唐夢宇， 王晉淼， 付簫月， 吳勤儉， 黃端龍， 林佳豪

(湘潭大學 環(huán)境與資源學院，湖南 湘潭 411105)

0 引言

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用在我國經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用.隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)不斷往深部延伸，礦井通風系統(tǒng)作為礦山開采的八大系統(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發(fā)利用過程中，礦井通風系統(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].因而井下通風存在的問題成為制約礦產(chǎn)資源安全、經(jīng)濟、高效生產(chǎn)開發(fā)的一大難題[4].

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)利用，井下工作面不斷被推進，通風網(wǎng)絡(luò)不斷延伸，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交錯復雜，常常出現(xiàn)各水平風量分配不足、風流短路與串聯(lián)、污風循環(huán)、微風、無風、通風能耗居高不下等現(xiàn)象，從而導致井下工作環(huán)境惡劣，工作效率低，甚至會造成安全事故[5-9].由于上述存在的問題，對礦井通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改造是非常有必要的，以使井下作業(yè)環(huán)境滿足職業(yè)健康要求.

因此，以某金屬礦山為研究對象，針對風量分配不均衡、風量調(diào)節(jié)困難、通風效果差等一系列問題，結(jié)合理論分析與模擬實驗展開研究，并借助三維礦井通風動態(tài)仿真軟件iVent使礦山實際狀況數(shù)字化、可見化，運用通風網(wǎng)絡(luò)解算動態(tài)仿真模擬礦山通風現(xiàn)狀，分析與診斷礦井通風系統(tǒng)存在的問題，最后進行優(yōu)化改造，使其總風量與各水平風量滿足需風量要求，提升礦井通風系統(tǒng)整體的安全性、穩(wěn)定性，降低通風能耗.

1 工程概況

某金屬礦井采用對角抽出式多級機站通風的方式，由地表向下布置的西風井與副井為通風系統(tǒng)提供新鮮風流，主回風斜井(東風井)負責整個系統(tǒng)的回風.多級機站布置情況：Ⅰ級機站被安設(shè)在礦體的兩端，布置在-230 m水平東、西部進風井處.Ⅳ級機站布置在-50 m水平回風井聯(lián)巷.且Ⅰ、Ⅳ級基站風機控制采用計算機自動化遠程控制，可根據(jù)需要適時調(diào)控風機運轉(zhuǎn)數(shù)量及時間.礦井通風系統(tǒng)概況圖如圖1所示.

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

2 通風阻力測定與解算模型構(gòu)建

為準確掌握該金屬礦的風量分配情況以及通風阻力分布情況，通過選定測定路線以及布置測點，并采用氣壓計基點法進行測定，獲得巷道的斷面形狀、支護方式、凈寬、凈高、斷面積、風速、壓差等參數(shù)，以此為基礎(chǔ)，計算巷道的周長、面積、摩擦阻力系數(shù)、風阻、空氣密度等參數(shù).

此外，依據(jù)CAD平面圖、各巷道實測點以及巷道輪廓線，利用DIMINE軟件構(gòu)建單線網(wǎng)絡(luò)模型，將其導入三維通風動態(tài)仿真軟件iVent中，并輸入相應(yīng)的通風阻力測定與計算的風阻參數(shù)，構(gòu)建礦井通風網(wǎng)絡(luò)解算模型，如圖2所示.

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

3 礦井通風網(wǎng)絡(luò)問題分析與診斷

以通風阻力測定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助三維動態(tài)仿真軟件iVent，對該金屬礦通風系統(tǒng)進行全面的問題分析與診斷，包括需風量核算、循環(huán)風分析、巷道風速分析以及風流方向合理性分析.

3.1 需風量核算

為更好地確定各需風點的風量是否達到通風要求，需準確計算出各水平的需風量.根據(jù)礦山的實際情況，每個工作面的需風量按排塵風速(0.25 m/s)乘以斷面面積(16.67 m2)確定，硐室則按每個硐室的需風量1.5 m3/s確定.各水平所需風量與實測風量如表1所示.

表1 各水平風量對比分析

由表1可知，該金屬礦通風系統(tǒng)中總需風量172.95 m3/s，小于實測風量347.08 m3/s，整個系統(tǒng)總風量能夠得到滿足，但-170 m水平的實測風量小于實際所需風量，而-125 m、-140 m、-155 m三個水平的計算風量要大于實際所需風量.因此，需要對各水平進行風量調(diào)節(jié)，避免不必要的能耗損失，減少生產(chǎn)運行成本.

3.2 循環(huán)風分析

循環(huán)風可能會使井下的有毒有害氣體大量堆積，達到一定濃度時，會引起安全事故的發(fā)生.因此，對礦井通風系統(tǒng)進行循環(huán)風的檢測分析是至關(guān)重要的[10].通過借助三維礦井通風動態(tài)仿真軟件iVent對該金屬礦通風系統(tǒng)進行循環(huán)風檢測，測得該礦井通風系統(tǒng)存在兩個循環(huán)風(以-50 m和-230 m水平機站為中心的循環(huán)風路)，如圖3所示.

圖3 循環(huán)風檢測圖Fig.3 Detect results of recirculating air flow

3.3 巷道風速分析

通過對該金屬礦全礦井巷道風速進行分析，發(fā)現(xiàn)在-50 m水平的-50 m到5 m回風井處，存在一超速巷道，巷道風速達到20.969 m/s，遠遠超過規(guī)程規(guī)定的風速15 m/s.

3.4 風流方向合理性分析

對礦井通風系統(tǒng)內(nèi)主要進、回風道，專用風井的風流方向進行分析，發(fā)現(xiàn)-170 m水平與主回風斜井處風流方向存在不合理現(xiàn)象，如圖4所示.

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

4 通風系統(tǒng)優(yōu)化方案擬定

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

4.1 方案一

(1)對-50 m水平風流超速的通風巷道實施巷道擴刷，降低風速至15 m/s以下.

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

(3)針對-125 m、-140 m水平的風量遠遠大于實際所需風量的問題，避免通風能耗過高，在-140 m水平內(nèi)回風聯(lián)巷處安設(shè)一風窗，使進入-155 m、-170 m水平的風量增加，以滿足其需風量的要求，如圖5所示.

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

(4)將-50 m水平內(nèi)風機DK40-8-No26移動至地表.

4.2 方案二

(1)與方案一中(1)一致，對-50 m水平超速巷道進行巷道擴刷.

(2)在-110 m水平內(nèi)-110～-50 m斜坡聯(lián)巷處安裝風窗，使-110 m水平中多余風量調(diào)節(jié)至下面幾個水平，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)回風聯(lián)巷處各安裝一風窗，使兩水平多余風量調(diào)節(jié)至實際風量較小的-170 m水平.

5 礦井通風優(yōu)化方案確定

5.1 兩優(yōu)化方案數(shù)據(jù)對比

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

表2 兩方案優(yōu)化后各水平風量對比

表3 巷道擴刷前后數(shù)據(jù)對比

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

由表3數(shù)據(jù)顯示，兩方案進行擴刷巷道后的風流風速已滿足其限定標準，解決了安全隱患.

由表4可知，方案一實施的困難程度要高于方案二，其復雜程度也高于方案二.于施工難度方面來說，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)有通風網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改造，其中方案一的主要關(guān)鍵措施是增設(shè)輔扇、通風建筑物、擴刷巷道和調(diào)節(jié)風機位置，而兩種方案本質(zhì)上的區(qū)別是方案二用兩個通風構(gòu)筑物(風窗)來代替方案一的輔扇，以滿足各水平風量需求.

由兩方案對比可看出，方案一的施工周期要比方案二長，風機的移動會使整個礦井的一系列生產(chǎn)活動受到影響.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，其施工費用也相同，但從購置設(shè)備的費用上比較，方案一的費用更高.因此，在經(jīng)濟方面，還是方案二更勝一籌.

表5 兩方案工程量與實施費用對比

5.3 優(yōu)化方案選定及效果模擬分析

從各水平風量分配方案來說，方案二的風量配比最優(yōu)；從技術(shù)性角度分析，方案二實際操作起來比較簡易，可實施性強且對礦井正常生產(chǎn)影響較?。粡慕?jīng)濟合理性比較，方案二的經(jīng)濟輸出小于方案一；從綜合性分析來看，方案二的性能優(yōu)于方案一.由此可見，最佳方案為“方案二”.選定方案后，利用三維動態(tài)仿真軟件iVent進行模擬，對其實施效果進行分析：

(1)滿足礦井總需風量需求，各水平風量分配合理且滿足其需風量要求；

(2)通風系統(tǒng)所有巷道風速達到規(guī)定要求；

(3)解決了井下循環(huán)風流的影響，提高了整個系統(tǒng)通風效率.

6 結(jié)論

(1)借助三維動態(tài)通風仿真軟件iVent，分析與診斷某金屬礦通風系統(tǒng)存在風量分布不均衡、巷道風流超速、風流串聯(lián)、循環(huán)風以及通風網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復雜等問題，從而使整個通風系統(tǒng)通風效果不佳且能耗較高.

(2)針對通風系統(tǒng)中存在的問題，充分利用已有的通風調(diào)控設(shè)施，即通過增加構(gòu)筑物、輔扇以及擴刷斷面等技術(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)濟兩方面，對兩方案進行對比分析，確定出方案二為最佳方案.

(3)對最佳方案二進行效果模擬分析，方案二不僅滿足礦井總需風量要求，且各水平的風量分配合理，解決了巷道超速與井下循環(huán)風問題，實現(xiàn)了井下按需通風并降低了通風能耗.