摘 要：針對帕魯特金礦井下通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力過大、循環(huán)風(fēng)嚴(yán)重、深部進風(fēng)不足及風(fēng)流調(diào)控不合理等問題，該研究提出了基于KJ973金屬非金屬礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)的井下通風(fēng)在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)方案，并基于該系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)制定礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案，使用Ventsim軟件數(shù)值模擬優(yōu)化后的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，結(jié)果顯示：優(yōu)化后大部分風(fēng)流經(jīng)西風(fēng)井送至深部采區(qū)，少部分風(fēng)流經(jīng)采區(qū)斜坡道向深部斜坡道流動，為井下各工作面風(fēng)量的分配和調(diào)節(jié)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，同時為其他礦山在數(shù)字化建設(shè)和通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化等方面提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：帕魯特金礦；KJ973礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)；Ventsim礦井通風(fēng)數(shù)值模擬；通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號：TD 72" " 文獻標(biāo)志碼：A

隨著地下礦井開采的不斷延伸，礦井通風(fēng)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，深井開采高溫高濕、通風(fēng)阻力大、風(fēng)量分配不均衡、漏風(fēng)率高等問題愈發(fā)顯現(xiàn)，影響生產(chǎn)效率的同時，對井下作業(yè)人員的健康也造成了不利影響[1]。談國文[2]以南桐煤礦通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象，基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算模型及方法等技術(shù)，開發(fā)了礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可視化動態(tài)解算及預(yù)警系統(tǒng)。齊俊銘等[3]以轉(zhuǎn)龍灣煤礦為研究對象，提出了多元異構(gòu)信息融合的礦井通防系統(tǒng)分階管控模式。魏連江等[4]提出了礦井智能通風(fēng)與災(zāi)變應(yīng)急決策平臺軟件架構(gòu)，在寧夏羊場灣煤礦等地進行測試、完善。張富凱等[5]針對目前通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整失準(zhǔn)等問題，基于計算機軟件開發(fā)等技術(shù)提出了一種礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)方案。

本文針對帕魯特金礦井下通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力過大、循環(huán)風(fēng)嚴(yán)重、深部進風(fēng)不足及風(fēng)流調(diào)控不合理等問題，基于KJ973金屬非金屬礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)得出礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，使用Ventsim軟件數(shù)值模擬優(yōu)化后的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，為井下各工作面風(fēng)量分配和調(diào)節(jié)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 帕魯特金礦概況

帕魯特金礦礦床位于帕魯特河的兩側(cè)，礦體賦存標(biāo)高為2461～1750m，走向近東西，延伸約400m，傾角為70°～垂直，屬急傾斜礦體；主礦體厚度約為8～40m[6]。礦井采用平硐+2條斜坡道+立井的聯(lián)合開拓方式，用斜坡道汽車運輸人員、材料及礦石，主要采礦方法為高分段空場嗣后充填采礦法，帕魯特金礦井下開拓系統(tǒng)如圖1所示。通風(fēng)系統(tǒng)為兩翼對角式通風(fēng)系統(tǒng)，采用抽出式通風(fēng)方式。西風(fēng)井為進風(fēng)盲井，井口位于2230m中段水平，與2230m平硐貫通，井底位于2110m中段水平，深部采區(qū)西風(fēng)井向下延深至1990m中段水平。東風(fēng)井為多中段接力回風(fēng)盲井，東風(fēng)井井口位于地表2385m水平，向下至井底2292m中段水平，東風(fēng)井風(fēng)機硐室設(shè)于此水平，向下接力至2170m中段水平，深部采區(qū)回風(fēng)，東風(fēng)井向下延深至1990m中段水平[7]。東風(fēng)井風(fēng)機硐室已安裝一臺DK54-10-No.30抽出式對旋軸流通風(fēng)機。通風(fēng)機參數(shù)：風(fēng)量Q=110～271m3/s，風(fēng)壓P=864～3264Pa，電機功率2×400kW。目前，帕魯特金礦井下通風(fēng)系統(tǒng)存在通風(fēng)阻力過大、循環(huán)風(fēng)嚴(yán)重、深部進風(fēng)不足及風(fēng)流調(diào)控不合理等問題，亟待解決。

2 礦井通風(fēng)在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)方案

對帕魯特金礦通風(fēng)系統(tǒng)來說，目前通風(fēng)阻力過大、循環(huán)風(fēng)嚴(yán)重、深部進風(fēng)不足及風(fēng)流調(diào)控不合理等問題已經(jīng)凸顯。隨著帕魯特金礦逐漸進入深部開采階段，現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)也將面臨更大的壓力，對淺部及深部通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化已成為井下通風(fēng)管理的重點工作。同時，利用自動化、智能化、可視化技術(shù)，建立礦山通風(fēng)系統(tǒng)智能化管控平臺，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行實時監(jiān)測、按需供風(fēng)以及異常條件下自主決策和調(diào)控，可以顯著提高礦井安全性和通風(fēng)系統(tǒng)多設(shè)備體系管理效率。

2.1 KJ973金屬非金屬礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)

KJ973金屬非金屬礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)是針對我國金屬與非金屬礦山現(xiàn)狀開發(fā)的一套軟、硬件結(jié)合的全礦井生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光纖、環(huán)網(wǎng)交換機、RS485總線等不同通信方式與地面中心站進行數(shù)據(jù)交換，通過快速傳輸數(shù)據(jù)將井下各種子監(jiān)控系統(tǒng)合理地融合為一體，可以對井下有害氣體、人員精確定位、無線通信、視頻監(jiān)控、廣播通信等參數(shù)進行綜合監(jiān)測及管理。該系統(tǒng)主要由地面設(shè)備和井下設(shè)備組成。

2.1.1 地面設(shè)備

地面設(shè)備主要由監(jiān)控主備機、綜合監(jiān)控軟件、語音交換機、環(huán)網(wǎng)交換機、UPS源、打印機、電源避雷器等組成。

2.1.2 井下設(shè)備

井下設(shè)備主要由多功能綜合監(jiān)控分站、環(huán)網(wǎng)交換機、傳感器及線纜輔材等構(gòu)成。

2.1.3 光纖環(huán)網(wǎng)方案

該系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)主要采用光纖環(huán)網(wǎng)方案，以工業(yè)千兆網(wǎng)為核心實現(xiàn)井上、下自動化控制網(wǎng)絡(luò)全礦井管控一體化。以千兆環(huán)網(wǎng)傳輸實現(xiàn)礦山井下有害氣體、人員精確定位參數(shù)進行綜合監(jiān)測。有效地提高了礦井生產(chǎn)自動化和管理現(xiàn)代化水平。實現(xiàn)全礦井的統(tǒng)一管理與數(shù)據(jù)供享。

2.2 礦井通風(fēng)在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

該系統(tǒng)主要由KJ973通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)、KJ973-F2礦用一般型分站、KGF2礦用風(fēng)速傳感器、GFX350礦用風(fēng)向傳感器、地面核心交換機、KJJ63隔爆兼本安環(huán)形網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備組成，對風(fēng)速、負(fù)壓、一氧化碳、煙霧、溫度、風(fēng)門開關(guān)等環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測。

2.2.1 監(jiān)測點布置

根據(jù)帕魯特金礦現(xiàn)生產(chǎn)情況及各中段對通風(fēng)需求不同，初步制定井下風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測方案，設(shè)計風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測點23個，監(jiān)測分站5臺。根據(jù)各監(jiān)測點布置方案，考慮帕魯特后期智慧礦山建設(shè)規(guī)劃，擬采用光纖環(huán)網(wǎng)式通信方案。其中，工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)由地表調(diào)度室核心交換機、2230環(huán)網(wǎng)通信接口、2110環(huán)網(wǎng)通信接口、1990環(huán)網(wǎng)通信接口組成，將各中段監(jiān)測分站就近接入環(huán)網(wǎng)通信交換機中，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時傳輸。環(huán)網(wǎng)交換機、監(jiān)測分站、通風(fēng)傳感器安裝位置見表1。

2.2.2 通信線路建設(shè)

帕魯特金礦通風(fēng)在線監(jiān)測系統(tǒng)通信線路環(huán)網(wǎng)間采用光纖進行通信聯(lián)系，各風(fēng)速、風(fēng)向等傳感器與分站間通過RS485協(xié)議采集信息。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 通風(fēng)現(xiàn)狀及優(yōu)化方案

采用礦井通風(fēng)在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合礦井自然風(fēng)壓作用分析，帕魯特金礦井下實際風(fēng)流進風(fēng)口為2230m平硐、2292m平硐，回風(fēng)口為東風(fēng)井、主斜坡道，進風(fēng)點漏風(fēng)嚴(yán)重。由于帕魯特礦井漏風(fēng)較為嚴(yán)重，因此礦井風(fēng)流較為復(fù)雜，2292m平硐進風(fēng)、2230m平硐進風(fēng)、2170m～2110m斜坡道進風(fēng)均未能按照設(shè)計風(fēng)流路線向深部各中段供風(fēng)，部分通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流紊亂，甚至出現(xiàn)風(fēng)流短路、風(fēng)流停滯現(xiàn)象。

隨著礦山逐步向深部發(fā)展，帕魯特采礦工作面逐漸集中于深部采區(qū)（2050m中段、1990m中段及以下），礦井需風(fēng)地點逐步向深部轉(zhuǎn)移，需要通過主扇風(fēng)機作用向深部采區(qū)穩(wěn)定供送新鮮風(fēng)流。目前的通風(fēng)系統(tǒng)深部采區(qū)送風(fēng)量不足，因此須對帕魯特礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化，通過增加通風(fēng)構(gòu)筑的方式優(yōu)化風(fēng)流線路，達到深部采區(qū)送風(fēng)量增加的目的?？紤]帕魯特金礦開拓運輸方式為汽車運輸，通風(fēng)構(gòu)筑物不可影響井下運輸。隨著礦山逐步向深部發(fā)展，2292m、2230m、2170m、2110m等中分段礦體已回采完成，深部2050m、1990m中段為主要供礦中段，1950m中段為開拓中段，帕魯特金礦需風(fēng)工作面和需風(fēng)量逐漸集中于深部采區(qū)。目前通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量主要通過西進風(fēng)井進入各中分段工作面，再通過東回風(fēng)井回風(fēng)；上部2292m、2230m、2170m等中段漏風(fēng)量較大，而深部采區(qū)工作面風(fēng)量不足，導(dǎo)致深部工作面溫度較高、粉塵較大、車輛尾氣較重、勞動條件差、可視距離短等負(fù)面影響，因此須對帕魯特礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化，將上部風(fēng)量通過主扇風(fēng)機作用向深部采區(qū)穩(wěn)定供送新鮮風(fēng)流，改善生產(chǎn)條件。同時考慮到2110m、2050m、1990m等中段殘礦回收、無軌運輸、方便施工、深部風(fēng)量可調(diào)和優(yōu)化成本的影響，決定利用在上部2292m、2230m、2170m、2110m等中分段增加風(fēng)墻、風(fēng)門、風(fēng)窗等方式優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)。

深部風(fēng)量分配優(yōu)化方案如下。1）在2110m中段西風(fēng)井石門與2110m中段主運岔口處增設(shè)風(fēng)門，可調(diào)節(jié)風(fēng)門開口面積調(diào)整風(fēng)量。2）在2170m中段東風(fēng)井石門增設(shè)風(fēng)門防止風(fēng)流短路。3）將2292m平硐進行封閉，同時封閉地表貫通漏風(fēng)點（封閉2292m中段），提高2230m平硐進風(fēng)量，增加西風(fēng)井進風(fēng)量，提高深部送風(fēng)效率。4）當(dāng)生產(chǎn)重心轉(zhuǎn)移至1990m中段時，在2050m中段東、西風(fēng)井石門處增設(shè)風(fēng)量調(diào)節(jié)風(fēng)門，以控制2050m中段進風(fēng)量，保證1990m中段需風(fēng)量滿足生產(chǎn)需求。

3.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)Ventsim數(shù)值模擬

Ventsim軟件集成通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化仿真建模、通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算、環(huán)境參數(shù)及污染物模擬、循環(huán)風(fēng)檢測管理、采礦能耗經(jīng)濟分析等諸多功能于一體，以通風(fēng)系統(tǒng)的模擬仿真為基礎(chǔ)，可以對通風(fēng)系統(tǒng)進行通風(fēng)設(shè)計、系統(tǒng)反風(fēng)模擬演習(xí)、系統(tǒng)優(yōu)化改造。

3.2.1 三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型建立

根據(jù)帕魯特礦山各中段平面實測圖繪制各通風(fēng)井巷的中心線，并對各中段井巷中線線賦予高程信息，形成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的三維中心線圖形。將帕魯特通風(fēng)井巷中心線三維模型導(dǎo)入礦井通風(fēng)仿真模擬軟件中，形成礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實體。

3.2.2 礦井通風(fēng)模擬

將礦井通風(fēng)在線監(jiān)測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)、巷道斷面參數(shù)、通風(fēng)機功率、擴散器、反風(fēng)系數(shù)等相關(guān)參數(shù)輸入礦山通風(fēng)系統(tǒng)模型，并對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實體賦予井巷斷面尺寸、形狀、通風(fēng)阻力系數(shù)等通風(fēng)屬性參數(shù)。同時，設(shè)置礦井基準(zhǔn)海拔高度、空氣密度、基準(zhǔn)面干球溫度等環(huán)境參數(shù)。帕魯特金礦冬季深部機械通風(fēng)仿真模擬主要進、回風(fēng)井巷風(fēng)量、風(fēng)流及風(fēng)向見表2。夏季深部機械通風(fēng)仿真模擬主要進、回風(fēng)井巷風(fēng)量、風(fēng)流及風(fēng)向見表3。東風(fēng)井主扇風(fēng)機葉片安裝角為35°，將礦井需風(fēng)量設(shè)定為200m3/s左右。

根據(jù)通風(fēng)模擬可知，優(yōu)化后冬季和夏季大部分風(fēng)流經(jīng)西風(fēng)井送至深部采區(qū)，少部分風(fēng)流經(jīng)采區(qū)斜坡道向深部斜坡道流動。在封閉2292m平硐進風(fēng)口后，2230m平硐進風(fēng)量增加，主斜坡進風(fēng)量增加。當(dāng)深部回采時，2110m中段作為深部采區(qū)的主要回風(fēng)平巷，承擔(dān)大部分污風(fēng)回風(fēng)至東風(fēng)井，由于主斜坡道運礦汽車往復(fù)行駛，因此主斜坡道內(nèi)污風(fēng)聚集，在進風(fēng)風(fēng)流帶動下，污風(fēng)進入2110m中段巷道，再經(jīng)2110m東風(fēng)井石門匯入東風(fēng)井，最終排至地表，與主體排污線路一致，無需在主斜坡道內(nèi)額外增加局扇風(fēng)機。

4 結(jié)論

在帕魯特金礦建設(shè)和應(yīng)用KJ973金屬非金屬礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)嘛L(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)量等信息進行在線監(jiān)測和井下通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化，為分配和調(diào)節(jié)井下各工作面風(fēng)量，通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化提供了可靠數(shù)據(jù)。

基于Ventsim數(shù)值模擬礦井通風(fēng)系統(tǒng)可知，優(yōu)化后能夠?qū)⒋蟛糠?292m、2230m、2170m、2110m等中分段風(fēng)流經(jīng)西進風(fēng)井送至2050m、1990m、1950m等中分段工作面，少部分風(fēng)流經(jīng)采區(qū)斜坡道向深部斜坡道流動，后經(jīng)東回風(fēng)井回風(fēng)，達到改善深部工作面通風(fēng)條件的目的，同時為其他礦山在數(shù)字化建設(shè)和通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化等方面提供了借鑒。

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通信作者：劉大可（1990—），男，河南洛陽人，碩士，采礦工程師，主要研究方向為礦山采礦工藝。

電子郵箱：LIUDAKE1990@gmail.com。