王小龍 呂志文 董 峰 劉春秋 林 彬 劉允秋
(1.山東黃金集團(tuán)福建省政和縣宏坤礦業(yè)有限公司;2.山東黃金集團(tuán)福建省政和縣源鑫礦業(yè)有限公司;3.山東黃金集團(tuán)福建省政和縣香爐坪礦業(yè)有限公司;4.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司)
近年來,隨著金屬礦山開采深度不斷加深,礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)日益復(fù)雜。如何對復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)機(jī)和通風(fēng)構(gòu)筑物進(jìn)行有效管理,達(dá)到協(xié)同工作,為井下作業(yè)場所送去足量新鮮風(fēng)流,保障礦井安全生產(chǎn),已經(jīng)成為制約金屬礦井發(fā)展的普遍問題。宏坤礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)同樣面臨一些困難,由于開采中段不斷加深,深部中段存在高油煙、高粉塵和高濕度現(xiàn)象,極大影響井下作業(yè)效率,通風(fēng)系統(tǒng)一定程度上成為影響了系統(tǒng)產(chǎn)能提升的主要因素。為解決這些問題,宏坤礦區(qū)探索借助于三維通風(fēng)數(shù)字孿生技術(shù),來對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化管理。
數(shù)字孿生是工業(yè)數(shù)字化及自動(dòng)化進(jìn)程中的關(guān)鍵技術(shù)之一,同時(shí)也是礦山智能開采的關(guān)鍵底層技術(shù)之一[1]。金屬礦井三維通風(fēng)數(shù)字孿生系統(tǒng)是一個(gè)集礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要參數(shù)精準(zhǔn)測量、三維通風(fēng)數(shù)值分析模型建模、人機(jī)交互與風(fēng)流動(dòng)態(tài)展現(xiàn)、通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整預(yù)先模擬驗(yàn)證為一體的未來礦井通風(fēng)管理模式[2]。
GinVent三維通風(fēng)數(shù)字孿生系統(tǒng)整體技術(shù)構(gòu)架如圖1 所示,系統(tǒng)由物理系統(tǒng)和孿生系統(tǒng)兩部分構(gòu)成,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)隱患,減少盲目調(diào)風(fēng),實(shí)現(xiàn)礦井按需通風(fēng),幫助企業(yè)節(jié)能增效。
三維通風(fēng)數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,在基礎(chǔ)設(shè)施不十分完善的情況下,金屬礦山依然可以分步實(shí)施,并最大限度地讓科學(xué)定量的通風(fēng)管理為采礦服務(wù)[3]?;诤昀さV區(qū)現(xiàn)狀,三維通風(fēng)數(shù)字孿生系統(tǒng)采取統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施的方式實(shí)現(xiàn)。
宏坤礦區(qū)礦井開采方式為硐采,采用平硐-溜井開拓,淺孔留礦法采礦。礦區(qū)地表標(biāo)高為+320 m,生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域深部目前位于+70 m 水平。由于通風(fēng)系統(tǒng)在生產(chǎn)推進(jìn)過程中逐步形成,礦井通風(fēng)系統(tǒng)整體較紊亂,有效風(fēng)量率低,井下柴油機(jī)尾氣排除困難,底部采場溫度已經(jīng)偏高、工人工作環(huán)境不理想,影響井下安全生產(chǎn)。隨著開采繼續(xù)往下延伸,通風(fēng)系統(tǒng)治理已經(jīng)成為影響宏坤礦區(qū)產(chǎn)能接續(xù)的重要因素。礦區(qū)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)布置情況見表1。
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通過現(xiàn)場調(diào)研和井下實(shí)測,掌握全礦井巷道幾何物理參數(shù)、巷道流體力學(xué)參數(shù)、風(fēng)機(jī)工況參數(shù)、主要構(gòu)筑物壓力參數(shù),通過調(diào)研和勘查確定井下設(shè)備功率、使用率及活動(dòng)位置、巷道圍巖參數(shù)等。通過測量診斷系統(tǒng)外部漏風(fēng)與內(nèi)部漏風(fēng),確定漏風(fēng)地點(diǎn)與漏風(fēng)風(fēng)量。依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)建立1∶1 全礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維數(shù)值分析模型,并通過校驗(yàn)將模型誤差控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。
通風(fēng)系統(tǒng)三維建?;A(chǔ)資料以當(dāng)前礦井生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料為主,主要包括基礎(chǔ)圖紙資料、通風(fēng)參數(shù)實(shí)測資料、風(fēng)機(jī)特性曲線數(shù)據(jù)、礦區(qū)地形地質(zhì)資料、礦井主要生產(chǎn)設(shè)備資料、中長期采掘計(jì)劃等。各部分所需資料如表2所示。
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依據(jù)礦井空氣動(dòng)力學(xué)原理和熱平衡方程,融合影響礦井風(fēng)流分配和變化的主要因素,建立礦井三維通風(fēng)動(dòng)態(tài)模型,模型建立后,風(fēng)流按照流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分配和流動(dòng),風(fēng)速、阻力、溫度、風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)、構(gòu)筑物壓力等參數(shù)一目了然,并可通過顏色對重點(diǎn)關(guān)注的數(shù)據(jù)區(qū)間突出顯示[3]。融合多元數(shù)據(jù)的宏坤礦區(qū)三維通風(fēng)數(shù)值分析模型如圖2所示。
表3 為宏坤礦區(qū)主要巷道三維通風(fēng)模型數(shù)據(jù)與井下實(shí)測數(shù)據(jù)匯總,可以看出,整個(gè)系統(tǒng)模擬的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)誤差均小于5%,最大誤差為4.35%。同時(shí)主回風(fēng)線路阻力誤差小于5%,宏坤礦區(qū)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)有超過20 個(gè)中段和分段參與通風(fēng),是一個(gè)較復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),由于人為測量誤差和設(shè)備運(yùn)行干擾等因素存在,整個(gè)系統(tǒng)的模擬精度完全滿足井下生產(chǎn)和進(jìn)一步制定通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案的需要。
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依托所建立的三維通風(fēng)數(shù)字孿生分析模型,對通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行全方位、多維度三維數(shù)據(jù)展現(xiàn)和定量診斷,確定當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)主要瓶頸和優(yōu)化方向。
(1)巷道風(fēng)速分析。礦區(qū)巷道當(dāng)前風(fēng)速分布區(qū)間為0~7.3 m/s,最高風(fēng)速出現(xiàn)在252 m 中段至300 m中段回風(fēng)天井處,+50 m 以下中段巷道基本處于微風(fēng)狀態(tài),新鮮風(fēng)流主要從252 m 新老斜坡道進(jìn)入礦井,經(jīng)過205 m中段后,新鮮風(fēng)流已經(jīng)損失過半。
(2)污染源分析。模擬分析發(fā)現(xiàn),即使主斜坡道上部的油煙也將順斜坡道向下影響礦區(qū)所有深部區(qū)域,由此可見,采用主斜坡道作為主要進(jìn)風(fēng)巷道(主斜坡道進(jìn)風(fēng)比例占63.5%),對深部區(qū)域作業(yè)環(huán)境非常不利。要解決這一問題,必須開拓或利用其他巷道作為主要進(jìn)風(fēng)巷。
(3)循環(huán)風(fēng)分析。數(shù)字孿生系統(tǒng)顯示,系統(tǒng)未形成完善的進(jìn)風(fēng)回路和回風(fēng)回路,進(jìn)、回風(fēng)路線相互交錯(cuò),淺部區(qū)域存在進(jìn)、回風(fēng)短路,影響通風(fēng)系統(tǒng)將井下采油機(jī)尾氣和炮煙排出礦井。
(4)總風(fēng)量分析。從測風(fēng)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)均可看出,宏坤礦區(qū)有效風(fēng)量存在一定缺口,需要通過增大總風(fēng)量、提高有效風(fēng)量率來保障深部區(qū)域作業(yè)地點(diǎn)用風(fēng)。
根據(jù)宏坤礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題,在深入現(xiàn)場調(diào)查研究、收集融合相關(guān)圖紙、資料和數(shù)據(jù)、了解礦井生產(chǎn)和通風(fēng)基本情況的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)擬定了3 種通風(fēng)優(yōu)化方案,并對其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,以最終確定通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整方案。
通過嚴(yán)格規(guī)劃主要回風(fēng)路線,加強(qiáng)主要回風(fēng)路線與各中段及主要進(jìn)風(fēng)路線間構(gòu)筑物隔離,疏通350 m 平硐和通205 m 中段盲斜井作為進(jìn)風(fēng)巷道,減少主斜坡道進(jìn)風(fēng)比例,暫不改變當(dāng)前機(jī)站位置和風(fēng)機(jī)配置。通過三維通風(fēng)數(shù)字孿生系統(tǒng)建立通風(fēng)數(shù)值分析模型。
數(shù)值模擬顯示,構(gòu)建專用回風(fēng)路線,采用252 m新斜坡道、252 m 老斜坡道、通205 m 中段盲斜井和350 m 平硐作為進(jìn)風(fēng)巷道,在不改變現(xiàn)有風(fēng)機(jī)位置和配置的條件下,礦井深部區(qū)域進(jìn)風(fēng)量明顯改善,+300 m 平硐口回風(fēng)量達(dá)到29.2 m3/s,斜坡道110 m 下方20 m處進(jìn)風(fēng)量達(dá)到19.9 m3/s,+30 m至-15 m分段配風(fēng)均可超過0.5 m/s。主要運(yùn)輸用途的主斜坡道進(jìn)風(fēng)占比明顯降低,減少至37.3%,主斜坡道上部炮煙對深部的影響程度明顯降低,150 m 中段炮煙排出+300 m 硐口時(shí)間從32.5 min 減少為16.9 min。由此可以看出,構(gòu)建專用回風(fēng)通道,減少205 m 中段以上中段風(fēng)流短路和漏風(fēng),對深部區(qū)域通風(fēng)改善非常明顯,有效風(fēng)量率得到明顯提升。
針對方案I存在的礦井回風(fēng)通道上部風(fēng)機(jī)和下部風(fēng)機(jī)通風(fēng)能力不匹配的問題,在方案I基礎(chǔ)上,將+300 m 平硐口37 kW 風(fēng)機(jī)和+252 m 中段90 kW 風(fēng)機(jī)位置對調(diào),采用現(xiàn)有設(shè)備最大程度地提升井下污風(fēng)排出能力。通過三維通風(fēng)數(shù)字孿生系統(tǒng)建立方案Ⅱ優(yōu)化模型。
數(shù)據(jù)分析顯示:通過將+300 m 平硐口37 kW 風(fēng)機(jī)和+252 m 中段90 kW 風(fēng)機(jī)位置對調(diào),在不同風(fēng)機(jī)葉片角搭配情況下,方案Ⅱ相對方案I通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)能力提升幅度可達(dá)23.3%,通風(fēng)系統(tǒng)總回風(fēng)能力可以得到明顯提升,+110 m 中段以下深部區(qū)域新風(fēng)進(jìn)風(fēng)量同步獲得提升,斜坡道110 m下方20 m處進(jìn)風(fēng)量達(dá)到24.6 m3/s,相對方案I提升23.6%,對礦井深部通風(fēng)改善作用更加明顯。在對礦井深部作業(yè)點(diǎn)環(huán)境改善方面,方案Ⅱ相對方案I的優(yōu)勢更加明顯,150 m 中段炮煙排出+300 m 硐口時(shí)間從方案I的16.9 min,進(jìn)一步減少為12.45 min。通過方案Ⅱ的調(diào)整,風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)明顯更趨合理,風(fēng)網(wǎng)通風(fēng)能力得到進(jìn)一步的提升,但從風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)可以看出,同一主回風(fēng)線路上,37 kW 風(fēng)機(jī)與90 kW 風(fēng)機(jī)性能不匹配仍然是阻礙風(fēng)網(wǎng)通風(fēng)能力進(jìn)一步提升的障礙。
在205 m 中段及以上中段對回風(fēng)巷道進(jìn)行維護(hù),構(gòu)建專用回風(fēng)巷(同方案I),在247 線新掘?qū)S没仫L(fēng)豎井,豎井連接150 m 中段至205 m 中段,與205 m 上部回風(fēng)巷道相連,構(gòu)成礦井專用回風(fēng)路徑。
豎井貫通后關(guān)停+110 m、+150 m 中段2 臺30 kW風(fēng)機(jī),維護(hù)205 m 中段至300 m 回風(fēng)平硐沿線專用回風(fēng)巷道,對新掘?qū)S没仫L(fēng)豎井,初步按照1.8 m方形斷面設(shè)計(jì),在不改變205 m 中段(含)以上專用回風(fēng)巷道斷面的情況下,對宏坤礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)能力提升潛力進(jìn)行建模分析,分析數(shù)據(jù)見表4。
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通過對表4 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出:方案Ⅲ按總回風(fēng)量一狀態(tài)運(yùn)行時(shí),通過新掘?qū)S没仫L(fēng)豎井,將現(xiàn)有90 kW 風(fēng)機(jī)和37 kW 風(fēng)機(jī)位置對調(diào),宏坤礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)可以在關(guān)停+110 m、+150 m 中段2臺30 kW 風(fēng)機(jī),且不購買新的風(fēng)機(jī)的情況下,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總風(fēng)量提升38.9%,系統(tǒng)有效風(fēng)量率達(dá)到70.6%,+110 m 中段下方新風(fēng)進(jìn)風(fēng)量相對當(dāng)前系統(tǒng)提升3.9 倍(當(dāng)前值6.1 m3/s),-15 m 中段炮煙排出井口時(shí)間大幅降低至5.6 min,進(jìn)而可以大幅縮短工作面放炮后的排煙時(shí)間,提升排班周轉(zhuǎn)率。該方案在新掘?qū)S没仫L(fēng)豎井情況下,充分利用現(xiàn)有風(fēng)機(jī)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)礦井有效風(fēng)量大幅提升,同時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在高效節(jié)能區(qū)間。該方案相對方案Ⅱ的優(yōu)勢在于:在關(guān)停2 臺30 kW 風(fēng)機(jī)的情況下,有效風(fēng)量提升量基本一致。通過新掘?qū)S没仫L(fēng)豎井,將通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)線路和回風(fēng)線路總體隔開,更加有利于深部污風(fēng)排出、提升深部空氣質(zhì)量。
方案Ⅲ按總回風(fēng)量二狀態(tài)運(yùn)行時(shí),將+300 m 平硐口系統(tǒng)總回風(fēng)量提升至45 m3/s,+252 m 機(jī)站利用現(xiàn)有90 kW 風(fēng)機(jī),專用回風(fēng)豎井回風(fēng)量提升至29.6 m3/s,相對宏坤當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng),總風(fēng)量和有效風(fēng)量率均大幅提升。系統(tǒng)總阻力提升較快,達(dá)到2 730.9 Pa,+300 m 平硐口風(fēng)機(jī)需要新購,專用回風(fēng)井1.8 m方形斷面設(shè)計(jì)基本能滿足要求,風(fēng)機(jī)通風(fēng)能力與風(fēng)網(wǎng)相匹配,風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)基本合理。通風(fēng)系統(tǒng)排煙、排塵能力進(jìn)一步提升。
方案Ⅲ按總回風(fēng)量三和總回風(fēng)量四狀態(tài)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)總風(fēng)量和有效風(fēng)量進(jìn)一步同步提升,但與此同時(shí),系統(tǒng)通風(fēng)阻力快速增加,系統(tǒng)總阻力明顯偏高。
在方案Ⅲ按總回風(fēng)量一狀態(tài)運(yùn)行時(shí),+252 m 中段37kW 風(fēng)機(jī)采用29°葉片角、+300 m 平硐口90 kW風(fēng)機(jī)采用26°葉片角情況下,對專用回風(fēng)豎井?dāng)嗝姘?.5、1.8、2.1 m 矩形斷面設(shè)計(jì),建模模擬專用回風(fēng)豎井?dāng)嗝孀兓瘜νL(fēng)系統(tǒng)主要參數(shù)的影響(表5)。
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綜合表4 和表5 的數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)系統(tǒng)總回風(fēng)量在45 m3/s 以下時(shí),專用回風(fēng)井?dāng)嗝姘?.8 m×1.8 m設(shè)計(jì)基本合理。
在方案Ⅲ按總回風(fēng)量一狀態(tài)運(yùn)行時(shí),采用Gin-Vent 通風(fēng)數(shù)字孿生系統(tǒng)模擬分析,主要風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)如圖3、圖4所示。
方案Ⅲ按總回風(fēng)量一(35 m3/s)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)對應(yīng)的改造工程主要包括-15 m 中段至205 m 中段1.8 m方形斷面豎井工程,專用回風(fēng)道沿線風(fēng)門、密閉構(gòu)造,90 kW 風(fēng)機(jī)與37 kW 風(fēng)機(jī)位置對調(diào)工程,其他必要風(fēng)門的構(gòu)造和維護(hù)。
宏坤礦區(qū)屬于生產(chǎn)礦山,通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案是在受到居多條件限制的情況下給出的,這些限制包括[4]:
(1)主要回風(fēng)巷道已經(jīng)形成,巷道斷面面積擴(kuò)充難度較大,且會(huì)影響生產(chǎn)。
(2)回風(fēng)井口選擇余地小,受審批和實(shí)際環(huán)境等因素限制,方案Ⅲ所述的專用回風(fēng)豎井無法直接貫通至地表形成專用回風(fēng)豎井。
(3)主要風(fēng)機(jī)已經(jīng)購置,優(yōu)化方案盡可能利用現(xiàn)有設(shè)備提高井下有效風(fēng)量。
在上述現(xiàn)實(shí)因素限制下,通過構(gòu)建專用回風(fēng)路線、疏通現(xiàn)有廢棄井口擴(kuò)充進(jìn)風(fēng)通道、優(yōu)化風(fēng)機(jī)布局和風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、優(yōu)化構(gòu)筑物布置、優(yōu)化設(shè)計(jì)150 m中段至205 m 中段專用回風(fēng)豎井等維度,在盡量采用現(xiàn)有設(shè)備、不影響礦井生產(chǎn)的情況下,大幅提高宏坤礦區(qū)有效風(fēng)量,改善井下作業(yè)環(huán)境。
(1)創(chuàng)新性提出建設(shè)金屬礦井三維通風(fēng)數(shù)字孿生系統(tǒng)——一個(gè)集礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要參數(shù)精準(zhǔn)測量、三維通風(fēng)數(shù)值分析模型建模、人機(jī)交互與風(fēng)流動(dòng)態(tài)展現(xiàn)、通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整預(yù)先模擬驗(yàn)證為一體的未來礦井通風(fēng)管理模式,實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)全要素、全流程、全數(shù)據(jù)的集成和融合,達(dá)到當(dāng)前礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流最優(yōu)配置、災(zāi)害情況下風(fēng)流快速調(diào)整以及對未來通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整方案及效果定量預(yù)判。三維通風(fēng)數(shù)值孿生系統(tǒng)為金屬礦井通風(fēng)管理本質(zhì)提升奠定了基礎(chǔ)。
(2)應(yīng)用礦井三維通風(fēng)數(shù)字孿生系統(tǒng),定量分析當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)主要瓶頸,構(gòu)建通風(fēng)系統(tǒng)改造方案模型,對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行多維度優(yōu)化分析,定量分析優(yōu)化方案各參數(shù)對應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化提升效果。提出對進(jìn)風(fēng)線路和回風(fēng)線路進(jìn)行重新規(guī)劃、調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行葉片角或位置達(dá)到各級機(jī)站通風(fēng)能力匹配、優(yōu)化設(shè)計(jì)150 m至205 m水平專用回風(fēng)豎井等總體優(yōu)化方案。
(3)圍繞宏坤礦區(qū)存在的深部中段風(fēng)量不足、井下炮煙和柴油機(jī)尾氣排出緩慢等問題,通過構(gòu)建專用回風(fēng)通道、提高有效風(fēng)量率,大幅提高深部中段有效風(fēng)量供給量和風(fēng)質(zhì)水平,優(yōu)化方案將深部-15 m 中段炮煙排出井口時(shí)間從32.5 min減少為5.6 min、+110 m中段下方新風(fēng)進(jìn)風(fēng)量提升3.9 倍,從而大幅縮短工作面放炮后的排煙時(shí)間,提升排班周轉(zhuǎn)率。該思路為金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、深部熱害控制、產(chǎn)能提升等提供了技術(shù)參考。
(4)金屬礦井三維通風(fēng)數(shù)字孿生系統(tǒng)模型同樣適用于高溫礦井熱害治理定量分析,通過對影響井下空氣溫度的地表環(huán)境參數(shù)、圍巖屬性、地?zé)崽荻?、大型設(shè)備放熱、井下排水等進(jìn)行建模,定量分析礦井通風(fēng)降溫經(jīng)濟(jì)邊界參數(shù),同時(shí)可對設(shè)備降溫位置選擇、制冷負(fù)荷和降溫效果進(jìn)行定量分析,從整體和時(shí)間維度為高溫礦井熱害治理提供定量分析預(yù)判,成果對國內(nèi)其他金屬礦山通風(fēng)管理具有重要的參考價(jià)值。