風(fēng)網(wǎng)解算下的多級機(jī)站設(shè)置與風(fēng)機(jī)優(yōu)選研究

周 偉 吳冷峻 周選陽 王 濤 賈敏濤 謝 輝

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243000;3.安徽省廬江龍橋礦業(yè)有限公司,安徽 廬江 231500)

金屬非金屬礦山開采進(jìn)行到深部時(shí),礦石品位的變化使得采場及中段分布發(fā)生較大改變,因此要求其通風(fēng)系統(tǒng)具有靈活可調(diào)特性[1-2]。傳統(tǒng)的主扇通風(fēng)系統(tǒng)在遇到開采計(jì)劃變動(dòng)時(shí),一般通過調(diào)高風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率,增大井下風(fēng)量來適應(yīng)開采的變化[3-4]。開采中段變化,采空區(qū)或采場來不及實(shí)施封堵時(shí),增大風(fēng)量會使系統(tǒng)漏風(fēng)量增大,風(fēng)阻增大,用風(fēng)地點(diǎn)分配風(fēng)量減小,系統(tǒng)有效風(fēng)量率反而降低[5-6]。多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)在井下分散布置進(jìn)風(fēng)機(jī)站和回風(fēng)機(jī)站,實(shí)現(xiàn)采空區(qū)或巷道風(fēng)壓平衡,能在不降低總風(fēng)量的前提下顯著減小漏風(fēng)量,實(shí)現(xiàn)各中段風(fēng)量的合理分配[7-8]。

20世紀(jì)80年代,馬鞍山礦山研究院率先在梅山鐵礦展開多級機(jī)站通風(fēng)研究[9]。隨后通過多年的現(xiàn)場試驗(yàn)與總結(jié)分析,發(fā)現(xiàn)多級機(jī)站的機(jī)站級數(shù)、布置位置、風(fēng)機(jī)類型和數(shù)量等參數(shù)將影響系統(tǒng)通風(fēng)效果[10-11]。賴明照等[12]研究并總結(jié)了多級機(jī)站多臺風(fēng)機(jī)聯(lián)合作業(yè)風(fēng)機(jī)選型規(guī)律,并開發(fā)了礦井通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)輔助多級機(jī)站風(fēng)機(jī)選型。吳冷峻等[13]通過對梅山鐵礦和冬瓜山銅礦多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究后,系統(tǒng)的漏風(fēng)率由20%與50%降低至11%。黃應(yīng)盟[14]采用計(jì)算機(jī)Ventsim軟件解算了某硫化礦深部復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),并利用多級機(jī)站通風(fēng)方式優(yōu)化了深部通風(fēng)系統(tǒng),多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)布置方式有效解決了該礦深部通風(fēng)量不足和高溫問題。遲豐茂等[15]、桑軍勝等[16]在焦家金礦應(yīng)用三級機(jī)站通風(fēng)方式有效解決了系統(tǒng)存在的明顯漏風(fēng)問題,使得新的通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

近年來對于多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)的研究主要集中于主要機(jī)站位置布置、漏風(fēng)風(fēng)量控制以及井下風(fēng)壓分布[17-20],有關(guān)采區(qū)輔扇對井下各中段風(fēng)流的調(diào)控作用研究涉及較少。為此,本研究以龍橋鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)為例,利用Ventsim軟件建立主—輔扇通風(fēng)系統(tǒng)和多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng),解算了兩種通風(fēng)系統(tǒng)下各巷道及采場風(fēng)量,并優(yōu)化了多級機(jī)站風(fēng)機(jī)選型,取得較好的通風(fēng)效果。

1 龍橋鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)概況

龍橋鐵礦設(shè)計(jì)采用兩翼對角抽出式通風(fēng)系統(tǒng),進(jìn)風(fēng)井和副井進(jìn)風(fēng),東風(fēng)井和西風(fēng)井回風(fēng),設(shè)計(jì)風(fēng)量為360 m3/s。東、西風(fēng)井分別設(shè)置回風(fēng)機(jī)站,東風(fēng)井安裝DK(BIV)-8-№27型軸流式風(fēng)機(jī)1臺,功率220×2 kW,回風(fēng)量為110～118 m3/s;西風(fēng)井安裝 DK-10-№34型軸流式風(fēng)機(jī)1臺,功率450×2 kW,回風(fēng)量為230～245 m3/s。

由于東、西回風(fēng)井回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)長時(shí)間運(yùn)行,風(fēng)機(jī)性能有所下降,系統(tǒng)總風(fēng)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,加之采場設(shè)輔扇進(jìn)行通風(fēng),輔扇設(shè)置及選型不合理,中段通風(fēng)效果不理想。為此,本研究采用Ventsim計(jì)算機(jī)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)對龍橋鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析,以確定合適的通風(fēng)系統(tǒng)并對風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)選。

2 通風(fēng)系統(tǒng)模型

2.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

通過對龍橋鐵礦井下通風(fēng)工程與采場等用風(fēng)地點(diǎn)分布的調(diào)查,繪制了龍橋鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)圖,并將其導(dǎo)入三維可視化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算軟件Ventsim中,得到礦山通風(fēng)系統(tǒng)解算幾何模型,通過并點(diǎn)、并邊操作最終得出的礦山通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 龍橋鐵礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Ventilation network of Longqiao Iron Mine

將各個(gè)中段的通風(fēng)巷道、用風(fēng)場所等效成一條分支,建立反應(yīng)礦井進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)風(fēng)通道為斜坡道、進(jìn)風(fēng)井和副井,其中進(jìn)風(fēng)井為中深部主要進(jìn)風(fēng)通道?；仫L(fēng)有東風(fēng)井和西風(fēng)井,其中-320 m中段回采結(jié)束,承擔(dān)整個(gè)礦區(qū)的回風(fēng)。

2.2 風(fēng)網(wǎng)解算基本原理

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)由N條巷道、J個(gè)節(jié)點(diǎn)和M個(gè)網(wǎng)孔構(gòu)成。為解算出N條巷道的風(fēng)量,需建立N個(gè)獨(dú)立方程。M個(gè)網(wǎng)孔根據(jù)風(fēng)壓平衡方程建立M個(gè)獨(dú)立方程,J個(gè)節(jié)點(diǎn)建立J-1個(gè)方程,滿足N=M+J-1。

M個(gè)網(wǎng)孔風(fēng)壓平衡方程為

式中,H為風(fēng)壓,Pa;aij為網(wǎng)孔分支風(fēng)向系數(shù);aij=1時(shí),j分支巷的網(wǎng)孔風(fēng)向與原設(shè)風(fēng)向相同,j分支不包含于第i網(wǎng)孔中;aij=-1時(shí),j分支巷的網(wǎng)孔風(fēng)向與原設(shè)風(fēng)向相反;Rj為j分支巷的風(fēng)阻,N·s2/m8;Qj為第j分支的風(fēng)量,m3/s;HNj為j分支巷的自然風(fēng)壓,Pa;Hfj為j分支巷的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓,Pa。

N條巷道的風(fēng)量平衡定律可用下式表示:

式中,bkj為節(jié)點(diǎn)流向系數(shù);bkj=1時(shí),k節(jié)點(diǎn)是j分路端點(diǎn)且風(fēng)流流入k節(jié)點(diǎn);bkj=-1時(shí),k節(jié)點(diǎn)是j分路端點(diǎn)且風(fēng)流流出k節(jié)點(diǎn);bkj=0時(shí),k節(jié)點(diǎn)不是j分路的端點(diǎn)。

由于風(fēng)壓平衡方程為非線性的,本研究采用Hard-Coss迭代法對每個(gè)網(wǎng)孔的風(fēng)量進(jìn)行校正,公式為

式中,ΔQi、ΔQ(1)i為i網(wǎng)孔初始風(fēng)量和風(fēng)量修正值,m3/s;dHfj/dQj為風(fēng)機(jī)曲線斜率;Qj(0)為i網(wǎng)孔j分路初始風(fēng)量或上次迭代風(fēng)量,m3/s;Qj(1)為修正后的j網(wǎng)孔風(fēng)量,m3/s;aj為修正系數(shù)。

各個(gè)網(wǎng)孔逐次、逐輪次迭代計(jì)算,直至某輪計(jì)算中各ΔQi值小于設(shè)定的誤差值時(shí),認(rèn)為計(jì)算收斂。

2.3 解算參數(shù)設(shè)定

風(fēng)網(wǎng)解算需預(yù)設(shè)各巷道的風(fēng)阻值及某段巷道初始風(fēng)量值。通過對井下各種類型井巷規(guī)格和典型巷道通風(fēng)阻力的調(diào)查與數(shù)據(jù)整理,建立了井巷風(fēng)阻原始數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分支原始數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)參數(shù)原始數(shù)據(jù)、機(jī)站參數(shù)原始數(shù)據(jù)等通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫,主要預(yù)設(shè)參數(shù)見表1,巷道風(fēng)量與風(fēng)壓求解精度設(shè)定為ε<0.1。

表1 風(fēng)網(wǎng)解算主要井巷預(yù)設(shè)參數(shù)Table 1 Wind network solve main roadway preset parameters

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)選

3.1 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)井下開拓布局和采場分布,分別設(shè)計(jì)主—輔扇通風(fēng)系統(tǒng)與多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)。主—輔扇通風(fēng)系統(tǒng)是指在東風(fēng)井和西風(fēng)井分別設(shè)置兩個(gè)主回風(fēng)機(jī)站。東風(fēng)井回風(fēng)機(jī)站選擇DK(BIV)-8-№27型軸流式風(fēng)機(jī)1臺,功率220×2 kW,設(shè)計(jì)風(fēng)量138m3/s。西風(fēng)井回風(fēng)機(jī)站選擇DK-10-№34型軸流式風(fēng)機(jī)1臺,功率450×2 kW,設(shè)計(jì)風(fēng)量234 m3/s。輔扇設(shè)置與多級機(jī)站Ⅱ級和Ⅲ級機(jī)站風(fēng)機(jī)布置一致。

進(jìn)風(fēng)井不承擔(dān)提升作業(yè),設(shè)計(jì)多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)4級機(jī)站,Ⅰ級為總進(jìn)風(fēng)機(jī)站,Ⅱ級為采場進(jìn)風(fēng)機(jī)站,Ⅲ級為采場回風(fēng)機(jī)站,Ⅳ級為總回風(fēng)機(jī)站,機(jī)站具體布置見表2。

表2 龍橋鐵礦4級機(jī)站布置Table 2 Layout of the fourth-level station of Longqiao Iron Mine

3.2 風(fēng)網(wǎng)解算結(jié)果分析

主—輔扇通風(fēng)系統(tǒng)主回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)風(fēng)網(wǎng)解算結(jié)果見表3。由表3可知:兩臺對旋風(fēng)機(jī)滿頻率(50 Hz)運(yùn)行時(shí),東風(fēng)井回風(fēng)量為121.58 m3/s,實(shí)耗功率352.26 kW,西風(fēng)井回風(fēng)量為243.36 m3/s,實(shí)耗功率656.95 kW,系統(tǒng)總回風(fēng)量為364.94 m3/s,實(shí)耗總功率為1 009.21 kW。

龍橋鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化前采用主輔扇通風(fēng),多年的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明,東風(fēng)井回風(fēng)量為 110～118 m3/s,西風(fēng)井回風(fēng)量為230～245 m3/s,與風(fēng)網(wǎng)解算結(jié)果一致,驗(yàn)證了本研究風(fēng)網(wǎng)解算結(jié)果的可靠性。

多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)網(wǎng)解算后主進(jìn)風(fēng)和主回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)見表4。

綜合表3、表4分析可知:①多級機(jī)站風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率為48 Hz時(shí),即可滿足設(shè)計(jì)所需風(fēng)量(360 m3/s),風(fēng)量有上調(diào)空間;②多級機(jī)站裝機(jī)功率(2 078kW)大于主輔扇裝機(jī)功率(1 814 kW),實(shí)秏功率僅增加77.02 kW,表明多級機(jī)站風(fēng)機(jī)性能有較大余量,系統(tǒng)可靠性強(qiáng),能有效應(yīng)對生產(chǎn)波動(dòng)對通風(fēng)系統(tǒng)造成的沖擊;③主—輔扇通風(fēng)系統(tǒng),輔扇僅用于采場引風(fēng),對系統(tǒng)總風(fēng)量無貢獻(xiàn),主扇性能直接影響通風(fēng)系統(tǒng)可靠性。主輔扇通風(fēng)系統(tǒng)滿頻率運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)總風(fēng)量(364.94m3/s)僅比設(shè)計(jì)風(fēng)量多4.94 m3/s,系統(tǒng)余量不足。若達(dá)到與多級機(jī)站相同的風(fēng)量余量時(shí),需增大主扇功率或?qū)I(yè)定制風(fēng)機(jī),顯然不符合經(jīng)濟(jì)性要求。

表3 主—輔扇通風(fēng)系統(tǒng)主回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)解算數(shù)據(jù)Table 3 Fan-solving data of the main return fan station of the main-auxiliary fan ventilation system

綜上所屬,龍橋鐵礦多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)于主—輔扇通風(fēng)系統(tǒng)。

4 多級機(jī)站風(fēng)機(jī)優(yōu)選

4.1 采區(qū)風(fēng)機(jī)選型方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)-420 m與-490 m中段的風(fēng)量分配,將Ⅰ級進(jìn)風(fēng)機(jī)站設(shè)置在進(jìn)風(fēng)井-407.5 m和-472.5 m水平,Ⅲ級回風(fēng)機(jī)站服務(wù)于-420 m和-490 m中段,分別設(shè)置在東區(qū)和西區(qū)的-342.5 m水平。采區(qū)風(fēng)機(jī)選型從引風(fēng)功能考慮,擬從K40-8-№21、K40-8-№22以及K40-8-№23風(fēng)機(jī)中優(yōu)選,詳細(xì)方案見表5。

4.2 采區(qū)風(fēng)機(jī)優(yōu)選風(fēng)網(wǎng)解算結(jié)果分析

保持Ⅱ級進(jìn)風(fēng)機(jī)站和Ⅳ級總回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)類型不變,將3種方案的采區(qū)風(fēng)機(jī)導(dǎo)入到通風(fēng)模型中,得出3種風(fēng)機(jī)選擇方案的風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果見表6。

表6 不同采區(qū)風(fēng)機(jī)選型方案的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果Table 6 Calculation results of ventilation network for fan selection schemes in different mining areas

礦山生產(chǎn)重心由-370 m中段轉(zhuǎn)移至-420 m中段,-490中段為后期主要生產(chǎn)階段,-420 m中段核定風(fēng)量為160 m3/s,-490 m中段及其他區(qū)域核定風(fēng)量為140.85 m3/s。由表5可知:3種方案均達(dá)到設(shè)計(jì)總風(fēng)量,但方案1和方案2中-420 m中段和-490 m中段分配風(fēng)量未達(dá)到核定風(fēng)量,方案3中-420 m中段風(fēng)網(wǎng)解算分配風(fēng)量為159.5 m3/s,-490 m中段分配風(fēng)量為140.1m3/s,滿足核定風(fēng)量。故方案3風(fēng)機(jī)選型滿足系統(tǒng)風(fēng)量分配要求。

5 結(jié) 論

(1)系統(tǒng)分析了龍橋鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的總風(fēng)量不足、采區(qū)輔扇設(shè)置及選型不合理、中段采場通風(fēng)效果不理想等問題,借助風(fēng)網(wǎng)解算技術(shù)對主輔扇和多級機(jī)站通風(fēng)兩種通風(fēng)系統(tǒng)方案進(jìn)行了比選研究。主—輔扇通風(fēng)系統(tǒng)主扇設(shè)置于東、西風(fēng)井回風(fēng)機(jī)站內(nèi),輔扇設(shè)在各需風(fēng)中段;多級機(jī)站設(shè)4級機(jī)站,Ⅰ級為總進(jìn)風(fēng)機(jī)站,Ⅱ級為采場進(jìn)風(fēng)機(jī)站,Ⅲ級為采場回風(fēng)機(jī)站,Ⅳ級為總回風(fēng)機(jī)站。

(2)經(jīng)風(fēng)網(wǎng)解算,主—輔扇通風(fēng)系統(tǒng)方案中東、西風(fēng)井主回風(fēng)機(jī)站滿頻率運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)總風(fēng)量為364.94m3/s,實(shí)耗總功率為1 009.21 kW。風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行,難以滿足井下生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)變化。主—輔扇通風(fēng)系統(tǒng)若要達(dá)到系統(tǒng)風(fēng)量富余,需增大主扇功率或?qū)I(yè)定制主扇,與通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性不符。

(3)多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)Ⅰ級總進(jìn)風(fēng)機(jī)站選用兩臺K40-8-№23型風(fēng)機(jī)并聯(lián),Ⅲ級回風(fēng)機(jī)站東區(qū)選用兩臺K40-8-№21型風(fēng)機(jī)并聯(lián),西區(qū)選用兩臺K40-8-№23型風(fēng)機(jī)并聯(lián),風(fēng)網(wǎng)解算多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)主回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)頻率為48 Hz時(shí)的系統(tǒng)總風(fēng)量為364.36 m3/s,達(dá)到設(shè)計(jì)所需風(fēng)量,滿足-420 m中段和-490 m中段風(fēng)量分配要求。

(4)多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量富余,該技術(shù)可有效地控制各中段及分層之間的分風(fēng),具有較強(qiáng)的針對性和可操作性。但多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)站級數(shù)、位置、風(fēng)機(jī)類型及數(shù)量等參數(shù)合理配比仍需借助風(fēng)網(wǎng)解算來判別其優(yōu)劣,實(shí)時(shí)礦井通風(fēng)自動(dòng)成圖及網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)亟待進(jìn)一步提升。