基于Ventsim系统的多中段通风系统优化研究

黄传宝,盛 佳,李向东,王亚军

(1.嵩县前河矿业有限责任公司, 河南 洛阳市 471435;2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012;3.国家金属采矿工程技术研究中心, 湖南 长沙 410012)

0 引 言

矿井通风系统是矿山生产系统的重要组成部分,矿井通风系统的运行状态直接影响矿山生产安全及经济效益。

前河金矿葚沟矿区矿岩松软破碎,矿山采用竖井＋平硐＋盲斜井联合开拓。现采用下向进路充填采矿法回采,采场沿走向布置,长40 m,宽为矿体厚度,段高40 m,不留间柱和顶柱,在脉内布置中央溜矿井,溜矿井上部架设人行梯,在进路走向上,每12 m布置1个充填通风小井。矿山生产能力16.8万t/a,现有通风系统存在总风量及工作面风量小、通风井巷及生产区域污风反串严重、中深部中段高温高湿及有害气体超标等问题,致使井下生产作业条件较差,容易引发中毒窒息事故,制约矿山安全生产和中深部开采,因此急需开展矿区通风系统优化,以保证安全生产[1-2]。

1 矿区通风系统综述

1.1 通风方式

葚沟矿区目前主要采用两翼对角抽出式机械通风。地表平硐、竖井、盲竖井和盲斜井进风,新鲜风依次通过中段石门、中段运输巷、采场穿脉进入采场,新鲜风洗刷工作面后,污风依次通过中段回风巷、东西两翼回风天井排出地表。矿山东翼地表安装1台主扇,东翼240,80,0 m中段各安装1台辅扇;西翼地表安装1台主扇,井下未安装辅扇,西翼端部未形成连续的回风天井,部分中段无回风天井。回采工作面和独头掘进工作面设置压入式局部通风。

1.2 通风系统目前存在的问题

通过开展葚沟矿区通风系统现场调查测定,得知主要存在以下问题：

(1)矿山机械通风系统不完善,矿山生产能力为16.8万t/a,满足矿山生产需布置40～45个采矿作业面,由计算可得系统总风量应达到75.84 m3/s,但从现场测定情况来看,系统东翼总回风量只有27.30 m3/s,矿山总风量明显不足。

(2)东西两翼回风井断面小、风阻大,部分中段风量不足、中段风量分配不合理,360,320,40,0 m中段进风量分别为10.49,6.97,6.27,12.84 m3/s,共36.57 m3/s,占各中段总进风量的87%。

(3)矿山采用下向分层胶结充填法采矿,无贯通上下中段的通风行人天井,采场上部回采作业面和下部出矿作业面分别设置局部通风,采场无贯穿风流,采场上部回采作业面人员进出的通道位于污风中,作业环境较差,采场通风困难、中段各采场污风串联,CO浓度超标。

(4)进入深部开采后,导致风流路线加长,随着原岩温度的增加,热害问题显现。

2 通风系统方案优选

根据矿山现有开拓系统、通风系统和深部开拓设计,研发了2个通风系统方案,两方案均分为浅部生产期和中深部开采期[3-4]。

2.1 矿区两翼对角抽出＋中段分单元通风(方案一)

(1)浅部(400～－40 m中段)生产期通风系统优化方案。矿山中央的平硐、竖井、斜井进风,东西两翼回风井回风;在东、西两翼回风井井口各安装1台主扇,分别负责东、西两翼的回风[5]。井下中段分成6个通风单元,分别为：400～280 m东翼单元、400～280 m西翼单元、240～120 m东翼单元、240～120 m西翼单元、80～－40 m东翼单元、80～－40 m西翼单元。方案见图1。

(2)中深部(240～－160 m中段)开采期通风系统优化方案。随着开采的深入,矿山应逐步封闭上部回采结束的中段,控制同时生产的中段数量。本方案基于上部400,360,320,280 m中段已回采结束并封闭后,利用400～280 m东、西翼单元回风井作为矿山总回风巷。

矿山中央的平硐、竖井、斜井进风,东西两翼回风井回风;在东、西两翼回风井井口各安装1台主扇,分别负责东、西两翼的回风。井下中段分成6个通风单元,分别为：240～120 m东翼单元、240～120 m西翼单元、80～－40 m东翼单元、80～－40 m西翼单元、－80～－160 m东翼单元、－80～－160 m西翼单元,见图2。

图1 400～－40 m中段浅部生产期通风系统优化方案

图2 240～－160 m中段中深部生产期通风系统优化方案

2.2 矿区两翼对角抽出式＋中段分单元＋进风段

压入通风(方案二)

(1)浅部(400～0 m)通风系统优化方案。采用矿山两翼对角抽出式通风＋中段分单元通风。矿山中央的平硐、竖井、斜井进风,东西两翼回风井回风;在东、西两翼回风井井口各安装1台主扇,分别负责东、西两翼的回风和400,360,320,280 m中段东、西翼的通风。井下中段分成4个通风单元,分别为：240～40 m东翼单元、240～40 m西翼单元、0 m东翼单元、0 m西翼单元。

(2)深部(0～－160 m)开采通风系统优化方案。采用矿山两翼对角抽出式通风＋中段分单元通风＋进风段压入通风。本方案基于上部400,360,320,280 m中段已回采结束并封闭后,矿山中央的平硐、竖井、斜井进风,东西两翼回风井回风;在东、西两翼回风井井口各安装1台主扇,分别负责东、西两翼的回风;在新竖井与0～－160 m盲斜井联络巷内安装1台主扇,负责克服0,－40,－80,－120,－160 m中段进风段的通风阻力。井下中段分成4个通风单元,分别为：240～40 m东翼单元、240～40 m西翼单元、0 m东翼单元、0 m西翼单元。

2.3 通风系统优化方案比选

两方案均能适应矿山多中段同时生产,保证各通风单元的风量,有效地分配风量,风量调节与控制灵活,可提高有效风量率,降低通风能耗;但是方案一矿山安装风机较多,管理复杂。方案二在进风段设置主扇,应在进风段安装较多风门,对矿山运输产生一定影响,管理的难度也较大。综合考虑方案的通风效果、工程实施的难易程度及工程成本投入[6-7],选择方案一(矿区两翼对角抽出式＋中段分单元通风)为本次通风系统优选方案。

3 方案数值模拟分析

运用AutoCAD和Ventsim对矿山通风系统优化改造设计进行建模,然后运用Ventsim[8]对通风系统优化改造设计进行仿真模拟分析。Ventsim通风系统三维模型见图3。

分2个时期对通风系统优化改造方案进行分析,即：浅部生产期(400～－40 m中段)和中深部开采期(240～－160 m中段)的通风系统优化改造模拟分析。

图3 Ventsim通风系统三维模型

3.1 浅部通风系统优化模拟分析

根据通风系统优化改造设计,对容易时期通风系统优化改造进行仿真模拟(见图4)[9]。模拟分析得知：400～280 m东、西翼单元辅扇为风机负压,这2台单元辅扇不能给系统提供动力,并且还阻碍风流流动,因此400～280 m东、西翼单元均不需设置风机,仍需设置单元回风井。删除400～280 m东、西翼单元辅扇后,单元辅扇、东西翼主扇模拟运行情况见表1,主要进风巷、回风巷和通风单元的模拟风速和风量见表2。

图4 浅部Ventsim通风系统三维模型

表1 浅部单元辅扇、东西翼主扇模拟运行情况

由模拟结果[10]可知：

(1)440石门(盲斜井)进风量为11.9 m3/s,老竖井(452)进风量为36.79 m3/s,新竖井(480)进风量为34.52 m3/s,通风系统的总进风量为83.21 m3/s;计算矿井总需风量为75.84 m3/s,从通风系统模拟情况来看,系统总进风量满足生产需要。

表2 浅部主要进回风巷和通风单元的模拟风速和风量

(2)主扇和单元辅扇的运行效率高,运行工况点合理,均大于78%。

(3)主要进风巷、回风巷和通风单元的模拟风速满足《金属非金属矿山安全规程》要求。

3.2 中深部通风系统优化模拟分析

根据通风系统优化改造设计,对困难时期通风系统优化改造进行仿真模拟(见图5)。单元辅扇、东西翼主扇模拟运行情况见表3,主要进风巷、回风巷和通风单元的模拟风速和风量见表4。

图5 中深部Ventsi m通风系统三维模型

由模拟结果可知：

(1)440石门(盲斜井)进风量为7.3 m3/s,老竖井(452)进风量为35.63 m3/s,新竖井(480)进风量为43.73 m3/s,通风系统的总进风量为86.66 m3/s;计算矿井总需风量为75.84 m3/s,从通风系统模拟情况来看,系统总进风量满足生产需要。

(2)主扇和单元辅扇的运行效率高,运行工况点合理,均大于70%。

(3)主要进风巷、回风巷和通风单元的模拟风速满足《金属非金属矿山安全规程》要求。

表3 中深部单元辅扇、东西翼主扇模拟运行情况

表4 中深部主要进回风巷和通风单元模拟风速和风量

4 结论及建议

(1)随着开采的深入,矿山深部将逐步形成新的生产中段,建议矿山逐步完成上部残采中段(440,400,360,320,280 m中段)的采矿,并及时封闭采矿结束的中段,控制同时生产的中段数量。

(2)矿山采用下向分层胶结充填法采矿,采场上部回采作业面和下部出矿作业面分别设置局部通风,无贯通上下中段的通风行人天井,采场无贯穿风流,无2个安全出口,建议采场设置人行通风天井,改善采场通风条件。

(3)矿山目前生产中段12个,布置采场62个,掘进工作面22个,点多面广,建议矿山优化采矿工艺,增大采场产能,减少同时作业采场数量,提高生产效率,减小通风系统负担。

(4)中段开采顺序原则上应采用后退式开采,中段应开拓脉外运输巷和脉内巷道,且均联接单元回风井,中段生产期间保持2条巷道的畅通。

(5)440 m中段目前进行残采,无系统机械通风,应及时进行封闭,本次通风系统优化方案未考虑440 m中段的通风。