混合式阶段通风网络与回风系统在脉状矿床中的应用研究

盛建红 ，谭星宇 ，朱必勇 ，黄文 ，周林 ，邱金铭

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012；3.崇义章源钨业股份有限公司，江西 赣州市 341000)

0 引言

国内某多脉状矿床开采的金属矿山，前期为了投入少、见效快、减少开拓工程，没有布置中段回风巷、中段回风天井和系统总回风井，仅利用采场回风天井回风，中段采用阶梯式阶段通风网络。前期近地表开采，通风效果还能适应生产需要，但是进入中后期深部开采后，矿井通风系统运行状况、技术参数和环境条件发生较大变化，矿山面临系统总回风不畅通、通风网络复杂、风流短路和漏风严重、通风阻力增加、通风难度加大、管理困难等突出问题。

目前金属非金属矿山常用阶梯式、平行双巷式、棋盘式、上下间隔式和梳式等阶段通风网路[1]。多层平行密集脉状矿床具有多条平行矿脉，且支脉变化多，阶段出露不一，尖灭不一等各种实际形态，上述五种单一的阶段通风网路由于容易造成污风串联、支脉无法回风、开凿工程量大、通风成本高、风流难于控制、漏风等问题，均不适合多层平行密集脉状矿床开采时的通风。因此，研究一种适用于开采多层平行密集脉状矿床且通风效果好、可靠性高的阶段通风网路和回风系统，对降低中后期矿山通风成本，调节井下作业环境，保障生产可持续发展，具有非常重要的现实意义。

1 矿井通风网络现状

1.1 国内外研究分析

在矿井通风网络研究历程中，国外学者对于矿井通风网络的研究早在十九世纪初就已开始，至今已取得许多代表性的成果。1953年，日本平松良雄教授首次提出了“京大第一试算法”，为应用计算机解算矿井通风网络奠定基础。1987年，日本井上雅弘编制的“风丸”软件最早实现了通风系统预测和优化[2-4]。国内矿井通风网络方面的研究起步较晚，但近年来发展迅速，提出了很多具有较强实用性的方法。1990年，马心校在使用斯考德-恒斯雷法解算风网时，提出了校正各回路余树风量的同时校正本回路内各树枝风量，其他不变的思路，结果表明可使各风量接近真值[5]。近年来，基于CFD、ACPSO算法、网络流理论、WINDOWS、回路风量法等各种矿井通风网络解算的分析理论日益系统化，方法丰富化[6-9]，矿井通风网络解算模拟软件也逐步打破国外垄断，2008年，刘剑和倪景峰等人研究的矿井通风仿真系统MVSS首次在国内9省市24个矿井生产集团推广应用[10-11]，数值模拟促进了矿井通风网络分析方法的发展。

1.2 阶段通风网络对比分析

阶段通风网络是由各阶段进、回风巷道和进、回风天井所构成的通风网络，它是连接进风井和回风井的通风干线[12]。分析金属非金属矿山常用五种阶段通风网路结构的特点与多层平行密集脉状矿床开采的适应性，发现阶梯式不能严格遵守回采顺序，且支脉矿体不规整，出露尖灭不一，易造成风流污染或支脉无法回风；平行双巷式开凿工程量较大，适用于矿体较厚、开采强度较大的矿山；棋盘式需开凿一定数量的专用回风天井，通风构筑物也较多，通风成本较高；上下间隔式由于中间阶段回风平巷不能实现专用，且上阶段风流下行难于控制也不适用；梳式需要扩大穿脉巷道断面且修建风障的工程较大，进、回风巷相距很近，容易漏风。对比分析可知：上述五种单一的阶段通风网路，由于容易造成污风串联或支脉无法回风、开凿工程量大、通风成本高、风流难于控制、漏风等问题，均不适合多层平行密集脉状矿床开采，因此，有必要对多层平行密集脉状矿床开采阶段通风网络结构进行优化。

2 混合式阶段通风网络

2.1 网络结构

根据矿山平行密集脉状矿脉赋存情况，克服现有5种阶段通风网络结构的不足，对多层平行密集脉状矿床开采阶段通风网络结构进行优化，研究发明了一种混合式阶段通风网络[13]。

混合式阶段通风网络结构主要是在矿脉端部利用阶段平巷将平行矿脉贯通作为阶段回风巷，在阶段之间利用专用回风天井贯通，并与总回风井连接，形成回风通路。由于脉距很近，在同一阶段可在平行矿脉间开凿一小穿脉，利用已采完矿脉的沿脉巷道作为回风巷，实现平行双巷式通风网路。对于规整的矿脉，利用采场回风天井与上阶段回风巷贯通形成阶梯式网路。对于不规整的矿脉或在上阶段没有出露的矿脉，无法利用采场回风天井与上阶段回风巷贯通，可在同一阶段平行矿脉间开凿一小穿脉，利用相邻沿脉巷道作为回风巷，形成平行双巷式网路，或者在采场上部与平行矿脉的采场回风天井之间开凿一小穿脉，形成混合阶段通风网络。混合式阶段通风网络如图1所示，图1中V1、V2、V3脉可通过采场回风天井利用上阶段已结束作业的运输巷道作为回风道，形成阶梯式阶段通风网路，也可利用端部阶段回风平巷形成平行双巷式阶段通风网路。Vn1支脉由于走向未到端部，可与V1通过小穿脉形成平行双巷式阶段通风网路。另外由于在上部阶段未出露，可通过在采场上部与平行矿脉V1的采场回风天井之间开凿一小穿脉，实现平行阶梯混合式通风网路。Vn2支脉由于走向未到端部，可与V3通过小穿脉形成平行双巷式阶段通风网路。另外由于在上部阶段未出露，可通过在采场上部与平行矿脉V3的采场回风天井之间开凿一小穿脉，实现平行阶梯混合式通风网路。

图1 混合式阶段通风网路

2.2 数值模拟

根据图1，建立一个包含一条进风井，一条回风井，100 m中段、50 m中段和0 m中段共3个中段，V1、V2、V3、Vn1和Vn2共5条矿脉的矿井通风系统，其中Vn1和Vn2两条支脉在100 m中段没有出露。运用 AutoCAD绘制通风系统单线立体图，然后导入Ventsim软件中，转换成三维模型，设置中段、各类井巷的参数和主扇，形成三维模型[14-15]。采用Ventsim三维通风仿真软件分别对阶梯式通风网路、平行双巷式通风网路和混合式阶段通风网络进行风网解算和风流模拟[16-17]，并对比分析模拟结果（见表1）。

表1 各阶段通风网络模拟数据

根据表1，分别绘制各中段沿脉平巷阶梯式通风网路、平行双巷式通风网路和混合式阶段通风网络风量图，如图2所示。

图2 各中段沿脉巷道风量

对比分析模拟结果可知：

（1）Vn1和Vn2两支脉在100 m中段没有出露，采用阶梯式通风网络由于没有上部巷道作为回风巷，风量只有 0.1 m3/s，通风困难；要形成完整的阶梯式通风网络，需要开凿回风天井和回风平巷，工程量大。

（2）在同一阶段平行矿脉间开凿一小穿脉，利用相邻沿脉巷道作为回风巷，实现平行双巷式通风网络后，总回风量由66.9 m3/s增加到67.4 m3/s，Vn1和Vn2两支脉通风风量增加到3.7～4.0 m3/s，V1、V2、V3主脉风量减少到3.9～4.8 m3/s，但提高了有效风量率，总体比Vn1和Vn2两支脉风量大，说明平行双巷式通风网络较好地改善了不规整矿脉，或无法利用采场回风天井回风到上阶段回风巷的矿脉的通风。平行双巷式实现并联后降低了通风风阻，增加了总风量。

（3）在平行双巷式的基础上，再在采场上部与平行矿脉的采场回风天井之间开凿一小穿脉，形成平行阶梯式混合阶段通风网络后，总回风量由67.4 m3/s增加到 67.5 m3/s，V1、V2、V3 主脉以及Vn1和Vn2两支脉风量基本稳定在4.2 m3/s，说明混合式通风网络在少量的工程条件下，实现了多层平行密集矿脉的通风，且通风风阻最低。

混合式阶段通风网络在解决多层平行密集脉状矿床开采过程中的通风问题时，能有效充分利用已有的开拓切割工程，减少不必要的通风井巷，降低通风成本，有利于快速实现采场贯穿风流，缩短回采时间、提高回采效率。并能根据实际条件对风流进行优化调控，可实现回采顺序调整及优化，多阶段多作业点同时作业，可避免回采作业面间风流串联，实现阶段风量调控灵活、合理分配，提高井下作业点通风有效率，有效提高多层平行密集脉状矿床开采安全性。

3 采场回风天井并联回风系统

3.1 回风系统模型

多层平行密集脉状矿床通常采用浅孔留矿法、削壁充填法等采矿方法进行开采。很多矿山前期没有布置系统总回风井，利用采场回风天井回风，造成开采系统总回风不畅通，通风阻力大等问题。根据矿山回风系统存在的问题，研究发明了一种利用上部回采结束的采场回风天井并联回风作为总回风通道的回风系统[18]。

为更好地说明采场回风天井并联回风系统，依据某矿山实际创建一个含 150 m、100 m、50 m、0 m 4个中段的连续采空区的模型，中段高度为50 m，采场长为50 m，采宽为2 m，顶底柱高为5 m，回采天井断面为2.0 m×2.0 m。图3为采场回风天井并联回风作为总回风通道示意图。

图3 采场回风天井并联回风示意图

3.2 安全可靠性分析

直接利用上部采空区作为总回风通道，漏风严重，风流可控性较差且在井下得不到有效利用；另外，采空区形成较长时间后易垮塌，可能封堵回风通道，采空区作为总回风通道安全可靠性较低，因此，为了实现利用采场回风天井并联回风作为总回风通道，需对上部老采场和回风天井进行处理[19-20]，处理措施如下。

（1）选取矿区端部连续性较好的老采场作为利用对象，老采场按要求留设了规范的间柱、底柱和顶柱，布置的采场回风天井如图3所示。利用老采场为跨 150 m、100 m、50 m、0 m 4 个中段的连续采空区，每个中段采空区由多个采场空区形成；采空区上部通过总回风平巷与地表相通，并与下部矿体开采集中回风井相联。

（2）对采空区进行治理。矿脉采用浅孔留矿嗣后废石充填法和削壁充填法开采，利用充填确保采空区的稳定。采用混凝土或挡板封堵漏斗，防止采空区内充填体从漏斗泄出，采场天井下方设置钢筋挡网，防止采场天井内岩石冒落；对采场回风天井进行混凝土或喷浆挂网支护，对各采场进行处理后，各采场天井、中段平巷形成的网络见图3，图中4条首尾相联的采场天井形成回风天井，共形成4条并联回风天井。

（3）除采空区与地表风井、下部矿体开采回风井相通的通道外，其他通道都进行封堵，封堵150 m、100 m、50 m、0 m中段运输巷及与上部相通的井巷。

3.3 回风断面符合性分析

某矿山回风量为51.4 m3/s，总回风井断面要求为8.6 m2。老采场留设回风天井规格为2.0 m×2.0 m，总回风断面积为16 m2，符合通风要求。假如总回风断面要求更大，则多并联几个回风天井，直到回风天井断面总和大于总回风井断面即可，因此，利用采场回风天井并联回风作为总回风井巷回风断面符合要求。

3.4 通风阻力计算

矿井通风阻力主要包括摩擦阻力和局部阻力两部分，其中巷道的通风摩擦阻力由式（1）计算：

式中，hf为巷道通风摩擦阻力，Pa；α为巷道的通风摩擦阻力系数，(N·s2)/m4；P为巷道通风断面的周边长度，m；L为巷道长度，m；S为巷道的通风断面，m2；Q为巷道通过的风量，m3/s。

根据式（1）可计算出巷道的通风摩擦阻力，再加上通风局部阻力后即为矿井通风总阻力。局部阻力一般为矿井通风摩擦阻力的20%。综上，分别计算出 150 m、100 m、50 m、0 m 4 个中段采场回风天井并联回风和布置0～150 m系统总回风井的通风阻力，结果见表2。

表2 通风阻力计算结果

由表2计算结果可知：利用150 m、100 m、50 m、0 m 4个中段采场回风天井并联回风井的通风阻力为48.3 Pa，系统总回风井通风阻力为122.47 Pa，这是因为采场回风天井并联回风分散了风流，且并联风阻比串联风阻小。系统总回风井由于风量大，通风阻力与风量的平方成正比关系，所以通风风阻更大。

4 结论

（1）混合式阶段通风网络与阶梯式通风网路、平行双巷式通风网路相比，通风效果最优，可充分利用已有开拓切割工程，减少不必要的通风井巷，提高井下作业点通风效率并降低通风成本，解决了多层平行密集脉状矿床开采支脉无法回风、容易污风串联，通风井巷工程量大等通风问题，克服了 5种阶段通风网络结构的不足。

（2）利用采场回风天井并联回风作为总回风巷的回风系统，在满足基本要求的前提下，由于风流分散、回风断面大、通风阻力小，可以很好地解决老矿山通风系统总回风无专用回风井回风困难的问题，而且具有安全可靠、通风工程少、投资费用低、工期短、不影响正常生产等优点。

（3）混合式阶段通风网络和利用采场回风天井并联回风作为总回风巷的回风系统，对多层平行密集脉状矿床开采具有广泛的推广作用。