程潮铁矿深部开采通风系统优化与热害模拟研究

吴文博 刘 洋 任高峰 韩亚民 李吉民

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430074;2.湖北碳排放权交易中心,湖北 武汉 430070;3.武钢资源集团程潮矿业有限公司,湖北 鄂州 436051)

矿井通风网络是描述通风系统中风流分岔、汇合线路的一种结构形式,随着井下采掘工作面的接替,开采深度的增加,通风网络也在不断发生变化。矿山深部开采过程中,往往会因为实际生产方案与已有通风设计不符而形成一些不合理的通风网络,导致矿井通风系统紊乱,通风效果变差[1-4]。

由于地热梯度的影响,岩石的温度会随着埋深增加而上升,不同区域的地热梯度可能相差较大,地壳的近似平均地热梯度是每千米25 ℃,导致深井开采通常会面临高地温引发的热害问题,由于我国对于深井开采的定义是开采深度超过800 m 的矿山,因此对于矿山开采深度小于800 m 时所面临的热害问题少有研究[5-7]。事实上由于矿井生产环境复杂,井下热害问题凸显的区域并不总是最深的中段,井下热害问题的成因也呈现多元化。

自1953年Scott 和Hinsley 首次使用计算机解决通风网络问题以来,通风网络解算、分析及绘图软件得到了深入研究和开发[8]。国内外学者利用通风网络解算软件已开展过许多研究。杨铁江等[9]利用Ventsim 建立了矿井反风模型,解算了采取反风措施后矿井风量分配及火灾烟气CO 分布,优化了通风系统反风能力;李孜军等[10]在Ventsim 通风模型中选取有代表性的分支,运用单因素分析法研究矿井风阻变化对风机工况以及通风稳定性的影响;辛嵩等[11]基于Ventsim 构建山东郓城煤矿矿井单翼通风系统模型,分析单翼通风系统存在的问题,并对其通风阻力进行优化处理;袁明昌等[12]则是结合现场调查数据解算矿井需风量,分析通风效果后再对Ventsim 模型进行风机调节、风阻调节等优化方案。

关于Ventsim 的研究主要集中在通风网络模型构建、风机参数调节、通风阻力系数优化等方面,研究者均建立了不同规模的通风网络模型并加以分析,但普遍缺乏对于所建通风三维模型是否可靠的验证,同时也少见应用Ventsim 开展热模拟研究工作。事实上,由于矿山生产系统的变动和复杂性,依据设计资料所构建的模型往往与实际生产情况并不贴合,从而使得解算结果与实际不符,得到的优化方案也无法起到预期效果。另外,程潮铁矿井下-570 m 中段所面临的热害问题的主要成因及治理方式也亟待深入探究。

1 工程背景

程潮铁矿采用对角式通风系统,进风井有4条,分别为新副井、措施井、东主井和西风井,现由于东主井垮塌,计划将东主井封闭。回风井有2条,分别为西区回风井和新回风井,西区回风井主扇工作风量为150 m3/s,新回风井主扇工作风量为370 m3/s ,通风系统总风量为520 m3/s。

通风系统新鲜风流由新副井、措施井、西风井和东主井进入-430 m 中段,然后经采区进风天井到各分段下盘沿脉巷,污风由采区出风天井分别上行进入-447 m 中段的新回风井排出地表。现阶段采矿作业点主要集中在-480 m 中段与-500 m 中段,-570 m中段尚处于开拓掘进阶段。地表各风井、地下-500 m 标高以上中段总体情况如图1所示。

图1 程潮铁矿通风系统立体图Fig.1 Stereoscopic view of ventilation system of Chengchao Iron Mine

2 通风系统调查

2.1 通风系统特点

为了更合理地建立符合程潮工程实际的三维通风模型,结合程潮铁矿的开采现状总结了以下特点:

(1)目前开采中段集中在-480 m 中段,-430 m以上的中段基本不再有生产活动,其主要通风设施及进风马头门均已封闭,对现有的通风系统基本无影响。

(2)由于-480 m 中段为正在开采的采场,而采场施工与运输工作对风流扰动作用明显,极大影响了测试精度,测定过程中取消了对该生产中段的测定,同时针对-430 m 中段和-500 m 中段开展详细测定,并绘制-430 m 中段、-500 m 中段通风网络调查图。

2.2 矿井通风与热害调查

基于上述特点,对通风系统现状进行了全面的调查,绘制了相关中段图纸资料,全面掌握了各重要中段通风设施布置情况、主要漏风地点及作业点的风速、过风断面面积、风压等[13]。同时开展井下各中段的热害情况调查,测定了各中段的气流及巷道壁面温度,对热害凸显区的高功率设备信息进行了统计,在后面第5 节中将结合通风优化措施进行分析,本次使用的测量仪器及相关参数如表1所示,现场测试照片如图2所示。

图2 实地测量图片Fig.2 Field survey

表1 测试仪器参数Table 1 Parameters of test instruments

利用调查所获得的资料,基于Ventsim 通风网络解算软件建立动态三维模型并验证模型的可靠性,为通风系统的优化方案制定提供依据[14]。

本次测定共布置60个测点,测定在矿山正常生产的条件下进行,测点布置在井巷主要通风路线及风量变化位置处。现场调查与测定结果表明,通风系统存在以下几个方面的问题:

(1)-430 m 中段东区7 号穿脉与东6 号穿脉之间的风流处于停滞状态,此处风流干扰严重。-430 m中段2#电梯井进风量过大,现场实测数据达到50 m3/s,造成了大量的风量浪费;-430 m 中段风量充足,但与-500 m 中段直接相连的通风井却不多,新鲜风流需要克服更大的通风阻力才能向深部采场输送。

(2)-570 m 中段所产生的污风由-500 m 中段与-570 m 中段相连的通风井中的风机吹至-500 m 中段,然而-500 m 中段的通风效果不理想,因此污风无法及时排出,导致对该生产中段的风流造成了较大范围的污染。

(3)通风构筑物不完善,对于停止生产的采区、穿脉封堵措施不到位,造成漏风。风井维护情况不好,井口杂物堆积,改变了局部通风阻力系数,影响风流分配。

(4)风流短路现象较为明显,一方面是由于回风井与部分进风井的距离较短,新鲜风流无法形成风流的长距离输送;另一方面仍然是由于生产原因所导致的通风阻力不合理,造成整个矿井通风系统的技术经济效果不理想。

3 Ventsim 三维通风模型构建

程潮铁矿三维通风模型的构建过程:首先按传统方式导入设计CAD 图纸建立初步模型;然后根据实地调查所测定的相关巷道环境信息对模型巷道信息进行补充修正,对比-430 m、-500 m 中段通风网络图修正模型通风阻力设施参数;最后将模拟结果与实地测定风量数据对比,如误差在允许范围内,则证明模型是贴合工程实际的。具体构建步骤如下:

(1)将程潮铁矿通风系统的CAD 图绘制为单线图,将通风单线网络图导入Ventsim 中,构建好基于Ventsim 的程潮铁矿三维通风模型。

(2)根据风机实际布设情况设置进回风井与风机工作参数,将在前期调查中采集的通风阻力系数、支护形式、通风构筑物、断面形状、断面面积、进风口大气压力、温度、湿度等信息赋值在模型中,建立并修正模型、解算通风系统。

(3)将所建模型中-430 m、-500 m 中段的风流流向解算结果与矿山实地风向情况进行对比,结果表明实地测定情况与模拟风向均完全一致,对比情况如图3所示。

图3 -430 m、-500 m 中段通风网络Fig.3 Ventilation network diagram of -430 m,-500 m level

模型风流流向与实际情况一致,进一步选取主要生产节点的风量实测数据和模拟解算数据作比较,若选取点的实测数据与模型中解算的风量数值基本一致,则所建Ventsim 模型符合矿山实际情况。具体过程如下:

程潮铁矿生产过程中,风流从直通地表的各进风井进入到各中段,再经各中段间的盲通风井进入到各阶段中,完成生产中段中的污风洗刷工作后经由回风井流出。验证节点设置在主要进风井与各中段连接的马头门处、各中段运输大巷和各阶段间相连的通风井中[15]。

将每一验证节点的实测数据与Ventsim 模型中该点的模拟计算值列至表2、表3、表4,同时测定风量与模拟结果对比如图4所示。

图4 测定风量与模拟值对比Fig.4 Comparison between measured air volume and simulation results

表2 -430 m 中段对比Table 2 Comparison of -430 m level

表3 -500 m 中段对比Table 3 Comparison of -500 m level

表4 -570 m 中段对比Table 4 Comparison of -570 m level

对上述对比结果进行分析,新副井马头门处风流偏差值较大,主要原因是矿山在-360 m中段新副井马头门处布设了弹性风门,而Ventsim 中无法对这种风门进行模拟,选择的是密闭风门,由此导致数值差异。在其余中段选取的验证节点上,Ventsim 通风模型的理论解算值与实际测量值结果相差较小,风向均完全一致,经测算,所选取的全部13个节点理论计算值与实际测量值的风量平均差值为4.33 m3/s ,风速平均差值为0.36 m3/s。模拟结果在测量误差以及通风阻力系数误差允许范围内,因此构建的模型具备准确性。

4 通风系统优化

通风系统优化方案应当从技术、安全、经济方面综合考虑。对Ventsim 模型采取的主要参数调整方案为增阻、减阻调节,不涉及加大巷道断面尺寸和修改支护条件,以求尽可能在现有通风网络和生产环境的基础上提出成本低、操作易的优化措施[16]。

4.1 通风系统问题分析

(1)-430 m 中段东区。-430 m 中段的总进风量大,进风源较多,东区主要来源于西风井、措施井、新副井、东主井、东风井。在3#电梯井处,自西风井分来的风流与自东风井而来的风流交汇并达到两向风流风压近乎平衡的状态,此处Ventsim 模型中解算风量为0.21 m3/s ,实测风量近似为0 m3/s。

(2)-430 m 中段东、西区之间。2#电梯井口(-430 m 中段至-500 m 中段电梯井,此井同时连接-447 m 中段的新回风井)处的实测进风量达到50 m3/s ,模型解算风量为48.2 m3/s。此处风流来源于西风井、措施井以及新副井的进风,而模型在-500 m 中段该处电梯井井口的模拟情况同样是电梯井进风,解算进风量为6.3 m3/s ,这表明来自-430 m、-500 m 中段的大量新鲜风流并没有洗刷巷道或工作面就通过2#电梯井直接回至-447 m 中段的新回风井,造成了大量风流浪费。

(3)-500 m 中段。矿山工作人员在-500 m 中段措施井处安置了密闭风门,在斜坡道和回风井之间基本处无风状态。7 号穿脉中有一通往-570 m 中段的风井,来自-570 m 中段的回风井的污风通过风井中风机上行,对-500 m 中段的风流造成了一定污染。

4.2 优化方案模拟分析

(1)-430m 中段优化。-430 m 中段东区开采已经结束,对新鲜风流的需求不大,应当将新鲜风流引入与-500 m 中段相连的风井。但东区的5 号、6 号、7 号穿脉中与-360 m 中段相连的通风井却并未封堵,这造成了部分风流的浪费。6 号穿脉中与-360 m中段相连的通风井封堵前后效果对比见图5,-430 m中段东区5 号、6 号、7 号穿脉中与-360 m 中段相连的通风井封堵前后效果对比如表5。优化后流向-500 m 中段的新鲜风流增加15.3 m3/s ,-430 m 中段的东区主巷通风效果也有所改善。

表5 -430 m 中段优化前后风量解算对比Table 5 Comparison of air volume calculation before and after -430 m level optimization

图5 -430 m 中段优化前后效果对比Fig.5 Comparison of effects before and after optimization at -430 m level

(2)-447 m 中段优化。在2#电梯井-447 m 中段与新回风井相连处加装风门,目的是使新鲜风流在进入新回风井前洗刷更多的巷道。2#电梯井在-447 m 中段与新回风井相连处加装风门前后效果对比如图6所示。可以看到,加装风门后,2#电梯井的进风量从48.2 m3/s 减少至12.5 m3/s。

图6 2#电梯井安装风门前后效果对比Fig.6 Effect comparison before and after installing damper in 2# elevator shaft

(3)-500 m 中段优化。-500 m 水平在措施井处安置了密闭风门,此处风门的作用不甚明确,开启-500 m 中段措施井处风门后,模型解算汇入-500 m运输中段的新鲜风流量达21.2 m3/s。通风效果不好也与各中段风井未发挥实际作用有关,矿山管理人员应当对风井进行定期检查、清理工作,减小通风阻力利于新鲜风流汇入。

5 热害成因分析及热模拟

5.1 井下热害调查

井下热量的来源分为自然热源和机械热源两种,自然热源指随埋深的增加由地温梯度差所引起的地热,导致岩体向巷道内气体环境散热;机械热源则指井下各型设备运行时的散热[17]。为了清楚判断程潮铁矿井下-570 m 中段热害现象凸显的成因,对井口至井底不同埋深中段的平均气流温度、平均壁面温度、峰值气流温度以及峰值壁面温度开展了详细调查,具体结果见图7所示。

图7 井下各中段温度数据Fig.7 Temperature data of various levels underground

调查过程中,各中段均具备以下特点,在通风效果较好的中段,即使埋深已经较深,巷道气流温度与壁面温度也均未达到引发热害的程度,以井下-675 m 中段破碎硐室为例,颚式破碎机未工作时,-675 m中段气流温度处于21～23 ℃,同测点的壁面温度则比气流温度高1～3 ℃,且距进风路更近地点的气流与巷道壁面间温度差值更大。

调查结果表明,井下大部分地点的壁面温度高于气流温度,差值范围为0～3 ℃。-675 m、-780 m 中段的环境温度在22～25 ℃之间,高于地面与低埋深中段的环境温度,说明自然热源对井下气体温度的影响是随着深度的增加而逐步增大,但由于井下这两中段通风状况良好以及开采深度不够,导致自然热源并未成为现阶段井下热害的主要成因。井下现阶段热害集中在-570 m 中段,其气流温度、壁面温度均为最高,主要成因是该中段大型柴油铲运机设备使用以及通风效果不佳,造成累积升温效应。

5.2 热模拟

-570 m 中段正处于开拓阶段,该中段尚未与主进风井贯通导致进风量不足,且运行有大型设备柴油铲运机,目前是井下体感温湿度最高的中段,接近工作地点处局部气温可达30.6 ℃,超出了《金属非金属矿山安全规程》中所规定的连续作业场所湿球温度27 ℃阈值,影响了工作人员的工作效率和身心健康。

为进一步探究井下柴油机设备使用对巷道内热流分布的影响,基于Ventsim 热模拟平台开展井下-570 m 中段运输主巷柴油机设备运行对巷道环境影响的模拟。同时,对比通风优化方案前后的热模拟结果,探究通风效果的改善对井下热环境的影响。

-570 m 主巷运输采用XD950 型号的井下装载机,具体工作参数见表6。

表6 XD950 井下装载机工作参数Table 6 Working parameters of XD950 downhole loader

(1)通风优化前。实地调查中,-570 m 中段运输巷平均断面面积为20.34 m2,目前安排了2 台井下装载机进行铲装工作,因此热源设定为2 台柴油机,热源属性为点热源,柴油机工作效率取35%,平均使用率取50%,工作路面为运输平巷,势能转换率取0%。将这些参数输入Ventsim 热模拟计算器中,得到柴油热源的估计显热为148.7 kW、潜热82.7 kW。将计算参数赋值给-570 m 中段运输平巷,将运输平巷围岩参数设定为辉长岩,系统自动赋予辉长岩的导热参数,巷道进路初始气流条件设定为湿球温度20.0 ℃,干球温度30.0 ℃,气体湿度36.1%,风流速度1.3 m/s。条件设置完成后,运行热模拟,计算完成后显示运输巷道热参数,计算结果见表7。

表7 -570 m 中段运输巷道热模拟结果Table 7 Thermal simulation results of -570 m level transport roadway

从模拟结果可以看出,井下柴油机运输设备的工作对巷道的整体温度有提升效果,以运输巷柴油铲运机为核心,临近巷道(运输巷进风路)的风流湿球温度提升了7.1 ℃,运输巷本身的风流温度相较初始气流温度提高了10.2 ℃,模拟结果与实际调查结果较好贴合。说明柴油铲运机在工作的过程中,不仅对巷道本身与巷道下风方向的气流造成了升温影响,也同时对附近整体的巷道进行了升温。

(2)通风优化后。在Ventsim 平台中完成通风优化措施后,-570 m 运输巷的风流速度从1.1 m/s 增至2.1 m/s,保持其他参数不变并进行热模拟,前后模拟对比结果如图8所示。

图8 通风优化前后热模拟对比Fig.8 Comparison of thermal simulation before and after ventilation optimization

优化通风系统后-570 m 中段湿球温度均降低至《金属非金属矿山安全规程》要求阈值以下,各处模拟地点平均降温3.4 ℃,满足矿山生产需求。

综合模拟分析与前文调查结果,可以表明,在地热梯度正常的地域,金属矿床埋深达到700 m时,井下开采所面临的热害问题仍然主要取决于大型设备的运转和通风情况的好坏,由地温梯度所导致逐渐升高的岩壁温度并非是井下开采过程中热害问题的主要成因。因此,对于国内目前大部分地下矿山的开采而言,热害的主要治理方案应集中在改善矿区通风和减少大型柴油机械设备的使用上,使用高功率设备作业时辅以相应的冷却措施也较为合理。

6 结 论

(1)针对程潮铁矿目前的通风系统开展了详细调查,建立了贴合工程实际的通风网络模型,对模型的准确性进行了流向、风量2个参数的对比校验,在充分验证模型可靠性的基础上发现其通风系统存在的问题并提出了优化方案。

(2)将-430 m 中段东区5 号、6 号、7 号穿脉中与-360m 中段相连的通风井封堵,以减小通往-360 m中段的回风风量,从而使通往-500 m 中段的4 306、4 307 风井中的风量增加,模拟结果表明-500 m 中段进风量可增加15.3 m3/s。

(3)在-447 m 中段2#电梯井与新回风井相连处加装风门,使得原本通过电梯井流向-447 m 中段新回风井的新鲜风流从48.2 m3/s 减少至12.5 m3/s。打开-500 m 中段措施井马头门处安装的风门,对比未开风门时新鲜风流量增加21.2 m3/s。

(4)对井下各中段进行了气流与巷道壁面温度调查,得出-570 m 中段热害主要成因为大型柴油铲运机设备使用以及通风效果不佳。开展了-570 m 中段运输主巷柴油机设备运行对巷道环境影响的热模拟研究,进行了通风优化前后的热模拟对比,结果表明风速自1.1 m/s 增至2.1 m/s 后各处模拟地点平均降温3.4 ℃,证明了通风系统的优化对程潮铁矿-570 m 中段热害的治理效果,同时为国内大部分地下开采矿山的井下热害治理工作提供一定参考。