復(fù)雜多機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)方案設(shè)計(jì)及模擬

楊鐵江 李 明 馬宏偉 王中利

（1.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東淄博255000；2.中礦金業(yè)股份有限公司，山東招遠(yuǎn)265400）

礦井火災(zāi)具有巨大的毀滅性和破壞性，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)［1-2］。火災(zāi)煙氣通過礦井通風(fēng)系統(tǒng)排出地表，完善的通風(fēng)系統(tǒng)是礦井火災(zāi)防治與煙氣疏導(dǎo)的基礎(chǔ)［3-4］。在地下金屬礦山通風(fēng)中發(fā)生火災(zāi)后，通常采取反風(fēng)措施，對于通風(fēng)機(jī)站和風(fēng)機(jī)較少的通風(fēng)系統(tǒng)，一般以全礦性反風(fēng)為主，對于采用多（級）機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)的礦山，主通風(fēng)系統(tǒng)的每一臺風(fēng)機(jī)都應(yīng)滿足反風(fēng)要求，以保證整個系統(tǒng)可以反風(fēng)［5-6］。針對多中段多主通風(fēng)機(jī)礦井反風(fēng)技術(shù)與安全操作的復(fù)雜性，武新文等［7］開展了多風(fēng)井多主通風(fēng)機(jī)礦井反風(fēng)技術(shù)分析與安全性研究，為礦井反風(fēng)安全實(shí)施提供了技術(shù)指導(dǎo)；張玉華等［8］利用全礦井反風(fēng)技術(shù)解決了大浞河鐵礦副井結(jié)冰問題，既滿足了生產(chǎn)要求，又為提升系統(tǒng)運(yùn)行提供了安全保障；李衛(wèi)國等［9］開展了多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)方法研究，為采用多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)的礦山提供了安全高效的反風(fēng)試驗(yàn)操作依據(jù)，有助于確保通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速、可靠反風(fēng)；鄭寶鑫［10］開展了局部反風(fēng)研究，解決了因配套設(shè)施可靠性局限、可操作性差，其應(yīng)用范圍僅局限在壓差較小的工作面巷道之間，無法布置在進(jìn)回風(fēng)大巷之間的問題。目前，礦井反風(fēng)研究主要集中于通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)反風(fēng)響應(yīng)時間和反風(fēng)風(fēng)量［11-12］。對于多中段同時作業(yè)、多機(jī)站同時運(yùn)行等通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜的礦山反風(fēng)的研究還應(yīng)包括反風(fēng)區(qū)域劃分、反風(fēng)方式選擇、火風(fēng)壓等［13-14］。現(xiàn)階段，礦井反風(fēng)研究仍處于探索性階段，缺少科學(xué)合理的研究方法與工具［15-16］。

本研究以玲南金礦多中段生產(chǎn)和復(fù)雜多機(jī)站通風(fēng)為研究背景，提出了區(qū)域反風(fēng)技術(shù)方案，并利用Ventsim仿真平臺模擬反風(fēng)時期礦井風(fēng)流動態(tài)變化，開展了現(xiàn)場反風(fēng)試驗(yàn)，驗(yàn)證區(qū)域反風(fēng)技術(shù)方案實(shí)施效果，為礦井建立安全可靠的反風(fēng)系統(tǒng)提供可靠參考。

1 井下通風(fēng)現(xiàn)狀

（1）通風(fēng)方式。玲南金礦采用豎井、盲豎井聯(lián)合開拓方式，通風(fēng)系統(tǒng)采用單翼對角抽出式多機(jī)站通風(fēng)，礦井總風(fēng)量105.2 m3/s，作業(yè)中段實(shí)行間隔式上下行通風(fēng)。上、下相鄰中段分別承擔(dān)進(jìn)回風(fēng)功能。新鮮風(fēng)流分別從主豎井，1#豎井和斜坡道進(jìn)入井下生產(chǎn)區(qū)域，沿進(jìn)風(fēng)水平采場通風(fēng)井進(jìn)入采場，清洗工作面后的污風(fēng)經(jīng)采區(qū)回風(fēng)天井回至上（下）中段回風(fēng)水平。沖洗工作面污風(fēng)由采場通風(fēng)天井排到上中段回風(fēng)巷或直接由本中段回風(fēng)巷進(jìn)入倒段回風(fēng)井，沿倒段回風(fēng)井、8#穿脈箕斗井和東風(fēng)井排出地表。

（2）機(jī)站布置。根據(jù)礦井采場及巷道走向分布，共設(shè)置8個機(jī)站，9臺風(fēng)機(jī)。主回風(fēng)機(jī)站1個，位于-370 m中段東風(fēng)井回風(fēng)巷，并聯(lián)安裝2臺DK45-6-№19風(fēng)機(jī)。輔助進(jìn)風(fēng)機(jī)站6個，分別位于盲主井-610 m中段馬頭門，運(yùn)行1臺K40-6-№12風(fēng)機(jī)；盲主井-690 m中段馬頭門，運(yùn)行1臺K40-6-№13風(fēng)機(jī)；盲主井-770 m中段馬頭門，運(yùn)行1臺K40-6-№13風(fēng)機(jī)；盲主井-850 m中段馬頭門，運(yùn)行1臺K40-6-№13風(fēng)機(jī)；盲主井-930 m中段馬頭門，運(yùn)行1臺K40-4-№10風(fēng)機(jī)；-690 m中段10#穿脈，運(yùn)行1臺K40-6-№15風(fēng)機(jī)。輔助回風(fēng)機(jī)站1個，位于8#穿脈箕斗井-770 m中段回風(fēng)巷，運(yùn)行1臺K40-6-№15風(fēng)機(jī)。

2 反風(fēng)方案設(shè)計(jì)

2.1 玲南金礦著火點(diǎn)分析

因火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)的不同，火災(zāi)煙氣處理辦法不同。根據(jù)玲南金礦通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流分配及火災(zāi)處理措施，將該礦通風(fēng)路線劃分為進(jìn)風(fēng)路線和回風(fēng)路線。進(jìn)風(fēng)路線為：①地表→1#豎井→1#盲豎井→2#盲豎井下到生產(chǎn)區(qū)域；②地表→主豎井→盲主井→生產(chǎn)區(qū)域。回風(fēng)路線為采場天井→中段回風(fēng)巷→倒段回風(fēng)井→8#穿脈箕斗井→東風(fēng)井→地表。

進(jìn)風(fēng)路線為礦山井下作業(yè)人員、材料通行的主要通道。井筒內(nèi)提升設(shè)施、信號硐室、卷揚(yáng)硐室均為火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)?；仫L(fēng)路線上的火工品發(fā)放站、井下高低壓變電所、礦（廢）石裝載站、提升井筒及無軌運(yùn)輸設(shè)備為火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)。

2.2 進(jìn)風(fēng)路線火災(zāi)反風(fēng)方案

著火點(diǎn)位于進(jìn)風(fēng)路線時，火災(zāi)高溫?zé)煔庠陲L(fēng)機(jī)風(fēng)壓的作用下沿著通風(fēng)路線蔓延。為控制煙氣蔓延并沿最短路徑排出井下，設(shè)計(jì)了區(qū)域性反風(fēng)技術(shù)方案。通過改變風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)反風(fēng)。玲南金礦進(jìn)風(fēng)側(cè)發(fā)生火災(zāi)后，主豎井-610 m中段、-690 m中段、-770 m中段、-850 m中段、-930 m中段安設(shè)的進(jìn)風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，反轉(zhuǎn)-370 m中段東風(fēng)井回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)，-770 m中段8#穿脈箕斗井回風(fēng)巷及-690 m中段10#穿脈巷風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。

之所以采取上述措施，是因?yàn)椋孩俜崔D(zhuǎn)-370 m中段回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)，可以盡快地改變火災(zāi)煙流方向，使得礦井火災(zāi)煙流等有毒有害氣體以較短的路徑、最短的時間從1#豎井排出；②進(jìn)風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)保持正轉(zhuǎn)，火災(zāi)煙流從1#豎井排出，主豎井、斜坡道處于正壓狀態(tài)，主豎井進(jìn)風(fēng)通道仍保持進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，不影響人員通過主豎井迅速撤離以及救援。

3 反風(fēng)方案模擬解算

3.1 通風(fēng)模型建立及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)玲南金礦井巷形狀規(guī)格與空間位置分布建立了礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型，如圖1所示。為優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，所建模型忽略巷道內(nèi)排水溝、電纜、行人及車輛。風(fēng)門、風(fēng)窗及風(fēng)簾等通風(fēng)構(gòu)筑物的位置及風(fēng)阻參考礦山實(shí)際情況設(shè)置。井巷摩擦阻力系數(shù)及局部阻力系數(shù)取值參考設(shè)計(jì)手冊［17］。

著火點(diǎn)位于-610 m 2#盲井井口，著火材料為橡膠，Ventsim燃燒參數(shù)設(shè)置見表1。解算精度ε<0.1，井下運(yùn)輸設(shè)備分散且功率小，解算過程忽略車輛設(shè)備的散熱。

3.2 礦井反風(fēng)量分析

當(dāng)進(jìn)風(fēng)路線發(fā)生火災(zāi)時，根據(jù)反風(fēng)設(shè)計(jì)方案及具體措施，將通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況代入建立的Ventsim通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行動態(tài)仿真模擬，解算結(jié)果見表2。

玲南金礦采取區(qū)域反風(fēng)措施后，1#豎井和斜坡道由進(jìn)風(fēng)變?yōu)榛仫L(fēng)，主豎井進(jìn)風(fēng)保持不變。東風(fēng)井由回風(fēng)變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)。-370 m回風(fēng)機(jī)站反風(fēng)后，回風(fēng)量由105.2 m3/s變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)63.3 m3/s，占該風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行風(fēng)量的60.2%，符合規(guī)定［18-19］。主風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)10 min內(nèi)，主要進(jìn)、回風(fēng)區(qū)域風(fēng)流能及時反向，符合當(dāng)著火區(qū)域發(fā)生在進(jìn)風(fēng)側(cè)區(qū)域的假設(shè)條件下的風(fēng)流預(yù)期流動方向。

3.3 火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果分析

Ventsim設(shè)置火災(zāi)源后，分別模擬采取反風(fēng)措施和不采取反風(fēng)措施下的火災(zāi)煙氣中CO在井下的分布。分別在進(jìn)風(fēng)路線1#豎井井底石門附近采場和-370 m東風(fēng)井主回風(fēng)機(jī)站附近采場設(shè)置火災(zāi)煙氣監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

發(fā)生火災(zāi)后，未采取反風(fēng)措施時，CO濃度監(jiān)測點(diǎn)為-370 m東風(fēng)井主回風(fēng)機(jī)站；采取反風(fēng)措施后，CO濃度監(jiān)測點(diǎn)為1#豎井井底石門。由圖2可知：未采取反風(fēng)措施時，隨著燃燒的進(jìn)行，CO沿著風(fēng)流路線向井下各用風(fēng)地點(diǎn)擴(kuò)散，在總回風(fēng)處1 600 s時開始測得CO，隨著風(fēng)流的匯總，CO濃度越來越高，在3 500 s時，CO濃度達(dá)到峰值2 830.4×10-6。當(dāng)燃燒結(jié)束后，CO在8 000 s時降低至24.1×10-6。

采取反風(fēng)措施后，風(fēng)流反向，-370 m東風(fēng)井主回風(fēng)機(jī)站未監(jiān)測出CO，1#豎井井底石門在500 s時開始出現(xiàn)CO，在2 500 s時，CO濃度達(dá)到峰值2 914×10-6，在7 500 s時，CO濃度降低至18×10-6。采取反風(fēng)措施后，火災(zāi)煙氣CO不會擴(kuò)散至采場工作面，保障了井下人員安全。

4 現(xiàn)場反風(fēng)實(shí)測

為確保反風(fēng)試驗(yàn)不影響正常安全生產(chǎn)，反風(fēng)試驗(yàn)選在工人交接班時進(jìn)行，以發(fā)煙裝置代替實(shí)際火災(zāi)煙氣，發(fā)煙裝置位于主豎井石門內(nèi)。當(dāng)發(fā)煙器開始發(fā)煙時，巷道內(nèi)的煙氣傳感器報警，-370 m中段回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)，8#穿脈箕斗井-770 m中段回風(fēng)巷風(fēng)機(jī)、-690 m中段10#穿脈巷風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，各測風(fēng)小組開始測量風(fēng)機(jī)反風(fēng)風(fēng)量，反風(fēng)試驗(yàn)流程如圖3所示。

試驗(yàn)測得-370 m中段風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化如圖4所示。風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)風(fēng)量為106.5 m3/s，從正轉(zhuǎn)過渡到反轉(zhuǎn)耗時約4 min，4 min后風(fēng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)，隨著反轉(zhuǎn)時間的增長，反轉(zhuǎn)風(fēng)量緩慢增長，10 min時，風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)風(fēng)量達(dá)到74 m3/s，占正常通風(fēng)量的69.48%。

5 結(jié)論

（1）玲南金礦采用單翼對角抽出式多機(jī)站通風(fēng)，作業(yè)中段實(shí)行間隔式上下行通風(fēng)，全礦共設(shè)機(jī)站8處，運(yùn)行風(fēng)機(jī)9臺。根據(jù)通風(fēng)方式和火災(zāi)可能發(fā)生地點(diǎn)，劃分了進(jìn)、回風(fēng)路線火災(zāi)發(fā)生區(qū)域，對具體區(qū)域范圍內(nèi)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)反風(fēng)進(jìn)行了安全技術(shù)分析。運(yùn)用風(fēng)機(jī)的開停、反轉(zhuǎn)等組合方法，有針對性地解決了平時和火災(zāi)時風(fēng)流流向問題，使可能受波及范圍的人員有足夠的時間按指定線路撤至安全區(qū)域。

（2）采取反風(fēng)措施后，礦井總風(fēng)量為86.2 m3/s，-370 m主回風(fēng)機(jī)站反風(fēng)量為63.3 m3/s，風(fēng)機(jī)反風(fēng)效率為60.2%，風(fēng)機(jī)反風(fēng)量滿足規(guī)范要求?；馂?zāi)煙氣CO沿1#豎井排出，無法擴(kuò)散至火災(zāi)中段以下作業(yè)面，保障了人員安全。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，風(fēng)機(jī)從正轉(zhuǎn)過渡到反轉(zhuǎn)耗時4 min，10 min時，反風(fēng)風(fēng)量為74 m3/s，占正常通風(fēng)量的69.48%，證實(shí)了反風(fēng)方案的有效性。

（3）針對通風(fēng)系統(tǒng)全礦性反風(fēng)難以實(shí)現(xiàn)的礦井（深井大范圍、多中段作業(yè)以及井下進(jìn)、回風(fēng)機(jī)站數(shù)量較多），提出了區(qū)域性反風(fēng)方式，將復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)劃分為多個相對獨(dú)立的小通風(fēng)單元，進(jìn)行區(qū)域性反風(fēng)的思路，比全礦井反風(fēng)、局部反風(fēng)更經(jīng)濟(jì)、更簡單、更容易實(shí)施，是一種技術(shù)可行、安全可靠的方法，可為類似礦井反風(fēng)提供借鑒，具有較好的推廣應(yīng)用價值。