聶興信 高 建 郭進平 付小艷 趙好瑞

(西安建筑科技大學資源工程學院,陜西 西安 710055)

礦井通風系統(tǒng)是礦山開采過程中一個必不可少 的部分,合理的通風系統(tǒng)不僅能保證礦山正常生產(chǎn),也能保護礦工安全健康。礦井空區(qū)漏風是影響礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定性和礦井安全生產(chǎn)的重要因素[1]。采空區(qū)通地表漏風會導致井下風流紊亂,出現(xiàn)采場污風和爆破產(chǎn)生的炮煙無法及時排出等問題,因而對井下因空區(qū)漏風因素造成的通風系統(tǒng)紊亂問題進行調(diào)控十分必要[2]。

不同的地表漏風量將形成不同的采空區(qū)流場,進而影響工作面通風系統(tǒng)[3]。近年來,國內(nèi)許多學者對空區(qū)漏風進行了大量研究。李宗翔等[4]采用有限元計算機數(shù)值模擬,結(jié)合圖形顯示技術(shù),以圖形方式繪出了風壓分布等值線和流線,迅速直觀地反映出采空區(qū)流場風壓的分布和風流流動狀況。魏引尚等[5]通過編程將其嵌入到礦井通風網(wǎng)絡(luò)解算模型中,對采空區(qū)漏風分布進行數(shù)值模擬,得出采空區(qū)漏風流場規(guī)律。唐明云等[6]通過Fluent進行流場模擬,發(fā)現(xiàn)進風巷的風流速度遠大于采空區(qū),說明進風巷的大部分風量都經(jīng)工作面流向回風巷,而且隨著采空區(qū)的走向,濾流速度下降較快。高建良等[7]通過對工作面物理模型考慮為多孔介質(zhì)區(qū)域、真實情況、支架與多孔介質(zhì)區(qū)域,結(jié)合3種條件下的工作面及采空區(qū)流場進行分析,建立了工作面物理模型設(shè)置情況下的工作面空間流場分布模型。目前,對于空區(qū)漏風問題使用數(shù)值模擬方法分析較多,對空區(qū)通地表漏風具體的流動規(guī)律研究較少。本研究通過Fluent數(shù)值模擬研究漏風通道與工作面的距離、漏風通道速度大小對工作面的影響及風流流動規(guī)律。根據(jù)數(shù)值模擬規(guī)律,針對承德銅礦采空區(qū)通地表漏風實際情況,采用構(gòu)建通風系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)值模擬分析空區(qū)通地表漏風規(guī)律、優(yōu)化通風系統(tǒng)方案等技術(shù)手段,解決礦山在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的采空區(qū)漏風問題。

1 礦山通風系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 通風系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前承德銅礦生產(chǎn)規(guī)模為60萬t/a,采用主、副井、平硐以及下五至下十一采用盲豎井開拓方式,采礦方法為有底柱分段崩落法[8]。礦山采用單翼對角抽出式多風機通風系統(tǒng)[9]。隨著開采不斷地進行,作業(yè)采場面積不斷擴大,上部已形成大量的采空區(qū),目前出現(xiàn)了采空區(qū)通地表漏風情況[10]。漏風導致井下風流紊亂,出現(xiàn)采場污風和爆破產(chǎn)生的炮煙無法及時排出等問題,嚴重影響了礦井正常通風。

承德銅礦采用副井、主平硐→盲豎井→下五中段→下八至下十一中段到達生產(chǎn)作業(yè)面的通風網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。新鮮風流經(jīng)上述風路到達下八中段至下十一中段等主要生產(chǎn)中段,清洗工作面后的炮煙,粉塵沿下八、下九中段風機回風,通過小北溝主回風機站風機作用排出,其中小北溝風機型號為DK40-6-№17,風機額定功率為150 kW,下八風機型號為K40-4-№13,風機額定功率為72 kW。

圖1 通風系統(tǒng)現(xiàn)狀Fig.1 Status of the ventilation system

目前通風問題主要是礦井通風系統(tǒng)下五、下六采空區(qū)相互貫通,造成井下污風串流,并且下五中段47號線附近有一空區(qū)漏風口,可以觀察到空區(qū)與地表連通的天窟。礦山通風系統(tǒng)的總風量為46.2 m3/s,通風系統(tǒng)的總進風量為30.2 m3/s,下五中段采空區(qū)漏風量為16m3/s,下六中段漏風量為4m3/s,約占通風系統(tǒng)總風量的44%。

1.2 通風系統(tǒng)紊亂致因分析

通過對地表進風口、出風口和下五以下中段通風系統(tǒng)測定,以及采空區(qū)漏風情況等進行全面調(diào)查,造成通風系統(tǒng)紊亂的主要原因有3個方面:

(1)空區(qū)漏風。從測試結(jié)果來看,空區(qū)進風直接在下五中段47號線可以觀察到地表天窗,而下七中段漏風和其他中段漏風是該空區(qū)與廢棄采場未封堵巷道相連通造成的。

(2)風流短路。由于風機設(shè)置不合理,回風井內(nèi)的風機前后風路相通,且回風線路風阻大于短路風流線路風阻,造成風流循環(huán),風機不能發(fā)揮作用,導致風流短路。

(3)分區(qū)循環(huán)通風。下五中段空區(qū)與回風平硐口形成分區(qū)通風系統(tǒng),該通風線路造成井下風機不能作用到井下作業(yè)點。下五中段空區(qū)與副井形成分區(qū)通風系統(tǒng),該通風系統(tǒng)是井下安全出口井,沒有新鮮風流進入。

1.3 采空區(qū)漏風特征

(1)“喘吸”漏風現(xiàn)象。采空區(qū)多位于正在作業(yè)的采掘工作面上部,采取密閉、充填等措施也無法隔絕內(nèi)外空氣的聯(lián)系,如圖2所示,機械式通風系統(tǒng)風壓的變化必然要影響采空區(qū)內(nèi)氣體的變化[11],形成采空區(qū)氣體的“喘吸”現(xiàn)象。

圖2 空區(qū)漏風線路Fig.2 Air leakage line of goaf

(2)機械通風局部循環(huán)現(xiàn)象。由于風機設(shè)置不合理,回風井內(nèi)的風機前后風路相通,通風阻力小,且回風線路風阻大于短路風流線路風阻,造成風流循環(huán),導致風流短路,使新鮮風無法從進風巷道進入工作面,如圖3所示。

圖3 風流短路原理Fig.3 Principal of air short circuit

(3)通風系統(tǒng)風壓失衡現(xiàn)象。在生產(chǎn)過程中由于爆破導致采空區(qū)覆蓋層冒落,使采空區(qū)與地表相通,形成空區(qū)通地表漏風[12],破壞了原有工作面的通風系統(tǒng),導致工作面的壓差,風速大小發(fā)生改變,巷道風流出現(xiàn)紊亂,會嚴重破壞原通風系統(tǒng)的有效性和風流的穩(wěn)定性。

1.4 誘導通風思路

通風網(wǎng)絡(luò)中一般有漏風通道存在,并存在壓差時,就會出現(xiàn)空區(qū)漏風。當漏風通道無法通過充填、封堵且與地表相通時,可考慮通過風壓平衡原理來減少漏風通道漏風,從而改變礦井通地表采空區(qū)漏風方向及漏風量大小。

(1)為減少空區(qū)漏風,在回風線路中,將通地表采空區(qū)假設(shè)為一條理想巷道,進而提出了利用通地表采空區(qū)誘導通風的思路。

(2)在采空區(qū)附近進行空氣幕局部封堵,構(gòu)成誘導措施,將漏風采空區(qū)與其他中段形成分區(qū)通風,為誘導通地表采空區(qū)回風奠定基礎(chǔ)。

(3)將漏風通道加入通風網(wǎng)絡(luò)中,在風向最易改變點來誘導通地表采空區(qū)回風,形成誘導通風系統(tǒng),從而對當前通風系統(tǒng)進行優(yōu)化完善,實現(xiàn)對采空區(qū)漏風的控制。

2 采空區(qū)通地表漏風數(shù)值模擬

2.1 幾何模型構(gòu)建

根據(jù)礦山現(xiàn)場情況,選取工作面的進、回風巷道以及工作面巷道進行分析。采空區(qū)模型參數(shù)見表1。采空區(qū)三維物理模型以工作面進風巷道、采空區(qū)走向巷道底面交點為坐標原點,X軸正方向為進風巷方向,Y軸正方向為工作面方向,Z軸正方向垂直向上[13],建立了如圖4所示的采空區(qū)三維模型。

表1 采空區(qū)模型參數(shù)Table 1 Parameters of goaf model

圖4 采空區(qū)三維模型Fig.4 Three-dimensional model of goal

在數(shù)值模擬中,采空區(qū)模型采用孔隙介質(zhì)模型,巷道模型則全部充滿不可壓理想氣體,無孔隙介質(zhì)。生成的采空區(qū)三維模型共有網(wǎng)格21 560個,其中工作面巷道有網(wǎng)格1 123個,采空區(qū)內(nèi)網(wǎng)格有19 687個,漏風通道生成計算網(wǎng)格750個,如圖5所示。

圖5 采空區(qū)三維模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh division of three-dimensional model of goaf

模型邊界條件及數(shù)值求解方法設(shè)定如表2、表3所示。

表2 模型條件設(shè)定Table 2 Setting of model condition

表3 模型求解方法設(shè)定Table 3 Solving method setting of the model

2.2 空區(qū)通地表漏風規(guī)律分析

本研究利用FLUENT[14]軟件按照上述邊界條件和網(wǎng)格劃分結(jié)果進行數(shù)值模擬,研究采空區(qū)與工作面之間采空區(qū)風流速度和工作面風流速度流線情況,結(jié)果如圖6所示。

圖6 風速流線圖Fig.6 Streamline diagrams of wind speed

由圖6可知:采空區(qū)通地表漏風由漏風通道進入采空區(qū)[15],當距工作面較近時,在漏風通道和工作面的采空區(qū)風流大致呈“U”形流動,越靠近工作面風流越大,有一部分風向進風巷道流動,會造成工作面風流紊亂,有小部分風流從漏風通道向采空區(qū)后方移動。

利用FLUENT軟件按照上述邊界條件和網(wǎng)格劃分結(jié)果進行了數(shù)值模擬,分析不同漏風量的漏風通道下采空區(qū)風流速度情況,結(jié)果如圖7所示。

圖7 采空區(qū)風速流線圖Fig.7 Streamline diagrams of wind speed in goaf

由圖7可知:采空區(qū)通地表漏風由漏風通道進入采空區(qū),當漏風速度較小時,在漏風通道和工作面的采空區(qū)風流大致呈“U”形流動,越靠近工作面風流越大,有一部分風流向進風巷道流動,會造成工作面風流紊亂,有小部分風流從漏風通道向采空區(qū)后方移動;當漏風速度較大時,在漏風通道和工作面的采空區(qū)風流大致呈“U”形流動。風流流動規(guī)律表現(xiàn)為:靠近漏風通道時速度較大,在向工作面移動過程中先速度減小而后在靠近工作面的時候速度越來越大,有一部分風向進風巷道流動,會造成工作面風流紊亂,有小部分風流從漏風通道向采空區(qū)后方移動。

3 誘導通風系統(tǒng)

3.1 優(yōu)化方案

首先根據(jù)該礦井實際情況,擬采用分區(qū)通風系統(tǒng)來控制空區(qū)漏風,將通風系統(tǒng)建立成上、下兩個通風網(wǎng)絡(luò)。由于采空區(qū)與地表連通,采空區(qū)上、下盤巖石為花崗巖和大理巖,采空區(qū)穩(wěn)定性較好且采空區(qū)與地面連通,采空區(qū)通透性較好,故提出利用通地表采空區(qū)誘導通風的思路。根據(jù)漏風通道與工作面之間的采空區(qū)風流和不同漏風量下采空區(qū)風流大致呈“U”形流動的特征,選擇“U”形中間區(qū)域速度最小、風向最易改變點來誘導通地表采空區(qū)回風,從而設(shè)計了通地表采空區(qū)作為獨立回風井的分區(qū)通風系統(tǒng)方案,如圖8所示。

圖8 誘導通風系統(tǒng)示意Fig.8 Schematic of induced ventilation system

井下通風系統(tǒng)風流紊亂主要是由于空區(qū)漏風、風流短路以及風機配置不合理等因素所致,首先解決空區(qū)漏風問題,根據(jù)所測數(shù)據(jù),對空區(qū)漏風和廢棄采場進行封堵。具體措施為:

(1)在下五中段和下六中段31號線附近安裝風門,為采用分區(qū)通風系統(tǒng)打好基礎(chǔ)。

(2)在下五中段和下六中段采空區(qū)漏風47號線附近進行局部封堵,在下六中段和下七中段連通處進行局部封堵,將漏風采空區(qū)與下七至下十一中段進行分區(qū),為誘導通地表采空區(qū)回風奠定基礎(chǔ),形成通地表采空區(qū)獨立回風的分區(qū)通風系統(tǒng)方案。

(3)在下六中段49號線選擇合適位置安裝FBCDZ-6-№19B風機,風機裝機功率為260 kW,葉片安裝角度為46°/37°,將下八至下十一采場的污風通過回風井排出地表。

(4)選擇距工作面75～80 m的采空區(qū)區(qū)域風向最易改變點來誘導通地表采空區(qū)回風,實現(xiàn)通地表采空區(qū)作為獨立回風井的分區(qū)通風系統(tǒng)方案。

3.2 方案效果分析

以礦井下五中段作業(yè)面為例,通過構(gòu)建采空區(qū)三維物理模型,方案實施前后的工作面風速流線圖如圖9所示。得出方案實施后工作面風量從3.2 m3/s增加至6.58 m3/s(表4),可以滿足礦山的正常生產(chǎn)需求,井下風流紊亂現(xiàn)象幾乎不再出現(xiàn),工作環(huán)境顯著改善,礦山有效風量明顯提高。此外,下五工作面風流速度仿真結(jié)果(6.84 m3/s)與現(xiàn)場實測結(jié)果(6.58 m3/s)差別較小(表5)。

表4 現(xiàn)場實測結(jié)果Table 4 Field measurement results

圖9 下五工作面風速流線圖Fig.9 Streamline diagrams of wind speed in lower fifth working face

表5 仿真模型效果Table 5 Simulation model effects

方案實施前后下八至下十中段主要用風點的風量對比如圖10所示。由圖10可知:應(yīng)用風向最易改變點誘導通地表采空區(qū)回風,來實現(xiàn)通地表采空區(qū)作為獨立回風井的分區(qū)通風系統(tǒng)方案后,主要用風區(qū)風量明顯增加,緩解了礦井空區(qū)漏風,井下通風效果得到明顯改善。通過下八至下十中段主要用風點仿真結(jié)果和方案實施后風量對比(圖11)可知,仿真結(jié)果與實測結(jié)果基本一致。

圖10 方案實施前后主要用風點風量對比Fig.10 Comparison of air volume at main air points before and after implementation of the scheme

圖11 仿真結(jié)果與方案實施后風量對比Fig.11 Comparison of simulation results and air volume after implementation of the scheme

通過對該礦采空區(qū)通地表漏風區(qū)域?qū)嵤┱T導通風方案后,井下通風效果得到明顯改善[16],表現(xiàn)在:①增大了礦井總風量,緩解了礦井漏風、風流短路和污風串流問題,經(jīng)過測量,工作面風量由3.2 m3/s提高到6.58 m3/s;② 減少了巷道粉塵污染,加快了采場爆破后炮煙的排出,提高了通風系統(tǒng)的有效風量效率,大幅改善了礦井下部分區(qū)作業(yè)面的通風效果,能夠滿足礦井正常作業(yè)要求。

4 結(jié) 論

通過對承德銅礦采空區(qū)通地表漏風控制技術(shù)的研究,采用誘導通地表采空區(qū)回風實現(xiàn)通地表采空區(qū)作為獨立回風井的分區(qū)通風系統(tǒng)方案,誘導通地表采空區(qū)回風,充分利用現(xiàn)有的井巷和風機,對空區(qū)進行封堵,減少了風流短路,大大降低了回風井的通風阻力,保障了通風效果。研究得到以下結(jié)論:

(1)在采空區(qū)穩(wěn)定性和透氣性好的基礎(chǔ)上,將誘導通地表采空區(qū)用作通風系統(tǒng)回風,總體優(yōu)化通風網(wǎng)絡(luò),對于確保礦井安全生產(chǎn)以及改善礦工工作環(huán)境具有重要意義。

(2)采用分區(qū)通風是通風系統(tǒng)優(yōu)化的有效方式,增設(shè)風機和對空區(qū)進行封堵是通風系統(tǒng)優(yōu)化的有效思路。

(3)通過Fluent軟件實現(xiàn)對采空區(qū)通地表礦井漏風的數(shù)值模擬分析,總結(jié)漏風通道與工作面的距離和漏風通道的漏風速度對空區(qū)通地表漏風的影響規(guī)律,并據(jù)此建立采空區(qū)模型,對通風方案實施效果進行仿真分析,是解決礦山在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)采空區(qū)漏風問題的有效手段。