基于Ventsim的大白陽金礦通風系統優(yōu)化

付文姜,賈志偉,魏 慧

(1.中國黃金集團有限公司; 2.長春黃金研究院有限公司)

引 言

通風系統是礦山生產開拓階段的主要設計內容之一,通風質量的好壞直接影響著礦山的生產安全[1]。在礦山生產過程中,通風系統主要承擔著排出工作面炮煙、有害氣體,降低采場、掌子面等工作集中區(qū)域的溫度、濕度等工作,隨著采掘深度的不斷增加,深井熱害問題日益嚴重[2],通風工作也變得越來越重要。但在施工過程中,受礦體實際賦存狀態(tài)影響,巷道掘進不可能完全遵循設計,便會造成通風系統整體上的改變。其次,采空區(qū)塌陷、巷道分支過多、通風管路老化、通風構筑物破損等問題,都可能造成通風系統漏風[3-4],致使風流不能抵達工作面,或者到達工作面的風量不滿足設計要求,達不到理想的通風效果。因此,合理設計和優(yōu)化通風系統,是改善礦山工作環(huán)境、緩解礦山壓力的重要手段。

本次研究以河北大白陽金礦有限公司(下稱“大白陽金礦”)在礦井通風方面存在的技術難題為對象,運用Ventsim通風模擬軟件對通風系統進行通風網絡解算與動態(tài)模擬,對礦山通風系統進行優(yōu)化研究,提出一種安全、高效的通風系統優(yōu)化方式,為礦山解決實際問題。

1 工程背景

1.1 現有通風系統

大白陽金礦位于河北省張家口市宣化區(qū),韓家溝礦區(qū)是大白陽金礦的主要生產礦區(qū),采用平硐開拓方式,采礦工藝主要為全面采礦法和房柱采礦法。礦山設計采用抽出式機械通風方式,新鮮風流由1 770 m、1 765 m和1 725 m平硐分別進入礦井,在吹掃各水平采掘工作面后,污濁風流在主扇風機負壓作用下由東西風井排出地表。

Au15-1礦體開采時風機布置形式為側翼并列式,風流路線為:YSH3平硐—中段運輸巷—上山—脈內聯絡巷—出礦穿—回采工作面—邊界行人通風上山—1 765 m回風巷—回風聯巷—TFXJ斜井。

Au15-2和Au15-3礦體開采時風機布置形式為側翼并列式,風流線路為:YSH3平硐—中段運輸巷—上山—脈內聯絡巷—出礦穿—回采工作面—邊界行人通風上山—1 765 m回風巷—回風聯巷—TFXJ斜井。

Au16-4礦體開采時風機布置形式為單翼對角式,風流線路為:YSH2平硐—1 765 m運輸巷—上山—脈內聯絡巷—邊界行人通風上山—礦塊脈內聯絡巷—出礦穿—回采工作面—1 765 m回風巷—縱10平巷—橫16平巷—1 765 m回風巷—回風聯巷—TFXJ斜井。

采場采用壓入式機械通風,在新鮮風流巷道入風口15 m處安設YBT-11A局扇,風筒采用礦用阻燃式風筒,直徑不小于400 mm,隨工程延伸,將風筒接至距工作面8 m處,局扇功率11 kW,風量不低于4 m3/(min·人),新鮮風流經局部扇風機+風筒送入工作面,污風從塊段匯至主運輸巷道,由主扇排出地表。

1.2 通風系統存在的主要問題

對大白陽金礦韓家溝礦區(qū)主要生產水平相關通風工程、生產作業(yè)面進行了標定測試,通過現場勘查和通風測試發(fā)現,其通風系統存在的主要問題如下:

1)1 765 m水平西風井工程斷面過小,僅φ40 cm,同時在井底與巷道連接處安裝有1臺FBY-18.5局扇風機,不利于發(fā)揮礦井主回風作用。

2)東風井作為礦區(qū)主回風井,安裝有1臺30 kW的K45-6-NO.13礦用軸流式風機,底部回風聯絡巷道距1 770 m平硐僅100多m,不利于發(fā)揮東風井主扇風機回風作用,同時東風井主扇風機功率也偏小。

3)通達地表的平硐口數量多達10余處,外部大氣環(huán)境對通風具有很大干擾。

4)井下存在大量的采空區(qū),采空區(qū)塌落造成的漏風較為嚴重。

針對上述存在的問題,本次研究基于Ventsim通風模擬軟件,對礦區(qū)通風系統進行優(yōu)化,合理調控井下風流,改善井下作業(yè)環(huán)境。

2 通風系統優(yōu)化方案

2.1 需風量計算

礦井總風量應等于礦井需風量乘以礦井需風量備用系數K,K值可取1.20～1.45。礦井需風量(Q)應按回采工作面需風量(Qh)、備用工作面需風量(Qj)、掘進工作面需風量(Qd)和獨立通風硐室需風量(Qt)的總和進行計算[5]：

Q=∑Qh+∑Qj+∑Qd+∑Qt

(1)

其中:

1)硐室型采場風速不應小于0.15 m/s。

2)巷道型采場風速不應小于0.25 m/s。

3)電耙道和二次破碎巷道風速不應小于0.5 m/s。

4)無軌裝載設備作業(yè)的工作面風速不應小于0.4 m/s。

結合礦山生產現狀和未來發(fā)展趨勢,以滿足全礦滿負荷生產能力為基礎,根據礦山房柱采礦法采場、采切作業(yè)面、殘采作業(yè)面及探礦工作面的最小排塵風速對礦井所需風量進行計算,根據采掘計劃表進行統計計算全礦需風總量應不小于53.76 m3/s。

2.2 風量校核

1)按井下同時工作最多人數所需風量校核[6]。

Q=nQi

(2)

式中:n為井下同時工作最多人數,本次取120人;Qi為人均供風量(m3/min),一般供風量應不少于4 m3/(min·人)。

經計算:Q=480 m3/min。礦井風量完全能滿足井下同時工作最多人數所需風量的要求。

2)按萬噸耗風量校核。萬噸耗風量計算如下:

Y=Q/A

(3)

式中:A為礦井年產量,A=26.4萬t;Y為萬噸耗風量(m3/(s·萬t))。

經計算,大白陽金礦萬噸耗風量為2.04 m3/(s·萬t),符合設計規(guī)范的規(guī)定。

2.3 通風方案比選

根據大白陽金礦礦井通風系統現狀及存在問題,在反復深入現場調查研究、收集相關圖紙和資料、了解礦井生產和通風基本情況的基礎上,結合類似礦山經驗[7-9],設計選用了下列3種可行的通風方案:方案Ⅰ,分區(qū)1725補風抽出式通風系統;方案Ⅱ,東風井主回風的分區(qū)通風系統;方案Ⅲ,東、西風井均衡回風的分區(qū)通風系統。

2.3.1 方案Ⅰ

采用分區(qū)1725補風抽出式通風系統方案,將礦井通風系統分為2個分區(qū)。其中,1 725 m中段為一個分區(qū),1 765 m中段為另外一個分區(qū)。2個分區(qū)之間通過斜井連接,風流方向為1 765 m中段→1 737 m溜井→1 725 m中段。

1 725 m中段分區(qū)由1 725 m平硐進風,經主運輸巷道進入采場清洗作業(yè)面,然后回到主運輸巷道,由西風井排出地表;1 765 m中段分區(qū)由1 765 m平硐口、1 770 m、1 776 m和1 792 m等通地表口進風,經主運輸巷道進入采場清洗作業(yè)面,然后回到主運輸巷道,由東風井排出地表;1 765 m中段到1 725 m中段,新鮮風流由1 765 m中段引入至1 737 m處溜井,稀釋污風并排出到1 725 m中段,最終經過西風井排至地表。東回風井井下、西回風井井下設置風機,并且西風井井筒斷面直徑刷大至2.5 m。

該方案優(yōu)點為:①充分利用原有通風井巷,減少通風井巷工程費用;②主扇風機安裝在井下,排煙速度快;③將1 765 m中段新鮮風流引入到1 725 m中段,實現了需風量的補充,利于1 725 m中段生產安排;④1 725 m、1 765 m中段連通斜井有新鮮風流。

該方案缺點為:①1 737 m放礦溜井處柴油尾氣與卸礦粉塵對1 725 m中段生產有一定的影響;②主扇風機安裝、檢修、管理相較于地表安裝不方便;③各分區(qū)通風線路較長,由于采空區(qū)較多,密閉不嚴容易漏風。

2.3.2 方案Ⅱ

采用東風井主回風的分區(qū)通風系統方案,將大白陽金礦井下通風系統整體劃分為8個區(qū)域,綜合進風口、回風口及主要作業(yè)區(qū)域的位置分布,1,2,3區(qū)域回風以西風井為主,4,5,6,7,8區(qū)域回風以東風井為主,形成完整的地下通風系統?？紤]到現有工程、采場及采空區(qū)的位置,重新對主扇風機進行選型計算后,形成完整的通風系統。

該方案優(yōu)點為:①減小了西風井回風壓力,設備更換費用少;②1 725 m主巷、1 765 m主巷、1 770 m主巷進風,有利于降低礦井通風阻力;③主扇風機安裝在井下,維護費用少,管理簡單、方便。

該方案缺點為:①東、西區(qū)回風量根據東、西區(qū)生產能力均衡回風較難,采場回風路線較為復雜,增大了通風風阻;②工作面距離主扇風機較遠,沿途風量損耗較大。

2.3.3 方案Ⅲ

采用東、西風井均衡回風的分區(qū)通風系統方案,將大白陽金礦井下通風系統整體劃分為幾個區(qū)域,綜合進風口、回風口及主要作業(yè)區(qū)域的位置分布,以此規(guī)劃形成完整的地下通風系統?？紤]到現有工程、采場及采空區(qū)的位置,需要對主扇風機進行重新選型計算,最終形成完整的通風系統。

該方案優(yōu)點為:①充分利用原有通風井巷,減少通風井巷工程費用;②1 725 m主巷、1 765 m主巷、1 770 m主巷進風,有利于降低礦井通風阻力;③主扇風機安裝在井下,維護費用少,管理簡單、方便;④東、西區(qū)回風量可根據東、西區(qū)生產能力均衡回風,采場回風路線無需折返,減少了通風風阻;⑤工作面距離主扇風機較近,沿途風量損耗較小,同時解決了粉塵與柴油設備尾氣對井下空氣環(huán)境的影響。

該方案缺點為:①西風井排風壓力較大,目前的通風設備不能滿足使用需求,需更換設備;②增加了1 765 m中段橫8-13,縱10-13區(qū)域的通風壓力,需增加局扇風機解決;③由于原有的設備需要更換,需要投入一定的工程滿足設備需求。

2.3.4 方案優(yōu)選

根據以上分析和大白陽金礦開拓采準巷道布置情況及通風系統現狀,考慮到井下部分區(qū)域柴油尾氣及粉塵濃度高、邊遠采掘工作面進風困難及采空區(qū)漏風嚴重等問題,經過充分研究比較,確定方案Ⅲ為最優(yōu)方案。該方案保持大白陽金礦通風系統整體兩翼對角式不變,針對礦井多中段多區(qū)域同時作業(yè)的特點及生產分布情況,將作業(yè)中段分為8個相互獨立的通風分區(qū),風流互不干擾,實行用風段分區(qū)具有風路短、阻力小、漏風少、網絡簡單、風流易于控制、各分區(qū)調節(jié)方便等優(yōu)勢,適用于大白陽金礦當前的通風系統優(yōu)化。具體分區(qū)情況如下:

1)1區(qū):1 725 m中段橫14-17,縱8-12。這一通風區(qū)域以探礦工程和采場為主,通風線路為PD161/2—(6-12)→PD3斜井→1 765 m中段→西風井。

2)2區(qū):1 765 m中段橫8-13,縱10-13。這一通風區(qū)域以采切工程和采空區(qū)為主,通風線路主要是1 765 m巷道→三#岔→CM10巷道→西風井。

3)3區(qū):1 765 m中段、1 776 m水平及1 765 m中段3#斜井,其中3#斜井為獨頭,橫5-7,縱12-16。這一通風區(qū)域以采空區(qū)為主,暫時沒有工作面,通風線路主要是1 776 m中段巷道→西風井。

4)4區(qū):1 813 m水平及1 792 m水平橫2-12,縱0-4。這一通風區(qū)域以采空區(qū)為主,暫時沒有工作面,通風線路主要是1 813 m中段巷道→東風井。

5)5區(qū):1 725 m中段通往1 737 m水平橫11-15,縱3-6。這一通風區(qū)域以采場和采空區(qū)為主,通風線路主要是1 725 m中段巷道→1 737 m中段巷道→1 765 m中段→東風井。

6)6區(qū):1 765 m中段橫12-17,縱E2-40。這一通風區(qū)域以采場和采空區(qū)為主,通風線路主要是1 765 m巷道→CM16東→1 770 m巷道→東風井。

7)7區(qū):1 745 m水平橫15-17,縱4-6。這一通風區(qū)域以采空區(qū)為主,目前沒有作業(yè)面,采空區(qū)采用崩落采礦法與自然冒落采礦法進行了處理,主要巷道已封閉。

8)8區(qū):1 725 m中段橫14-17,縱6-8。這一通風區(qū)域以地探工程和采場為主,通風線路主要是PD161/2—(6-12)→11#斜井→1 765 m中段→西風井。

由于1區(qū)和8區(qū)屬于重點工作區(qū)域,柴油尾氣和粉塵濃度較高,因此作為重點通風分區(qū),設置獨立回風路線。

3 通風網絡解算

自金屬礦山存在以來,井下通風一直是地下礦井最關心的基本問題之一。隨著電腦硬件的不斷升級,依靠手動計算的原始通風網絡解算方式逐漸被計算機取代。Ventsim通風模擬軟件是一款自動化程度極高的三維通風仿真軟件系統,基于獨立平臺,具有良好的兼容性,可以非常方便地導入其他礦井設計軟件或通風軟件的基礎數據[10-11]。為探究大白陽金礦分區(qū)通風的具體效果,利用Ventsim通風模擬軟件對通風網絡進行解算,驗證方案的可行性。

3.1 礦山熱環(huán)境參數

根據大白陽金礦韓家溝礦區(qū)礦井通風系統優(yōu)化方案,結合礦區(qū)地質資料及現場實測結果,對大白陽金礦熱環(huán)境(自然風壓)模擬參數進行統計,結果見表1。

表1 熱環(huán)境(自然風壓)模擬參數

3.2 礦井通風網絡解算及分析

運用Ventsim通風模擬軟件建立礦井通風三維模型。具體建模步驟如下:

1)打開Ventsim通風模擬軟件,選擇導入巷道中心線,并轉化為實體巷道,在“Z偏移”選項中輸入巷道標高值,依次建立各水平風路實體模型。

2)根據主井筒、通風井出口位置,依次繪制實體風路,同時對整個實體模型中相鄰風路進行統一綁定、簡化或合并處理。

3)根據礦山工程實際,分別設置巷道斷面類型、尺寸參數及巷道摩擦系數,對獨頭巷道設置“末端不閉合”,對通往地表出口井筒設置為“連接到地表”。

4)結合礦山通風阻力實測結果,設置主要巷道通風阻力參數及通風構筑物、風機動力等參數,完成全部建模流程。

大白陽金礦主要為平硐開拓,通風網絡建模包含1 725 m中段、1 765 m中段等多個生產中段,具體模型見圖1。

圖1 通風系統三維仿真模型

根據通風系統優(yōu)化方案比較結果,利用Ventsim通風模擬軟件進行解算。根據推薦方案,對風流路線進行了規(guī)劃和需風量的計算,結果表明:既有風機不能滿足新通風系統的要求,需要對東、西兩側風井風機進行重新選型。由解算結果可知,新型號東風井、西風井風機工況具體如下:

1)西風井選型計算。經選型計算,西風井選用1臺30 kW的K45-4-NO.10礦用節(jié)能風機。通過模擬計算可知,風機處于高效運轉狀態(tài),其運行工況為:轉速1 450 r/min,工況點全壓927.4 Pa,風量19.1 m3/s,風速8.0 m/s,效率80.5 %。

2)東風井選型計算。經選型計算,東風井選用1臺55 kW的K45-6-NO.16礦用節(jié)能風機。通過模擬計算可知,風機處于高效運轉狀態(tài),其運行工況為:轉速980 r/min,工況點全壓897.4 Pa,風量39.7 m3/s,風速8.0 m/s,效率74.9 %。

由風機運行工況可知,風機運行效率均在60 %以上,設備選型合理,符合生產作業(yè)要求。通過對主要通風線路進行統計,得到各大通風主線路的風速及風量結果,見表2。

表2 礦井通風網絡解算結果

依據GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》,井下工作人員供風量不少于4 m3/(min·人),硐室型采場風速不小于0.15 m/s;巷道型采場和掘進巷道風速不小于0.25 m/s;電耙道和二次破碎巷道風速不小于0.5 m/s。對比解算結果可知,在進行采空區(qū)封堵、安裝風門、更換風機型號等調節(jié)手段后,1 725 m中段進風口風速為4.2 m/s,行人斜井供風量達9.2 m3/s,主運輸巷道風速不低于2.56 m/s,平硐風速不低于0.63 m/s,均達到風量校核要求,可見分區(qū)通風的方式更加適合大白陽金礦當前的生產情況,所提出的通風方案切實可行。

4 結 論

1)根據大白陽金礦生產分布、開拓工程布置情況及通風系統現狀,考慮到井下部分區(qū)域柴油尾氣及粉塵濃度高、邊遠采掘工作面進風困難及采空區(qū)漏風嚴重等問題,經過充分研究比較,確定“東、西風井均衡回風的分區(qū)通風系統”方案為最優(yōu)方案。該方案保持大白陽金礦通風系統整體兩翼對角式不變,將作業(yè)中段分為若干個相互獨立的通風分區(qū),風流互不干擾,風路短、阻力小、漏風少。

2)結合大白陽金礦生產現狀,運用Ventsim通風模擬軟件對通風系統進行通風網絡解算與動態(tài)模擬,對風機等進行了重新的選型和設計。計算結果表明:通風效果改善明顯,可有效解決大白陽金礦通風風量不足、系統漏風等問題,各主要通風巷道風速均能達到安全生產要求,大大改善了礦山的通風環(huán)境,對礦山安全生產具有重要意義。