复杂采空区条件下井下通风系统模拟仿真与优化

陈晓利

摘要：庙岭金矿井下采空区规模庞大，大量的废弃巷道和未处理采空区，导致井下通风风流紊乱、漏风量大、通风效果差、主扇运转效率低。基于变权重与可变模糊集耦合模型对现有复杂采空区进行了稳定性风险评估，通过对安全风险较大的采空区进行充填治理、对风险一般的采空区和废弃巷道进行封闭，大大减少了漏风和串风现象。增设459 m平硐作进风通道，将原单翼对角式通风系统优化为双翼对角式通风系统，大大缩短了通风线路，改善了进风质量。基于Ventsim的矿井通风网络模拟与仿真，解算了容易时期和困难时期机械通风所需的风压。在充分利用现有风机和新增少量采掘工程的基础上，有效改善了风流质量，保障了通风效果，节约了系统改造投资成本。

关键词：复杂采空区;漏风串风;通风系统;模拟仿真;稳定性

作为全国第二大产金省，河南省黄金资源丰富，保有金资源量超过2 000 t，主要分布在小秦岭、伏牛山、熊耳山、桐柏山等地区[1]。但是，由于大多数为中小型规模的岩金矿山，且仍然沿用留矿采矿法、房柱采矿法等空场采矿工艺，广大中小型金矿普遍存在采空区安全隐患突出、井下漏风串风等问题，严重影响矿山的正常生产和可持续发展。因此，亟需深入开展复杂采空区治理和通风系统优化研究工作。

1 工程背景

嵩县庙岭金矿有限公司（下称“庙岭金矿”）位于河南省嵩县大章乡东湾村，是一座设计生产能力13.5万t/a的地下开采矿山。开采矿床属破碎带蚀变岩型，矿体产出严格受近南北向含金断裂蚀变带控制，主矿体分布在含金断裂蚀变带中，水文地质条件简单，顶底板围岩破碎，稳固性较差，工程地质条件属中等—偏复杂类型。矿区目前采用平硐+盲竖井联合开拓方式，多年来一直采用空场采矿法开采[2]。

庙岭金矿采用机械抽出式通风方式，由北PD512平硐口进风、PD596平硐回风，属单翼对角式通风系统，通风机安装在PD596平硐口。新鲜风流均由北PD512、512 m中段运输平巷、盲竖井进入井下各中段，经采掘工作面，清洗工作面，污风经各中段回风天井、512 m中段辅助回风巷、回风井（512 m～596 m中段）、596 m中段回风巷、PD596由风机排出地面。矿山现有K45-4-№13型通风机1台，风量28.6～53.8 m3/s，风压943～1 810 Pa。

由于庙岭金矿459 m水平以上中段采用空场采矿法开采，采空区总体积已超过10万m3，部分规模较大的单个采空区体积已达到1.8万m3（见表1）。由于矿体产出严格受断裂蚀变带控制，矿体及其顶底板以软弱破碎岩体为主，回采结束后极易发生矿柱失稳、顶板冒落和采场坍塌现象，部分回采巷道底鼓变形严重，支护基本失效，部分采空区已出现纵横交错、上下贯通、长期淋水的现象，加上矿山上部遗留了大量的废弃巷道和未处理采空区，形成了复杂的采空区，导致井下漏风、串风严重（见图1）。矿山整体的通风系统虽已形成，但是未能根据各中段同时生产矿块数和生产能力来合理分配风量，井下实际通风效果差。

2 通风系统优化调整方案

2.1 复杂采空区稳定性分析

廟岭金矿已有大型采空区纵横交错，相互影响，诸多影响因素复杂且多不相容。在分析复杂采空区稳定性风险影响因素的基础上，基于变权重与可变模糊集耦合模型对统计的7个特大采空区的稳定性风险进行评估。采空区危险性综合评价指标体系见图2，选取4项地质条件影响因子：岩体结构（X1）、地质构造（X2）、岩石抗压强度（X3）、水文因素（X4）;6项开采技术条件影响因子：矿体倾角（X5）、高跨比（X6）、采空区埋深（X7）、最大暴露面积（X8）、矿柱面积比（X9）、爆破扰动（X10）;6项采空区影响因子：采空区形状（X11）、实际采空区体积（X12）、采空区分散度（X13）、采空区贯通重叠情况（X14）、采空区形成时间（X15）、采空区失稳状况（X16）;总计16项主要影响因子[3]。各采空区调查数据汇总见表2。

基于变权重与可变模糊集耦合模型计算得出采空区风险评估结果。结果表明：459～478-3号、459～478-5号、459～478-6号、478～512-7号采空区风险为Ⅱ级，整体安全风险较大;459～478-1号、459～478-2号、459～478-4号采空区风险为Ⅲ级，安全风险一般。

2.2 调整措施

1）加强采空区充填与封堵。基于变权重与可变模糊集耦合模型计算得出了采空区风险评估结果。为了保证深部回采作业的安全，防止采空区进一步塌陷，减少采空区漏风、串风，必须对安全风险较大的4个大规模采空区进行充填治理，消除采空区安全隐患，对剩余安全风险一般的采空区则可暂时采用砌墙封闭的方式，防止风流短路和泄漏。同时，针对矿山上部中段存在的大量废弃巷道，应通过优化通风线路、封堵等措施，缩短通风线路，改善风流质量，保障通风效果。

2）增加进风通道。矿山现采用北PD512平硐口进风、PD596平硐回风的单翼对角式通风系统。由于459 m平硐是人员、材料和设备通行的主要通道，因此459 m平硐需兼作进风通道。经核算，459 m平硐兼作进风通道后风流线路较原北PD512平硐口进风缩短300～500 m，通风阻力减少10 %～20 %，不仅不会对原有通风系统造成不利影响，反而有利于改善整体的通风效果。

3）设置专用回风通道。根据矿体的赋存条件及开拓系统布置形式，结合矿山目前正在使用的上向水平进路充填采矿法的通风要求，新鲜风流自矿体下盘斜坡道进入各分段巷道，经穿脉进入各回采进路，污风经局扇抽出后进入布置在矿体上盘的专用充填回风上山排至上一个中段，并最终汇入512～596 m专用回风井，由布置在PD596平硐的风机排出地面，庙岭金矿通风系统优化调整方案见图3。由于庙岭金矿矿体倾角较缓，因此在矿体上盘布设专用的回风上山作为回风通道更加安全合理。

3 矿井通风风量与风阻计算

3.1 矿井总需风量计算

根据GB 16423—2006 《金属非金属矿山安全规程》，矿井需风量应分别按同时工作的最多人数、排尘风速、柴油设备净化需风量进行计算，并取最大值。

1）按井下最大班工作人数确定需风量。庙岭金矿采矿能力为13.5万t/a，最大班工作人数50人。按每人供风量不少于4 m3/min计算，则井下总需风量为200 m3/min，即3.4 m3/s。

2）按排尘风速确定需风量。根据采矿工艺结构参数，采矿工作面为巷道型采场，工作面最大面积为10 m2，按排尘风速0.25 m/s计算，单采矿工作面需风量为2.5 m3/s。掘进巷道工作面最大面积为4 m2，按排尘风速0.25 m/s计算，单采矿工作面需风量为1.0 m3/s。

（1）回采工作面需风量。按照设计的充填采矿方法，正常生产时期要维持13.5万t/a的矿石生产规模，需要8个生产采场（单采场生产能力按50 t/d计算），4个备用采场，单个备用采场需风量按单个普通作业采场需风量的50 %计算，则回采工作面需风量为25.0 m3/s。

（2）掘进工作面需风量。技术改造最大所需掘进工作面2个，则掘进工作面需风量为2.0 m3/s。

（3）硐室需风量。井下同时工作的硐室主要为1个变电硐室、1个修理硐室、1个装卸矿硐室。根据GB 16423—2006 《金属非金属矿山安全规程》，单个变电硐室需风量为2.0 m3/s，单个修理硐室和装卸矿硐室需风量为1.5 m3/s，则硐室需风量为5.0 m3/s。

（4）矿井总需风量。漏风系数均取1.25，则矿井总需风量为40.0 m3/s。

3.2 通风线路及风量分配

考虑到459 m平硐是人员、材料和设备通行的主要通道，459 m平硐需兼作进风通道，原单翼对角式通风系统优化改造为459 m平硐和512 m平硐进风、PD596平硐回风的双翼对角式通风系统。同时，风路沿线采空区和废弃巷道均要求封闭。

512 m平硐进风风量25.0 m3/s，满足5个采场同时回采作业要求，新鲜风流经512 m平硐—盲竖井—419 m中段—斜坡道—429～449 m分段—穿脉—采场，污风经回风天井—459 m中段专用回风道—478 m中段—512 m中段—596 m中段，抽出地表。459 m平硐进风风量15.0 m3/s，满足3个采场同时回采作业要求，新鲜风流经459 m平硐—459 m中段—斜坡道—439～471 m分段—穿脉—采场，污风经回风天井—459 m中段专用回风道—478 m中段—512 m中段—596 m中段，抽出地表。

3.3 矿井通风总风阻计算

庙岭金矿在通风困难时期与通风容易时期总摩擦阻力的计算公式[4]如下：

式中：pf为井巷的摩擦阻力（Pa）;α为井巷的摩擦阻力系数（kg/m3）;lp为井巷断面的周界长度（m）;l为巷道的长度（m）;S为井巷断面面积（m2）;Q为流过井巷的风量（m3/s）。

通风容易时期和困难时期，通风网络解算结果表明：512 m平硐进风风量25.0 m3/s，容易时期总风阻为1 489.0 Pa（449 m中段2盘区和4盘区5条进路同时回采），困难时期为1 861.7 Pa（429 m中段1盘区和2盘区5条进路同时回采，见表3）;459 m平硐进风风量15.0 m3/s，容易时期总风阻为1 225.9 Pa（471 m中段3个采场同时回采，见表4），困难时期为1 530.7 Pa（439 m中段2盘区和4盘区3个采场同时回采）。根据通风系统及通风方式，计算矿井自然风压夏季为-40 Pa（与机械通风方向相反）、冬季为80 Pa（与机械通风方向相同），则庙岭金矿的机械通风所需风压为1 145.7～1 901.4 Pa（见表5）。

4 基于Ventsim的矿井通风网络模拟与解算

Ventsim是一款功能强大的通风模拟仿真软件，包含三维通风设计、风网解算、风机选型和通风过程动态模拟，高级功能提供热模拟、污染物扩散模拟等功能。将现有生产中段和459 m中段以上回采结束的中段平面图导入Ventsim软件，分别赋予真实高程，根据矿山生产实际，建立各中段之間的关系，调整巷道断面的大小和风阻，在与实际对应的风井、巷道的位置上安设风机，建立通风系统三维模型，并进行解算[5]。

进行矿井通风总风阻计算的具体做法是：按通风容易时期和通风困难时期，分别选定通风线路最长，通过风量较大的一条风路作为阻力最大的风路，沿着这条风路分别计算各段井巷的摩擦阻力，叠加总和得出全矿的总摩擦阻力[6]。庙岭金矿在通风困难时期与通风容易时期的总摩擦阻力的计算采用Ventsim网络仿真系统进行解算。

基于Ventsim三维通风模拟仿真软件对庙岭金矿井下通风系统进行模拟与解算，结果表明：通风容易时期和困难时期，512 m平硐进风风量25.0 m3/s、459 m平硐进风风量15.0 m3/s时，机械通风所需风压为1 050～1 880 Pa，与计算结果误差在5 %以内。

庙岭金矿现有主扇为K45-4-№13型通风机，风量28.6～53.8 m3/s，风压943～1 810 Pa。根据计算和Ventsim模拟解算结果，现有主扇风机风量满足要求，风压略有不足。考虑到庙岭金矿保有资源储量即将枯竭，按照13.5万t/a满负荷生产的时间极短，建议仍利用现有风机进行通风，采场内通过增设局扇辅助通风，但是要求风路沿线采空区和废弃巷道均封闭，以减少采空区漏风、串风现象。同时，考虑作业面分风需要，并为减少因负压不平衡而产生风量分配不合理的现象，拟在各主要需风岔口和回风联络道中设置测风站和活动式调节风门，根据实测差值调节风量。生产中，随采掘面转移应及时密闭采空区通道和调整通风系统，以减少漏风并适应作业面转移时的通风需要[7]。

5 结 论

1）庙岭金矿一直采用空场采矿法开采，采空区体积庞大，大量的废弃巷道和未处理采空区，导致井下漏风、串风严重，矿山也未能根据各中段同时生产矿块数和生产能力来合理分配风量，导致实际风流紊乱、漏风量大、通风效果差、主扇运转效率低。

2）基于变权重与可变模糊集耦合模型的采空区风险评估结果，必须对安全风险较大的大规模采空区进行充填治理，以消除采空区安全隐患，通过对安全风险一般的采空区和废弃巷道砌墙封闭，大大减少了漏风和串风现象，增设459 m平硐兼作进风通道，将原单翼对角式通风系统优化为双翼对角式通风系统，有效缩短了通风线路，改善了进风质量。

3）基于Ventsim的矿井通风系统模拟与解算结果表明，通风容易时期和困难时期，512 m平硐进风风量25.0 m3/s、459 m平硐进风风量15.0 m3/s时，机械通风所需风压为1 050～1 880 Pa，与计算结果误差在5 %以内。在充分利用现有风机和新增少量采掘工程的基础上，有效改善了风流质量，保障了通风效果，节约了系统改造投资。

[参 考 文 献]

[1] 谭满堂.小秦岭地区金矿构造控矿规律研究[D].武汉：中国地质大学（武汉），2013.

[2] 中南大学.河南省嵩县庙岭金矿有限公司软破复杂矿体安全高效充填采矿关键技术研究报告[R].长沙：中南大学，2020.

[3] 陈俊宇，周兴晖，李帅，等.基于可变模糊集的特大采空区群稳定性风险评价[J].黄金，2016，37（12）：28-33.

[4] 吴超.矿井通风与空气调节[M].长沙：中南大学出版社，2008：67，112.

[5] 张亚明，何水清，李国清，等.基于Ventsim的高原矿井通风系统优化[J].中国矿业，2016，25（7）：82-86.

[6] 杨正松，任红岗.矿井三维可视化通风系统设计[J].中国矿业，2019，28（增刊2）：226-228.

[7] 蔡长发.江西某金矿井下通风系统优化研究[J].世界有色金属，2019（17）：125-127.