趙小稚,崔 崳,王敬志
(1.山東理工大學(xué),山東 淄博 255091;2.招遠(yuǎn)市曹家洼金礦,山東 招遠(yuǎn) 265415)
隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā),我國(guó)的淺表礦床及開采技術(shù)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的礦床儲(chǔ)量不斷消耗,迫使大多數(shù)礦山轉(zhuǎn)入深部或復(fù)雜礦床的開采[1]。我國(guó)采礦界一般認(rèn)為,開采深度在600~2000m為深井開采[2],開采深度超過2000m的稱為超深礦井。深井開采中,突出的一個(gè)問題是井下熱環(huán)境惡化。礦井熱環(huán)境是指地下采掘空間中的微氣候(溫度、濕度、風(fēng)速和熱輻射)對(duì)人體散熱的綜合影響與作用,人們習(xí)慣把惡劣的熱環(huán)境稱為熱害。隨著礦井開采深度和范圍的逐漸增加,各種熱源(圍巖冷卻、空氣壓縮、氧化過程、機(jī)械設(shè)備做功等)的放熱作用、擴(kuò)散過程和其它原因,使井下溫度越來越高,高溫礦井?dāng)?shù)目日益增多,而且危害程度也日趨嚴(yán)重[3]。另一方面,隨著開采范圍和深度的增加,礦井通風(fēng)網(wǎng)路也越來越復(fù)雜。尤其是同時(shí)存在高溫?zé)岷εc礦井延伸等因素的礦井,其礦井通風(fēng)網(wǎng)路極其復(fù)雜[4]。因此,應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析深井開采通風(fēng)系統(tǒng)及其熱環(huán)境將更為科學(xué)準(zhǔn)確,也是十分必要的。
早在1953年,Scott和Hinsley采用計(jì)算機(jī)解決礦井通風(fēng)網(wǎng)路解算問題,這是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)解決礦井通風(fēng)問題的開端。涉及礦井通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而得到了很大的發(fā)展。目前,國(guó)際上很有影響的礦井通風(fēng)系統(tǒng)仿真軟件有 VentPC2000,MinTeeh 和 DataMine[5]以及Ventsim等。在國(guó)內(nèi),有代表性的是有關(guān)高校開發(fā)研制的MVSS礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng),在多家礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造和設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。
曹家洼金礦于1989年11月投產(chǎn),為采選聯(lián)合企業(yè),目前正在開采的小尹格莊礦段開采深度超過800m,現(xiàn)有-450~-600共6個(gè)中段作業(yè),其中-570、-600中段的風(fēng)溫接近30℃,個(gè)別作業(yè)面風(fēng)溫甚至達(dá)到32℃。因此,該礦已出現(xiàn)一定程度的高溫?zé)岷顩r,致使工人的勞動(dòng)條件趨于惡化,勞動(dòng)生產(chǎn)效率降低,這已成為制約該礦安全高效開采的一個(gè)亟待解決的問題。本文將應(yīng)用Ventsim三維礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)分析曹家洼金礦深部開采的熱環(huán)境,同時(shí)提出礦井通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)降溫方案。
Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)以其良好的可視化效果和簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn),逐漸成為礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)和通風(fēng)管理最強(qiáng)有力的工具,是集通風(fēng)三維仿真、井下環(huán)境模擬分析于一體,可以同時(shí)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行三維顯示、通風(fēng)解算、風(fēng)機(jī)選型、熱模擬、污染物模擬及經(jīng)濟(jì)性分析的綜合模擬軟件[6]。
該系統(tǒng)考慮的熱參數(shù)主要包括圍巖和地下水的熱量和濕度、不同種類巖石的熱性質(zhì)、點(diǎn)源熱量、線源熱量、柴油機(jī)熱量以及礦石的氧化作用產(chǎn)生的熱量、空氣自動(dòng)壓縮產(chǎn)生的熱量、空氣的制冷和局部降溫,井下隨深度、溫度和通風(fēng)壓力變化而變化的空氣密度、考慮空氣密度變化的自然風(fēng)壓、諸如除塵水霧的人工加濕、飽和空氣的壓縮等因素[7]。
圖1 曹家洼金礦開拓系統(tǒng)示意圖
曹家洼金礦小尹格莊礦段內(nèi)主要斷裂為招平斷裂帶,礦體賦存于主裂面以下50m范圍內(nèi);構(gòu)造帶自上而下分別為碎裂巖、糜棱巖、斷層泥、絹英巖、絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、鉀化碎裂狀花崗巖等。小尹格莊礦段所處構(gòu)造破碎帶富水性差,補(bǔ)給條件差,屬水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的礦床。曹家洼金礦所在的招遠(yuǎn)市屬于暖溫帶季風(fēng)型大陸型半濕潤(rùn)氣候區(qū),多年(1971~2000年)平均氣溫為12℃,最熱月平均氣溫22℃。
根據(jù)地溫測(cè)量所得數(shù)據(jù)及當(dāng)?shù)氐責(zé)崽匦訹8]并參考《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法》(DZ40-85),用于井下熱環(huán)境分析所用的熱參數(shù)有:恒溫帶巖溫20℃,地溫梯度1.82℃/100m,巖石綜合導(dǎo)熱系數(shù)2.59W/m℃,圍巖比熱容839J/kg℃,巖石密度2.81kg/m3,圍巖潮濕系數(shù)0.17,圍巖散熱性0.941。
將上述參數(shù)錄入Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)工程環(huán)境數(shù)據(jù)庫。
曹家洼金礦開拓系統(tǒng)見圖1,小尹格莊礦段設(shè)計(jì)開采深度達(dá)-660m。原有通風(fēng)系統(tǒng)為中央對(duì)角式通風(fēng),1號(hào)、2號(hào)豎井進(jìn)風(fēng),1號(hào)斜井回風(fēng)。1號(hào)豎井進(jìn)風(fēng)經(jīng)2號(hào)斜井,由-265中段措施巷到達(dá)3號(hào)豎井大巷;2號(hào)豎井進(jìn)風(fēng)經(jīng)-265m南大巷進(jìn)入3號(hào)豎井大巷,然后通過3號(hào)豎井送入小尹格莊礦段各中段;其中-450中段、-510中段由-480中段進(jìn)風(fēng),-570中段由-600中段進(jìn)風(fēng)。污風(fēng)經(jīng)由6號(hào)、5號(hào)斜井和-265m回風(fēng)道通過2號(hào)斜井、-85中段回風(fēng)措施巷,由1號(hào)斜井排到地表。整個(gè)系統(tǒng)安裝有5臺(tái)37kW通風(fēng)機(jī),分別安裝在-480、-510、-540中段回風(fēng)端斜井石門和-265m回風(fēng)道及-85中段回風(fēng)措施巷中。
經(jīng)測(cè)定分析,原有通風(fēng)系統(tǒng)存在風(fēng)流路線紊亂,污風(fēng)串聯(lián)嚴(yán)重,用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量小,風(fēng)機(jī)安裝位置不合理等問題。
將礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖(CAD格式)繪制成單線圖(DXF格式),然后將單線圖導(dǎo)入Ventsim系統(tǒng),建立礦井通風(fēng)二維視圖。輸入完風(fēng)路的標(biāo)高、斷面尺寸等基本參數(shù),Ventsim軟件會(huì)自動(dòng)生成礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維視圖,在已設(shè)定礦井大氣物理參數(shù)和熱參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過運(yùn)行“熱模擬”,即可獲得井下熱環(huán)境的仿真分析結(jié)果。
原有通風(fēng)系統(tǒng)中-450~-600m各中段的熱環(huán)境分析結(jié)果見表1。
表1 原通風(fēng)系統(tǒng)深部開采中段熱環(huán)境分析結(jié)果表
分析結(jié)果說明,-450、-570副中段缺少直接進(jìn)風(fēng)而循環(huán)風(fēng)嚴(yán)重,整個(gè)中段的風(fēng)溫較高;由于風(fēng)路不合理,造成-600中段無風(fēng),風(fēng)溫升高。井下熱環(huán)境仿真分析的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)基本相符。
對(duì)于深部開采礦井,為了改善其熱環(huán)境和通風(fēng)質(zhì)量,依其熱害和空氣污染的嚴(yán)重程度,一般按如下順序來考慮治理措施:(1)加大風(fēng)量,強(qiáng)化通風(fēng)。(2)隔絕熱源。(3)局部制冷。(4)集中制冷。(5)個(gè)體防護(hù)。采用增加風(fēng)量的方法是高溫礦井最簡(jiǎn)捷、也是最經(jīng)濟(jì)的降溫手段之一。增加風(fēng)量可以大大降低空氣的含熱量,具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是減少環(huán)境對(duì)單位風(fēng)量的加熱量,為進(jìn)一步降低圍巖的放熱強(qiáng)度創(chuàng)造條件,以降低風(fēng)流的溫度;二是提高風(fēng)速,改善井下氣候條件,增加工人的舒適感。隨著流過巷道的風(fēng)量增加,從礦巖中放出的氧化熱和其它熱源放出的熱量,分散在更大數(shù)量的空氣中,使風(fēng)流溫度降低[9]。
從曹家洼金礦通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際情況分析,作業(yè)中段范圍內(nèi)的開采通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化以優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)路,合理布置風(fēng)機(jī),加大作業(yè)區(qū)域風(fēng)量的技術(shù)方法為主。為此,提出了用風(fēng)段分區(qū)回風(fēng)側(cè)多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)。具體做法是(參見圖1),保持通風(fēng)系統(tǒng)整體為中央對(duì)角式不變,針對(duì)礦井多中段同時(shí)作業(yè)的特點(diǎn),將-480~-660m7個(gè)作業(yè)中段劃分為兩個(gè)通風(fēng)分區(qū),-480、-510、-540和 -570為第一分區(qū),其中-480、-510和-540由-540進(jìn)風(fēng)、-570由-600進(jìn)風(fēng),總回風(fēng)由設(shè)置在-480的主扇直接排入5號(hào)斜井。第二分區(qū)-600、-630、-660中段統(tǒng)一從-660進(jìn)風(fēng),總回風(fēng)由安裝在-570的主扇排入6號(hào)斜井,經(jīng)由-510北翼的巷道進(jìn)入5號(hào)斜井排走。形成2臺(tái)主扇對(duì)5號(hào)斜井的并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)。
考慮到井下進(jìn)風(fēng)段行人運(yùn)輸頻繁,為了避免行人運(yùn)輸與通風(fēng)之間的相互影響,選擇在通風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)側(cè)取多級(jí)機(jī)站抽出式通風(fēng)方式。Ⅲ級(jí)機(jī)站由-480主扇和-570主扇組成,2臺(tái)主扇分別對(duì)作業(yè)區(qū)域的兩個(gè)通風(fēng)分區(qū)作抽出式通風(fēng);Ⅳ級(jí)機(jī)站主扇安裝在-55m總回風(fēng)道內(nèi)。
用風(fēng)段兩通風(fēng)分區(qū)相對(duì)獨(dú)立,通風(fēng)阻力也相對(duì)較低,風(fēng)量大幅增加,有利于深部開采通風(fēng)降溫;另外,系統(tǒng)的回風(fēng)側(cè)布置機(jī)站不影響礦井生產(chǎn)的行人運(yùn)輸。
針對(duì)曹家洼金礦深部采礦通風(fēng)降溫方案的熱環(huán)境,應(yīng)用Ventsim軟件進(jìn)行模擬分析,圖2表現(xiàn)了分析模型的一部分,其結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列于表2中。
圖2 曹家洼金礦熱模擬模型局部示意圖
表2 通風(fēng)降溫方案熱環(huán)境分析結(jié)果表
模擬結(jié)果表明,所制定的通風(fēng)系統(tǒng)方案降溫明顯。從方案實(shí)際實(shí)施的情況看,曹家洼金礦小尹格莊礦段的總進(jìn)風(fēng)量比原系統(tǒng)增加了42%,達(dá)到了通風(fēng)降溫的預(yù)期目標(biāo),同時(shí)避免了污風(fēng)串聯(lián)和循環(huán)風(fēng),收到了良好的通風(fēng)效果。
(1)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與礦產(chǎn)資源需求的增長(zhǎng),深井采礦的礦山越來越多,尤其是金屬礦山。能否有效解決深井采礦中熱環(huán)境趨于惡化的問題,是地下礦開采不斷向更大深度發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵制約因素。深井采礦的熱環(huán)境具有復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn),用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析研究這類問題具有科學(xué)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
(2)Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)以其良好的可視化效果和科學(xué)實(shí)用的特點(diǎn),對(duì)礦井通風(fēng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬,以及井下熱環(huán)境、污染物遷移等的仿真分析,為礦井通風(fēng)專業(yè)人員優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、防范通風(fēng)事故、實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化管理,提供了一個(gè)十分先進(jìn)實(shí)用的方法和工具。
(3)基于Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用,為解決曹家洼金礦深部開采存在一定程度熱害的問題所提出的通風(fēng)降溫方案,增風(fēng)顯著,降溫明顯,收到了很好的通風(fēng)效果。
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