duì)比分析，確定出方案二為最佳方案.

(3)對(duì)最佳方案二進(jìn)行效果模擬分析，方案二不僅滿(mǎn)足礦井總需風(fēng)量要求，且各水平的風(fēng)量分配合理，解決了巷道超速與井下循環(huán)風(fēng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了井下按需通風(fēng)并降低了通風(fēng)能耗.