挑水河磷矿通风系统三维模型构建及优化应用

柳勇，吴晓明，陈能坤 ，胡建华，周坦

(1.湖北三宁矿业有限公司， 湖北 宜昌市 443000；2.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410000)

0 引言

我国磷矿资源整体上多薄少厚，大部分呈缓倾斜储存[1]。随着缓倾斜薄矿体开采规模的增加作业分散，导致矿山通风系统出现需风点范围大、通风网络复杂、风流紊乱、风量分配不均等问题。随着通风解算软件研究加快，运用解算软件进行通风系统管理是一大重要趋势。利用三维通风模拟软件，可以对井下风网进行快速模拟，准确反馈井下各项通风参数的变化，为通风系统的优化提供重要依据[2]。

1 工程背景及问题分析

湖北三宁挑水河磷矿是正在开采的一座磷矿山，预计储量2亿吨，矿体赋存范围为海拔81.67～614.75 m，矿体平均厚度4 m，整体呈缓倾斜赋存，属于大范围缓倾斜薄矿。

1.1 通风系统现状

根据采区设置及开拓运输系统布置，三宁挑水河磷矿依照设计实行对角单翼式机械抽出通风方式。主扇为一台型号为FCDZ-Ⅱ№27的轴流式风机。工作面所需新鲜风流在 896，902斜坡道进入，流经斜坡道进入各中段采场，供给保障采场工作人员安全。污风经阶段平巷汇入回风巷道，经 1018风井排出地面。根据挑水河磷矿实际建设生产情况，对井下总进出风量进行监测。同时，在矿井中各个盘区主要的运输巷道、局部进回风巷道等地布置测点进行测量。经测定矿山总进风 167.466 m3/s，总回风179.76 m3/s。现有通风系统需求超过矿山设计需风量148.12 m3/s，基本满足现有生产总需风量。

1.2 存在的问题

经对井下通风系统进行详细调查，发现井下南部采区通风系统存在如下问题。

（1）向井下运输和破溜系统提供新鲜风流的1245皮带巷道出现反风，新鲜风流自896巷进入经由862探矿巷道、864中段、860中段、875平巷直至1245送出地面，溜破系统中充斥污风。

（2）南部采区风流短路，新鲜风无法冲刷作业面。南部首采区新鲜风流主要由902斜坡道进入，由902斜坡道流入883主巷，继而由各采区斜坡道冲洗工作面，再由2#回风井经1018风井排出。但经实际测量，新鲜风流经883直接回风，导致新鲜风流难以进入工作面进行冲洗。部分风流出现内部风流短路，由 883～915下山直接回风，另外部分进入工作面的风流难以达到要求，甚至有部分巷道出现反风。2#巷回风量极小，通风未能达到预期效果，工作环境较差。

2 通风优化方案

目前基于迭代解算技术的通风系统管理软件有很多[3-4]，利用软件可以进行矿井通风设计、日常管理、实时解算、系统经济分析、污染物扩散模拟、风机选型、调速及反风试验、构筑物优化等多项功能，建立矿井通风系统的三维模型，方便用户在不同的角度观察通风状态信息以及及时地发现问题[5-9]。

2.1 模型建立

三宁挑水河磷矿在日常生产过程中已经使用数字化矿山软件DMINE进行生产管理，矿山拥有实时的采掘系统图，将矿井生产系统三维模型导入通风解算软件进行实体转换就可以得到三宁挑水河磷矿通风网络仿真模型。其采通风系统三维模型如图1所示。

图1 三宁挑水河磷矿通风模型

2.2 通风系统现状模拟

在测量数据的基础上对矿井三维通风模型进行通风系统现状模拟，解算结果显示进、回风布局与现状相同，总进风 168.8 m3/s，回风 166.2 m3/s，与实际测量基本相符。由于矿山开采范围大、风路复杂，在局部采区出现风流短路、作业面需风量不足、污风反向等问题，与上述基于调查参数总结分析的通风系统问题吻合。如图2所示，其中南部采区如图测点 1-9、1-10出现反风情况，与实际情况相符。902进入的新鲜风流，部分由883西端经联络道至915快速下山回至1018回风井，部分由南四汇入南部回风巷，回风巷回风量过小。测点2-26回风巷回风量与实际大致相符，模拟结果如图3所示。

图2 883-采区情况模拟结果

图3 测点2-26模拟结果

由测量参数和软件模拟对比分析可得，本文所建立的通风系统三维动态模型基本符合矿山通风实际情况。因此在矿山实际运行过程中，可以依托本文所建立模型进行矿山通风系统解算、优化方案调整验证。

3.3 解决措施及模拟验证

针对三挑水河磷矿矿井通风系统现状、存在问题及今后生产对通风的需求，提出南部采区通风系统局部优化措施并进行模拟验证。

（1）方案一。883运输巷的新鲜风流在最小风阻作用下直接由915下山回风，导致南部2#回风井回风量较小，污风串联，甚至反风。因此考虑在883运输巷末端设置自动风门。通过增阻方式，减少直接回风量，以增加冲刷采场的风量，构筑物布置方式见图4。

图4 南部采区通风优化方案一

模拟结果分析如下。

在883巷道末端设置自动风门，模拟风门关闭时的通风网络情况。设置自动风门后，对整体通风网络进行模拟运算。计算结果显示加入风门可以有效地防止风流由联络巷道至915下山回风，增加部分新鲜风冲刷南四采场并进入南部2#回风巷回风。但改善效果不强，南二—883反风情况改善较小。南部回风巷总回风由 26.2 m3/s增加至 27.4 m3/s，测点 2-26 风量由 9.1 m3/s增加至 19.4 m3/s。模拟计算结果如图5所示。

图5 方案一模拟结果

（2）方案二。883运输巷在与883中段和878中段连接处较多，且形成十字岔口，风路组成复杂，通风混乱。且878中段回风距离较短，导致大量风流进入878中段。因此导致研究区域通风效果不理想。在883运输巷末端和883运输设置自动风门，减少混乱风流，控制新鲜风流流向，构筑物布置见图6。

图6 南部采区通风优化方案二

模拟结果分析如下。

通过软件在图6所示巷道位置设置风门后进行通风网络平衡的模拟运算。计算结果显示设置密闭墙和风门可以有效地防止大量新鲜风流进入878中段，改善风流混乱情况。模拟结果显示方案二可有效增加部分风流冲刷采场并进入南部 2#回风巷回风。对南二—883反风情况同样有较大改善。南部回风巷（2#）总回风由 27.4 m3/s增加至 52.6 m3/s，测点2-26风量由9.1 m3/s增加至37.0 m3/s。该方案效果较好。模拟计算结果如图7所示。

图7 方案二模拟结果

方案二基本为方案一补充方案，通过模拟对比，方案二效果较优。该方案不仅可以优化风路，还可以对以后结束回采工作的采场进行最小风流控制和采场通风密闭，减少总体通风的浪费，进一步实现总体通风网络优化。

3 结论

（1）以挑水河磷矿为对象，对典型大范围开采的缓倾斜薄矿体通风网络进行研究。结合井下实测发现，原设计“四进一回”的通风格局变为“三进两回”，总进、回风路径与设计不符；井下南部开采区域产生风流短路和污风循环，需风工作面风量不足，风流浪费严重，导致南部采区工作环境变差。

（2）采用通风模拟软件建立了挑水河磷矿的通风系统三维模型，并进行井下风网验证性模拟。模拟结果显示，所建模型可以有效反映井下通风实际情况，为开展通风系统方案研究奠定了基础，不仅提高了方案设计效率，而且同时实现了通风系统的可视化展示。

（3）针对通风问题突出的南部采区，设计优化方案，经模型验证，最终确定在883运输巷末端和883运输巷与878中段相连接的岔口设置自动风门，通过增加通风构筑物改变巷道风阻控制风流流向，减少混乱风流现象。