挑水河磷礦通風系統(tǒng)三維模型構(gòu)建及優(yōu)化應(yīng)用

柳勇，吳曉明，陳能坤 ，胡建華，周坦

(1.湖北三寧礦業(yè)有限公司， 湖北 宜昌市 443000；2.中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410000)

0 引言

我國磷礦資源整體上多薄少厚，大部分呈緩傾斜儲存[1]。隨著緩傾斜薄礦體開采規(guī)模的增加作業(yè)分散，導(dǎo)致礦山通風系統(tǒng)出現(xiàn)需風點范圍大、通風網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、風流紊亂、風量分配不均等問題。隨著通風解算軟件研究加快，運用解算軟件進行通風系統(tǒng)管理是一大重要趨勢。利用三維通風模擬軟件，可以對井下風網(wǎng)進行快速模擬，準確反饋井下各項通風參數(shù)的變化，為通風系統(tǒng)的優(yōu)化提供重要依據(jù)[2]。

1 工程背景及問題分析

湖北三寧挑水河磷礦是正在開采的一座磷礦山，預(yù)計儲量2億噸，礦體賦存范圍為海拔81.67～614.75 m，礦體平均厚度4 m，整體呈緩傾斜賦存，屬于大范圍緩傾斜薄礦。

1.1 通風系統(tǒng)現(xiàn)狀

根據(jù)采區(qū)設(shè)置及開拓運輸系統(tǒng)布置，三寧挑水河磷礦依照設(shè)計實行對角單翼式機械抽出通風方式。主扇為一臺型號為FCDZ-Ⅱ№27的軸流式風機。工作面所需新鮮風流在 896，902斜坡道進入，流經(jīng)斜坡道進入各中段采場，供給保障采場工作人員安全。污風經(jīng)階段平巷匯入回風巷道，經(jīng) 1018風井排出地面。根據(jù)挑水河磷礦實際建設(shè)生產(chǎn)情況，對井下總進出風量進行監(jiān)測。同時，在礦井中各個盤區(qū)主要的運輸巷道、局部進回風巷道等地布置測點進行測量。經(jīng)測定礦山總進風 167.466 m3/s，總回風179.76 m3/s?，F(xiàn)有通風系統(tǒng)需求超過礦山設(shè)計需風量148.12 m3/s，基本滿足現(xiàn)有生產(chǎn)總需風量。

1.2 存在的問題

經(jīng)對井下通風系統(tǒng)進行詳細調(diào)查，發(fā)現(xiàn)井下南部采區(qū)通風系統(tǒng)存在如下問題。

（1）向井下運輸和破溜系統(tǒng)提供新鮮風流的1245皮帶巷道出現(xiàn)反風，新鮮風流自896巷進入經(jīng)由862探礦巷道、864中段、860中段、875平巷直至1245送出地面，溜破系統(tǒng)中充斥污風。

（2）南部采區(qū)風流短路，新鮮風無法沖刷作業(yè)面。南部首采區(qū)新鮮風流主要由902斜坡道進入，由902斜坡道流入883主巷，繼而由各采區(qū)斜坡道沖洗工作面，再由2#回風井經(jīng)1018風井排出。但經(jīng)實際測量，新鮮風流經(jīng)883直接回風，導(dǎo)致新鮮風流難以進入工作面進行沖洗。部分風流出現(xiàn)內(nèi)部風流短路，由 883～915下山直接回風，另外部分進入工作面的風流難以達到要求，甚至有部分巷道出現(xiàn)反風。2#巷回風量極小，通風未能達到預(yù)期效果，工作環(huán)境較差。

2 通風優(yōu)化方案

目前基于迭代解算技術(shù)的通風系統(tǒng)管理軟件有很多[3-4]，利用軟件可以進行礦井通風設(shè)計、日常管理、實時解算、系統(tǒng)經(jīng)濟分析、污染物擴散模擬、風機選型、調(diào)速及反風試驗、構(gòu)筑物優(yōu)化等多項功能，建立礦井通風系統(tǒng)的三維模型，方便用戶在不同的角度觀察通風狀態(tài)信息以及及時地發(fā)現(xiàn)問題[5-9]。

2.1 模型建立

三寧挑水河磷礦在日常生產(chǎn)過程中已經(jīng)使用數(shù)字化礦山軟件DMINE進行生產(chǎn)管理，礦山擁有實時的采掘系統(tǒng)圖，將礦井生產(chǎn)系統(tǒng)三維模型導(dǎo)入通風解算軟件進行實體轉(zhuǎn)換就可以得到三寧挑水河磷礦通風網(wǎng)絡(luò)仿真模型。其采通風系統(tǒng)三維模型如圖1所示。

圖1 三寧挑水河磷礦通風模型

2.2 通風系統(tǒng)現(xiàn)狀模擬

在測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對礦井三維通風模型進行通風系統(tǒng)現(xiàn)狀模擬，解算結(jié)果顯示進、回風布局與現(xiàn)狀相同，總進風 168.8 m3/s，回風 166.2 m3/s，與實際測量基本相符。由于礦山開采范圍大、風路復(fù)雜，在局部采區(qū)出現(xiàn)風流短路、作業(yè)面需風量不足、污風反向等問題，與上述基于調(diào)查參數(shù)總結(jié)分析的通風系統(tǒng)問題吻合。如圖2所示，其中南部采區(qū)如圖測點 1-9、1-10出現(xiàn)反風情況，與實際情況相符。902進入的新鮮風流，部分由883西端經(jīng)聯(lián)絡(luò)道至915快速下山回至1018回風井，部分由南四匯入南部回風巷，回風巷回風量過小。測點2-26回風巷回風量與實際大致相符，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖2 883-采區(qū)情況模擬結(jié)果

圖3 測點2-26模擬結(jié)果

由測量參數(shù)和軟件模擬對比分析可得，本文所建立的通風系統(tǒng)三維動態(tài)模型基本符合礦山通風實際情況。因此在礦山實際運行過程中，可以依托本文所建立模型進行礦山通風系統(tǒng)解算、優(yōu)化方案調(diào)整驗證。

3.3 解決措施及模擬驗證

針對三挑水河磷礦礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀、存在問題及今后生產(chǎn)對通風的需求，提出南部采區(qū)通風系統(tǒng)局部優(yōu)化措施并進行模擬驗證。

（1）方案一。883運輸巷的新鮮風流在最小風阻作用下直接由915下山回風，導(dǎo)致南部2#回風井回風量較小，污風串聯(lián)，甚至反風。因此考慮在883運輸巷末端設(shè)置自動風門。通過增阻方式，減少直接回風量，以增加沖刷采場的風量，構(gòu)筑物布置方式見圖4。

圖4 南部采區(qū)通風優(yōu)化方案一

模擬結(jié)果分析如下。

在883巷道末端設(shè)置自動風門，模擬風門關(guān)閉時的通風網(wǎng)絡(luò)情況。設(shè)置自動風門后，對整體通風網(wǎng)絡(luò)進行模擬運算。計算結(jié)果顯示加入風門可以有效地防止風流由聯(lián)絡(luò)巷道至915下山回風，增加部分新鮮風沖刷南四采場并進入南部2#回風巷回風。但改善效果不強，南二—883反風情況改善較小。南部回風巷總回風由 26.2 m3/s增加至 27.4 m3/s，測點 2-26 風量由 9.1 m3/s增加至 19.4 m3/s。模擬計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 方案一模擬結(jié)果

（2）方案二。883運輸巷在與883中段和878中段連接處較多，且形成十字岔口，風路組成復(fù)雜，通風混亂。且878中段回風距離較短，導(dǎo)致大量風流進入878中段。因此導(dǎo)致研究區(qū)域通風效果不理想。在883運輸巷末端和883運輸設(shè)置自動風門，減少混亂風流，控制新鮮風流流向，構(gòu)筑物布置見圖6。

圖6 南部采區(qū)通風優(yōu)化方案二

模擬結(jié)果分析如下。

通過軟件在圖6所示巷道位置設(shè)置風門后進行通風網(wǎng)絡(luò)平衡的模擬運算。計算結(jié)果顯示設(shè)置密閉墻和風門可以有效地防止大量新鮮風流進入878中段，改善風流混亂情況。模擬結(jié)果顯示方案二可有效增加部分風流沖刷采場并進入南部 2#回風巷回風。對南二—883反風情況同樣有較大改善。南部回風巷（2#）總回風由 27.4 m3/s增加至 52.6 m3/s，測點2-26風量由9.1 m3/s增加至37.0 m3/s。該方案效果較好。模擬計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 方案二模擬結(jié)果

方案二基本為方案一補充方案，通過模擬對比，方案二效果較優(yōu)。該方案不僅可以優(yōu)化風路，還可以對以后結(jié)束回采工作的采場進行最小風流控制和采場通風密閉，減少總體通風的浪費，進一步實現(xiàn)總體通風網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

3 結(jié)論

（1）以挑水河磷礦為對象，對典型大范圍開采的緩傾斜薄礦體通風網(wǎng)絡(luò)進行研究。結(jié)合井下實測發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計“四進一回”的通風格局變?yōu)椤叭M兩回”，總進、回風路徑與設(shè)計不符；井下南部開采區(qū)域產(chǎn)生風流短路和污風循環(huán)，需風工作面風量不足，風流浪費嚴重，導(dǎo)致南部采區(qū)工作環(huán)境變差。

（2）采用通風模擬軟件建立了挑水河磷礦的通風系統(tǒng)三維模型，并進行井下風網(wǎng)驗證性模擬。模擬結(jié)果顯示，所建模型可以有效反映井下通風實際情況，為開展通風系統(tǒng)方案研究奠定了基礎(chǔ)，不僅提高了方案設(shè)計效率，而且同時實現(xiàn)了通風系統(tǒng)的可視化展示。

（3）針對通風問題突出的南部采區(qū)，設(shè)計優(yōu)化方案，經(jīng)模型驗證，最終確定在883運輸巷末端和883運輸巷與878中段相連接的岔口設(shè)置自動風門，通過增加通風構(gòu)筑物改變巷道風阻控制風流流向，減少混亂風流現(xiàn)象。