采空区通地表漏风状态下的矿井诱导通风系统研究

聂兴信 高 建 郭进平 付小艳 赵好瑞

(西安建筑科技大学资源工程学院,陕西 西安 710055)

矿井通风系统是矿山开采过程中一个必不可少 的部分,合理的通风系统不仅能保证矿山正常生产,也能保护矿工安全健康。矿井空区漏风是影响矿井通风系统稳定性和矿井安全生产的重要因素[1]。采空区通地表漏风会导致井下风流紊乱,出现采场污风和爆破产生的炮烟无法及时排出等问题,因而对井下因空区漏风因素造成的通风系统紊乱问题进行调控十分必要[2]。

不同的地表漏风量将形成不同的采空区流场,进而影响工作面通风系统[3]。近年来,国内许多学者对空区漏风进行了大量研究。李宗翔等[4]采用有限元计算机数值模拟,结合图形显示技术,以图形方式绘出了风压分布等值线和流线,迅速直观地反映出采空区流场风压的分布和风流流动状况。魏引尚等[5]通过编程将其嵌入到矿井通风网络解算模型中,对采空区漏风分布进行数值模拟,得出采空区漏风流场规律。唐明云等[6]通过Fluent进行流场模拟,发现进风巷的风流速度远大于采空区,说明进风巷的大部分风量都经工作面流向回风巷,而且随着采空区的走向,滤流速度下降较快。高建良等[7]通过对工作面物理模型考虑为多孔介质区域、真实情况、支架与多孔介质区域,结合3种条件下的工作面及采空区流场进行分析,建立了工作面物理模型设置情况下的工作面空间流场分布模型。目前,对于空区漏风问题使用数值模拟方法分析较多,对空区通地表漏风具体的流动规律研究较少。本研究通过Fluent数值模拟研究漏风通道与工作面的距离、漏风通道速度大小对工作面的影响及风流流动规律。根据数值模拟规律,针对承德铜矿采空区通地表漏风实际情况,采用构建通风系统网络、数值模拟分析空区通地表漏风规律、优化通风系统方案等技术手段,解决矿山在生产过程中出现的采空区漏风问题。

1 矿山通风系统现状

1.1 通风系统现状

目前承德铜矿生产规模为60万t/a,采用主、副井、平硐以及下五至下十一采用盲竖井开拓方式,采矿方法为有底柱分段崩落法[8]。矿山采用单翼对角抽出式多风机通风系统[9]。随着开采不断地进行,作业采场面积不断扩大,上部已形成大量的采空区,目前出现了采空区通地表漏风情况[10]。漏风导致井下风流紊乱,出现采场污风和爆破产生的炮烟无法及时排出等问题,严重影响了矿井正常通风。

承德铜矿采用副井、主平硐→盲竖井→下五中段→下八至下十一中段到达生产作业面的通风网络,如图1所示。新鲜风流经上述风路到达下八中段至下十一中段等主要生产中段,清洗工作面后的炮烟,粉尘沿下八、下九中段风机回风,通过小北沟主回风机站风机作用排出,其中小北沟风机型号为DK40-6-№17,风机额定功率为150 kW,下八风机型号为K40-4-№13,风机额定功率为72 kW。

图1 通风系统现状Fig.1 Status of the ventilation system

目前通风问题主要是矿井通风系统下五、下六采空区相互贯通,造成井下污风串流,并且下五中段47号线附近有一空区漏风口,可以观察到空区与地表连通的天窟。矿山通风系统的总风量为46.2 m3/s,通风系统的总进风量为30.2 m3/s,下五中段采空区漏风量为16m3/s,下六中段漏风量为4m3/s,约占通风系统总风量的44%。

1.2 通风系统紊乱致因分析

通过对地表进风口、出风口和下五以下中段通风系统测定,以及采空区漏风情况等进行全面调查,造成通风系统紊乱的主要原因有3个方面:

(1)空区漏风。从测试结果来看,空区进风直接在下五中段47号线可以观察到地表天窗,而下七中段漏风和其他中段漏风是该空区与废弃采场未封堵巷道相连通造成的。

(2)风流短路。由于风机设置不合理,回风井内的风机前后风路相通,且回风线路风阻大于短路风流线路风阻,造成风流循环,风机不能发挥作用,导致风流短路。

(3)分区循环通风。下五中段空区与回风平硐口形成分区通风系统,该通风线路造成井下风机不能作用到井下作业点。下五中段空区与副井形成分区通风系统,该通风系统是井下安全出口井,没有新鲜风流进入。

1.3 采空区漏风特征

(1)“喘吸”漏风现象。采空区多位于正在作业的采掘工作面上部,采取密闭、充填等措施也无法隔绝内外空气的联系,如图2所示,机械式通风系统风压的变化必然要影响采空区内气体的变化[11],形成采空区气体的“喘吸”现象。

图2 空区漏风线路Fig.2 Air leakage line of goaf

(2)机械通风局部循环现象。由于风机设置不合理,回风井内的风机前后风路相通,通风阻力小,且回风线路风阻大于短路风流线路风阻,造成风流循环,导致风流短路,使新鲜风无法从进风巷道进入工作面,如图3所示。

图3 风流短路原理Fig.3 Principal of air short circuit

(3)通风系统风压失衡现象。在生产过程中由于爆破导致采空区覆盖层冒落,使采空区与地表相通,形成空区通地表漏风[12],破坏了原有工作面的通风系统,导致工作面的压差,风速大小发生改变,巷道风流出现紊乱,会严重破坏原通风系统的有效性和风流的稳定性。

1.4 诱导通风思路

通风网络中一般有漏风通道存在,并存在压差时,就会出现空区漏风。当漏风通道无法通过充填、封堵且与地表相通时,可考虑通过风压平衡原理来减少漏风通道漏风,从而改变矿井通地表采空区漏风方向及漏风量大小。

(1)为减少空区漏风,在回风线路中,将通地表采空区假设为一条理想巷道,进而提出了利用通地表采空区诱导通风的思路。

(2)在采空区附近进行空气幕局部封堵,构成诱导措施,将漏风采空区与其他中段形成分区通风,为诱导通地表采空区回风奠定基础。

(3)将漏风通道加入通风网络中,在风向最易改变点来诱导通地表采空区回风,形成诱导通风系统,从而对当前通风系统进行优化完善,实现对采空区漏风的控制。

2 采空区通地表漏风数值模拟

2.1 几何模型构建

根据矿山现场情况,选取工作面的进、回风巷道以及工作面巷道进行分析。采空区模型参数见表1。采空区三维物理模型以工作面进风巷道、采空区走向巷道底面交点为坐标原点,X轴正方向为进风巷方向,Y轴正方向为工作面方向,Z轴正方向垂直向上[13],建立了如图4所示的采空区三维模型。

表1 采空区模型参数Table 1 Parameters of goaf model

图4 采空区三维模型Fig.4 Three-dimensional model of goal

在数值模拟中,采空区模型采用孔隙介质模型,巷道模型则全部充满不可压理想气体,无孔隙介质。生成的采空区三维模型共有网格21 560个,其中工作面巷道有网格1 123个,采空区内网格有19 687个,漏风通道生成计算网格750个,如图5所示。

图5 采空区三维模型网格划分Fig.5 Mesh division of three-dimensional model of goaf

模型边界条件及数值求解方法设定如表2、表3所示。

表2 模型条件设定Table 2 Setting of model condition

表3 模型求解方法设定Table 3 Solving method setting of the model

2.2 空区通地表漏风规律分析

本研究利用FLUENT[14]软件按照上述边界条件和网格划分结果进行数值模拟,研究采空区与工作面之间采空区风流速度和工作面风流速度流线情况,结果如图6所示。

图6 风速流线图Fig.6 Streamline diagrams of wind speed

由图6可知:采空区通地表漏风由漏风通道进入采空区[15],当距工作面较近时,在漏风通道和工作面的采空区风流大致呈“U”形流动,越靠近工作面风流越大,有一部分风向进风巷道流动,会造成工作面风流紊乱,有小部分风流从漏风通道向采空区后方移动。

利用FLUENT软件按照上述边界条件和网格划分结果进行了数值模拟,分析不同漏风量的漏风通道下采空区风流速度情况,结果如图7所示。

图7 采空区风速流线图Fig.7 Streamline diagrams of wind speed in goaf

由图7可知:采空区通地表漏风由漏风通道进入采空区,当漏风速度较小时,在漏风通道和工作面的采空区风流大致呈“U”形流动,越靠近工作面风流越大,有一部分风流向进风巷道流动,会造成工作面风流紊乱,有小部分风流从漏风通道向采空区后方移动;当漏风速度较大时,在漏风通道和工作面的采空区风流大致呈“U”形流动。风流流动规律表现为:靠近漏风通道时速度较大,在向工作面移动过程中先速度减小而后在靠近工作面的时候速度越来越大,有一部分风向进风巷道流动,会造成工作面风流紊乱,有小部分风流从漏风通道向采空区后方移动。

3 诱导通风系统

3.1 优化方案

首先根据该矿井实际情况,拟采用分区通风系统来控制空区漏风,将通风系统建立成上、下两个通风网络。由于采空区与地表连通,采空区上、下盘岩石为花岗岩和大理岩,采空区稳定性较好且采空区与地面连通,采空区通透性较好,故提出利用通地表采空区诱导通风的思路。根据漏风通道与工作面之间的采空区风流和不同漏风量下采空区风流大致呈“U”形流动的特征,选择“U”形中间区域速度最小、风向最易改变点来诱导通地表采空区回风,从而设计了通地表采空区作为独立回风井的分区通风系统方案,如图8所示。

图8 诱导通风系统示意Fig.8 Schematic of induced ventilation system

井下通风系统风流紊乱主要是由于空区漏风、风流短路以及风机配置不合理等因素所致,首先解决空区漏风问题,根据所测数据,对空区漏风和废弃采场进行封堵。具体措施为:

(1)在下五中段和下六中段31号线附近安装风门,为采用分区通风系统打好基础。

(2)在下五中段和下六中段采空区漏风47号线附近进行局部封堵,在下六中段和下七中段连通处进行局部封堵,将漏风采空区与下七至下十一中段进行分区,为诱导通地表采空区回风奠定基础,形成通地表采空区独立回风的分区通风系统方案。

(3)在下六中段49号线选择合适位置安装FBCDZ-6-№19B风机,风机装机功率为260 kW,叶片安装角度为46°/37°,将下八至下十一采场的污风通过回风井排出地表。

(4)选择距工作面75～80 m的采空区区域风向最易改变点来诱导通地表采空区回风,实现通地表采空区作为独立回风井的分区通风系统方案。

3.2 方案效果分析

以矿井下五中段作业面为例,通过构建采空区三维物理模型,方案实施前后的工作面风速流线图如图9所示。得出方案实施后工作面风量从3.2 m3/s增加至6.58 m3/s(表4),可以满足矿山的正常生产需求,井下风流紊乱现象几乎不再出现,工作环境显著改善,矿山有效风量明显提高。此外,下五工作面风流速度仿真结果(6.84 m3/s)与现场实测结果(6.58 m3/s)差别较小(表5)。

表4 现场实测结果Table 4 Field measurement results

图9 下五工作面风速流线图Fig.9 Streamline diagrams of wind speed in lower fifth working face

表5 仿真模型效果Table 5 Simulation model effects

方案实施前后下八至下十中段主要用风点的风量对比如图10所示。由图10可知:应用风向最易改变点诱导通地表采空区回风,来实现通地表采空区作为独立回风井的分区通风系统方案后,主要用风区风量明显增加,缓解了矿井空区漏风,井下通风效果得到明显改善。通过下八至下十中段主要用风点仿真结果和方案实施后风量对比(图11)可知,仿真结果与实测结果基本一致。

图10 方案实施前后主要用风点风量对比Fig.10 Comparison of air volume at main air points before and after implementation of the scheme

图11 仿真结果与方案实施后风量对比Fig.11 Comparison of simulation results and air volume after implementation of the scheme

通过对该矿采空区通地表漏风区域实施诱导通风方案后,井下通风效果得到明显改善[16],表现在:①增大了矿井总风量,缓解了矿井漏风、风流短路和污风串流问题,经过测量,工作面风量由3.2 m3/s提高到6.58 m3/s;② 减少了巷道粉尘污染,加快了采场爆破后炮烟的排出,提高了通风系统的有效风量效率,大幅改善了矿井下部分区作业面的通风效果,能够满足矿井正常作业要求。

4 结 论

通过对承德铜矿采空区通地表漏风控制技术的研究,采用诱导通地表采空区回风实现通地表采空区作为独立回风井的分区通风系统方案,诱导通地表采空区回风,充分利用现有的井巷和风机,对空区进行封堵,减少了风流短路,大大降低了回风井的通风阻力,保障了通风效果。研究得到以下结论:

(1)在采空区稳定性和透气性好的基础上,将诱导通地表采空区用作通风系统回风,总体优化通风网络,对于确保矿井安全生产以及改善矿工工作环境具有重要意义。

(2)采用分区通风是通风系统优化的有效方式,增设风机和对空区进行封堵是通风系统优化的有效思路。

(3)通过Fluent软件实现对采空区通地表矿井漏风的数值模拟分析,总结漏风通道与工作面的距离和漏风通道的漏风速度对空区通地表漏风的影响规律,并据此建立采空区模型,对通风方案实施效果进行仿真分析,是解决矿山在生产过程中出现采空区漏风问题的有效手段。