基于通风网络模拟的多中段开采通风方式选择*

吕 涛 叶义成 王文杰 周 琪

(1.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室;2.武汉科技大学资源与环境工程学院)

金山店铁矿是我国重要的地下铁矿山之一，其张福山矿区设计年产量为230万t，其中西区年产量可达178万t。目前，由于矿区东区回采工作难度较大，西区需加快回采速度以保证整个矿区的生产能力。西区开采下降速度得加快，将比东区更早地结束在－340 m中段的回采和运输工作，并提前进入－410 m中段作业，这将导致东、西区的开采水平高差加大、矿区围岩受力分布改变，并影响开采安全。为平衡两区开采进度，西区进行－410 m中段作业时，东区－340和－410 m中段需同时进行回采，形成多中段开采。

若东区进行多中段开采，东区－410 m水平风流通过－340 m水平进入新回风井，－410 m中段污风将污染－340 m中段采场，影响东区采场通风安全。为保证东区多中段开采采场新鲜风流，有必要在东区通过新掘及改造回风天井改进通风网络。为研究东区多中段开采通风优化方案，在通风网络模拟基础上，探讨了通风网络风流分布规律，为通风方式的选择和通风系统管理奠定了基础。

1 矿山通风系统模型

1.1 三维模型

金山店铁矿现行通风网络模型如图1。其中，平巷宽3.3 m，侧壁高2.4 m，顶部为1/3三心拱;中段模型在中段平面设计图基础上进行了部分简化;对于由风门关闭而形成的封闭区域，模型不予考虑。模型与实际尺寸保持基本一致。

图1 现行通风网络模型

1.2 网格划分及边界条件

采用ICEM划分网格，网格尺寸为0.01～1 m，采用扫略法划分，主要为结构化的六面体网格。

流体介质为25℃空气，相对压力0.1 MPa;流体域采用笛卡尔坐标系，选用标准自由表面模型，对近壁区采用scalable壁面函数法处理［1］;选用k－Epsilon湍流模型作为气体流动控制方程组，其包含连续性方程、动量方程和能量方程3大偏微分方程，这些方程采用其守恒形式，在离散化之后运用计算流体力学工具如CFX来求其数值近似解［2］;以截面负压代替风机调节局部通风。

设置边界条件时，老主井、中央副井、余华寺联络大巷为进风井，西副井、东副井、新主井、西回风井及新回风井为出风井，各进、回风界面设为自由边界;东区－340 m新回风井石门，西区－270 m西回风井石门，溜破系统－450、－488、－520、－590 m新主井石门处设置负压面代替风机。

1.3 通风模拟

1.3.1 模型检验

模拟时，老主井、中央副井、余华寺联络巷道、西副井、东副井、新主井、西回风井、新回风井进出口截面分别重命名为In1、In2、In3、In4、In5、Out1、Out2、Out3(如图1)，模拟结果见表1。由表1可知，模拟结果相对于现场数据单项相对误差均小于10%，平均相对误差为4.5%。考虑复杂通风条件和计算误差，总体来说，模拟结果比较准确，可作为决策依据。

表1 截面风量比较

1.3.2 风流分析

通过模拟结果可以直观观察现行矿区模型风流分布。图2为现行通风网络模型流线图，由该图可知:矿区整体通风状况良好，各区域均有风流分布，其中进出口处风速较大。模拟结果可以较真实地反映矿区通风现状。

图2 现行通风网络模型流线

图3和图4分别为东区－410 m水平通风矢量图和局部流线矢量图。由图可知，东区－410 m水平风流通过－340 m水平进入新回风井。由于矿井空气中有CO、H2S、SO2、NO2、NH3、H2、CH4等有害气体［3］，故需加强通风将其稀释到规定的安全标准以下。此时，可优化通风网络，以改变东区采场通风方式，并保证各开采中段分区通风安全［4］。

图3 东区－410 m水平流线

图4 局部矢量

2 通风网络优化

2.1 优化方案

金属矿山进行多中段同时作业时，通风工作的难点是使各中段工作面都有新鲜风流，并将工作面的污风排至回风道。

针对东区多中段开采存在问题，提出以下方案:

(1)通过人行天井或回风天井将－270、－340、－410 m中段贯通，使－340 m和－410 m这2个中段的风流都通过－270 m中段进行回风。为减少工程量，可以多个中段公用1条回风道，用来汇集各中段作业面所排污风，并将其送到总回风井排出。

(2)东区各水平采用分区通风的方式，同时在进路中间加强局扇作用，改善独头式进路风流。针对－410 m中段通过－270 m中段进行回风时存在的通风线路较长、漏风较多、通风阻力较大等问题，在－410 m中段及格回风天井处添加局扇及通风构筑物以改善－410 m中段的通风效果。

2.2 优化模型

根据优化方案，对现有通风网络模型进行修改:

(1)保持西区结构不变，东区通过新掘－340 m中段回风天井以及改造－410 m中段回风天井将－270 m中段与－340 m、－410 m中段贯通。

(2)在东区－270 m新掘新回风井石门，并关闭－340 m新回风井和－210 m东副井石门。

修改后得到的优化模型边界条件设置基本不变，但增加了东区－270 m石门截面负压，以保证东区多中段开采风量供给。

2.3 结果分析

基于优化模型，利用CFX对矿区通风进行模拟。

(1)中段风流分布。图5和图6分别为－410 m中段和－340 m中段风流流线图。

图5 －410 m中段流线

图6 －340 m中段流线

可知，东区－410和－340 m中段同时开采时，整体通风状况良好，且风流均通过中段回风天井由－270 m中段进行回风。

对比图3和图5可知:现有通风网络模型中，东区－410 m中段通过－340 m中段进行回风，而在优化模型中，东区－410 m中段直接通过－270 m中段进行回风，避免了－410 m及－340 m中段污风的循环及对采场的污染。

(2)风量分布。东区－410 m和－340 m中段穿脉巷道各联接10条中段回风天井，表2为与中段回风天井联接的穿脉联络巷道风速。东区－410 m和－340 m中段部分穿脉回风天井公用1条回风道，因此部分回风天井风量较大，此时，结合模型及表2数据分析可知:穿脉巷道正常回风，且风量基本平均分配。

东区采场整体经由新回风井回风，优化模型中其出口单位时间的风量为293.2 m3/s。由表1数据可知，新回风井出口单位时间的风量为172.6 m3/s，东区风量增加69.9%，保证了东区多中段开采时的风量需要。

表2 穿脉联络巷道单位时间的风量

(3)风速分布。为保证矿区通风安全，局部通风机安装地点与回风口间巷道风速不得低于0.15 m/s［5］。图7为风速大于等于0.15 m/s区域。模拟结果显示:优化网络大部分区域通风良好，部分巷道通风不良。对于通风不良区域，可加局扇以改善通风。

由于实际需要，不同作业空间对于风速要求不同，此时，可根据实际需要修改速度参数，分析不同作业空间通风现状，并采取相应措施以改善区域通风。

图7 通风良好区域

3 结论

(1)金山店铁矿东区进行多中段开采时，在现行通风网络条件下，－410 m中段通过－340 m中段进行回风，易造成－340 m中段采场空气污染。通过新掘及改造回风天井将－270中段与－340、－410 m中段贯通，使－340、－410 m中段污风直接由－270 m中段排出，保证了东区多中段开采时通风安全。

(2)东区－340 m新回风井石门，西区－270 m西回风井石门，溜破系统－450、－488、－520、－590 m新主井石门处设置负压面代替风机，模拟抽出式通风，解决了CFX软件不能预加风机的问题。在后续工作中，将进一步研究负压面压力与风机工作压力之间关系。

(3)利用CFX软件，可有效模拟矿区风流风速及流向，为通风网络组织设计提供理论依据，帮助设计者改进并验证通风优化方案。

(4)为了降低建模和网格划分难度，节省运算时间，在建模时未考虑部分风流过小区域对流场的影响，部分区域简化。建议在以后的模拟研究中应充分考虑各因素的影响，增加对比数据，以便模拟结果能更准确地表征矿区流场状态。

［1］ Wang Qin，Ye Yicheng，Jiang Ying.Simulation on mine water-inrush characteristics of cross roadway based on CFX［J］.Procedia Engineering，2011，26:759-764.

［2］ 贺 城，牛智有，廖 娜.基于CFX的猪舍纵向与横向通风流场模拟［J］.华中农业大学学报，2009，28(5):641-642.

［3］ 李海港，唐敏康，黄同林.金属矿山井下通风系统人机工程可靠性分析［J］.金属矿山，2011(12):139.

［4］ 黄元平.矿井通风［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1986:27.

［5］ 井巷的最高最低风速［EB/OL］.［2012-06-25］.http:∥www.kui.cc/news/2010_3_4/403586.html.