采空區(qū)通地表漏風(fēng)狀態(tài)下的礦井誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)研究

聶興信 高 建 郭進(jìn)平 付小艷 趙好瑞

(西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦山開采過程中一個必不可少 的部分,合理的通風(fēng)系統(tǒng)不僅能保證礦山正常生產(chǎn),也能保護(hù)礦工安全健康。礦井空區(qū)漏風(fēng)是影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和礦井安全生產(chǎn)的重要因素[1]。采空區(qū)通地表漏風(fēng)會導(dǎo)致井下風(fēng)流紊亂,出現(xiàn)采場污風(fēng)和爆破產(chǎn)生的炮煙無法及時排出等問題,因而對井下因空區(qū)漏風(fēng)因素造成的通風(fēng)系統(tǒng)紊亂問題進(jìn)行調(diào)控十分必要[2]。

不同的地表漏風(fēng)量將形成不同的采空區(qū)流場,進(jìn)而影響工作面通風(fēng)系統(tǒng)[3]。近年來,國內(nèi)許多學(xué)者對空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行了大量研究。李宗翔等[4]采用有限元計算機(jī)數(shù)值模擬,結(jié)合圖形顯示技術(shù),以圖形方式繪出了風(fēng)壓分布等值線和流線,迅速直觀地反映出采空區(qū)流場風(fēng)壓的分布和風(fēng)流流動狀況。魏引尚等[5]通過編程將其嵌入到礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型中,對采空區(qū)漏風(fēng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬,得出采空區(qū)漏風(fēng)流場規(guī)律。唐明云等[6]通過Fluent進(jìn)行流場模擬,發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)流速度遠(yuǎn)大于采空區(qū),說明進(jìn)風(fēng)巷的大部分風(fēng)量都經(jīng)工作面流向回風(fēng)巷,而且隨著采空區(qū)的走向,濾流速度下降較快。高建良等[7]通過對工作面物理模型考慮為多孔介質(zhì)區(qū)域、真實情況、支架與多孔介質(zhì)區(qū)域,結(jié)合3種條件下的工作面及采空區(qū)流場進(jìn)行分析,建立了工作面物理模型設(shè)置情況下的工作面空間流場分布模型。目前,對于空區(qū)漏風(fēng)問題使用數(shù)值模擬方法分析較多,對空區(qū)通地表漏風(fēng)具體的流動規(guī)律研究較少。本研究通過Fluent數(shù)值模擬研究漏風(fēng)通道與工作面的距離、漏風(fēng)通道速度大小對工作面的影響及風(fēng)流流動規(guī)律。根據(jù)數(shù)值模擬規(guī)律,針對承德銅礦采空區(qū)通地表漏風(fēng)實際情況,采用構(gòu)建通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)值模擬分析空區(qū)通地表漏風(fēng)規(guī)律、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)方案等技術(shù)手段,解決礦山在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的采空區(qū)漏風(fēng)問題。

1 礦山通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前承德銅礦生產(chǎn)規(guī)模為60萬t/a,采用主、副井、平硐以及下五至下十一采用盲豎井開拓方式,采礦方法為有底柱分段崩落法[8]。礦山采用單翼對角抽出式多風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)[9]。隨著開采不斷地進(jìn)行,作業(yè)采場面積不斷擴(kuò)大,上部已形成大量的采空區(qū),目前出現(xiàn)了采空區(qū)通地表漏風(fēng)情況[10]。漏風(fēng)導(dǎo)致井下風(fēng)流紊亂,出現(xiàn)采場污風(fēng)和爆破產(chǎn)生的炮煙無法及時排出等問題,嚴(yán)重影響了礦井正常通風(fēng)。

承德銅礦采用副井、主平硐→盲豎井→下五中段→下八至下十一中段到達(dá)生產(chǎn)作業(yè)面的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。新鮮風(fēng)流經(jīng)上述風(fēng)路到達(dá)下八中段至下十一中段等主要生產(chǎn)中段,清洗工作面后的炮煙,粉塵沿下八、下九中段風(fēng)機(jī)回風(fēng),通過小北溝主回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)作用排出,其中小北溝風(fēng)機(jī)型號為DK40-6-№17,風(fēng)機(jī)額定功率為150 kW,下八風(fēng)機(jī)型號為K40-4-№13,風(fēng)機(jī)額定功率為72 kW。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀Fig.1 Status of the ventilation system

目前通風(fēng)問題主要是礦井通風(fēng)系統(tǒng)下五、下六采空區(qū)相互貫通,造成井下污風(fēng)串流,并且下五中段47號線附近有一空區(qū)漏風(fēng)口,可以觀察到空區(qū)與地表連通的天窟。礦山通風(fēng)系統(tǒng)的總風(fēng)量為46.2 m3/s,通風(fēng)系統(tǒng)的總進(jìn)風(fēng)量為30.2 m3/s,下五中段采空區(qū)漏風(fēng)量為16m3/s,下六中段漏風(fēng)量為4m3/s,約占通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量的44%。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)紊亂致因分析

通過對地表進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口和下五以下中段通風(fēng)系統(tǒng)測定,以及采空區(qū)漏風(fēng)情況等進(jìn)行全面調(diào)查,造成通風(fēng)系統(tǒng)紊亂的主要原因有3個方面:

(1)空區(qū)漏風(fēng)。從測試結(jié)果來看,空區(qū)進(jìn)風(fēng)直接在下五中段47號線可以觀察到地表天窗,而下七中段漏風(fēng)和其他中段漏風(fēng)是該空區(qū)與廢棄采場未封堵巷道相連通造成的。

(2)風(fēng)流短路。由于風(fēng)機(jī)設(shè)置不合理,回風(fēng)井內(nèi)的風(fēng)機(jī)前后風(fēng)路相通,且回風(fēng)線路風(fēng)阻大于短路風(fēng)流線路風(fēng)阻,造成風(fēng)流循環(huán),風(fēng)機(jī)不能發(fā)揮作用,導(dǎo)致風(fēng)流短路。

(3)分區(qū)循環(huán)通風(fēng)。下五中段空區(qū)與回風(fēng)平硐口形成分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng),該通風(fēng)線路造成井下風(fēng)機(jī)不能作用到井下作業(yè)點(diǎn)。下五中段空區(qū)與副井形成分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng),該通風(fēng)系統(tǒng)是井下安全出口井,沒有新鮮風(fēng)流進(jìn)入。

1.3 采空區(qū)漏風(fēng)特征

(1)“喘吸”漏風(fēng)現(xiàn)象。采空區(qū)多位于正在作業(yè)的采掘工作面上部,采取密閉、充填等措施也無法隔絕內(nèi)外空氣的聯(lián)系,如圖2所示,機(jī)械式通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)壓的變化必然要影響采空區(qū)內(nèi)氣體的變化[11],形成采空區(qū)氣體的“喘吸”現(xiàn)象。

圖2 空區(qū)漏風(fēng)線路Fig.2 Air leakage line of goaf

(2)機(jī)械通風(fēng)局部循環(huán)現(xiàn)象。由于風(fēng)機(jī)設(shè)置不合理,回風(fēng)井內(nèi)的風(fēng)機(jī)前后風(fēng)路相通,通風(fēng)阻力小,且回風(fēng)線路風(fēng)阻大于短路風(fēng)流線路風(fēng)阻,造成風(fēng)流循環(huán),導(dǎo)致風(fēng)流短路,使新鮮風(fēng)無法從進(jìn)風(fēng)巷道進(jìn)入工作面,如圖3所示。

圖3 風(fēng)流短路原理Fig.3 Principal of air short circuit

(3)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)壓失衡現(xiàn)象。在生產(chǎn)過程中由于爆破導(dǎo)致采空區(qū)覆蓋層冒落,使采空區(qū)與地表相通,形成空區(qū)通地表漏風(fēng)[12],破壞了原有工作面的通風(fēng)系統(tǒng),導(dǎo)致工作面的壓差,風(fēng)速大小發(fā)生改變,巷道風(fēng)流出現(xiàn)紊亂,會嚴(yán)重破壞原通風(fēng)系統(tǒng)的有效性和風(fēng)流的穩(wěn)定性。

1.4 誘導(dǎo)通風(fēng)思路

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中一般有漏風(fēng)通道存在,并存在壓差時,就會出現(xiàn)空區(qū)漏風(fēng)。當(dāng)漏風(fēng)通道無法通過充填、封堵且與地表相通時,可考慮通過風(fēng)壓平衡原理來減少漏風(fēng)通道漏風(fēng),從而改變礦井通地表采空區(qū)漏風(fēng)方向及漏風(fēng)量大小。

(1)為減少空區(qū)漏風(fēng),在回風(fēng)線路中,將通地表采空區(qū)假設(shè)為一條理想巷道,進(jìn)而提出了利用通地表采空區(qū)誘導(dǎo)通風(fēng)的思路。

(2)在采空區(qū)附近進(jìn)行空氣幕局部封堵,構(gòu)成誘導(dǎo)措施,將漏風(fēng)采空區(qū)與其他中段形成分區(qū)通風(fēng),為誘導(dǎo)通地表采空區(qū)回風(fēng)奠定基礎(chǔ)。

(3)將漏風(fēng)通道加入通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中,在風(fēng)向最易改變點(diǎn)來誘導(dǎo)通地表采空區(qū)回風(fēng),形成誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng),從而對當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化完善,實現(xiàn)對采空區(qū)漏風(fēng)的控制。

2 采空區(qū)通地表漏風(fēng)數(shù)值模擬

2.1 幾何模型構(gòu)建

根據(jù)礦山現(xiàn)場情況,選取工作面的進(jìn)、回風(fēng)巷道以及工作面巷道進(jìn)行分析。采空區(qū)模型參數(shù)見表1。采空區(qū)三維物理模型以工作面進(jìn)風(fēng)巷道、采空區(qū)走向巷道底面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),X軸正方向為進(jìn)風(fēng)巷方向,Y軸正方向為工作面方向,Z軸正方向垂直向上[13],建立了如圖4所示的采空區(qū)三維模型。

表1 采空區(qū)模型參數(shù)Table 1 Parameters of goaf model

圖4 采空區(qū)三維模型Fig.4 Three-dimensional model of goal

在數(shù)值模擬中,采空區(qū)模型采用孔隙介質(zhì)模型,巷道模型則全部充滿不可壓理想氣體,無孔隙介質(zhì)。生成的采空區(qū)三維模型共有網(wǎng)格21 560個,其中工作面巷道有網(wǎng)格1 123個,采空區(qū)內(nèi)網(wǎng)格有19 687個,漏風(fēng)通道生成計算網(wǎng)格750個,如圖5所示。

圖5 采空區(qū)三維模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh division of three-dimensional model of goaf

模型邊界條件及數(shù)值求解方法設(shè)定如表2、表3所示。

表2 模型條件設(shè)定Table 2 Setting of model condition

表3 模型求解方法設(shè)定Table 3 Solving method setting of the model

2.2 空區(qū)通地表漏風(fēng)規(guī)律分析

本研究利用FLUENT[14]軟件按照上述邊界條件和網(wǎng)格劃分結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬,研究采空區(qū)與工作面之間采空區(qū)風(fēng)流速度和工作面風(fēng)流速度流線情況,結(jié)果如圖6所示。

圖6 風(fēng)速流線圖Fig.6 Streamline diagrams of wind speed

由圖6可知:采空區(qū)通地表漏風(fēng)由漏風(fēng)通道進(jìn)入采空區(qū)[15],當(dāng)距工作面較近時,在漏風(fēng)通道和工作面的采空區(qū)風(fēng)流大致呈“U”形流動,越靠近工作面風(fēng)流越大,有一部分風(fēng)向進(jìn)風(fēng)巷道流動,會造成工作面風(fēng)流紊亂,有小部分風(fēng)流從漏風(fēng)通道向采空區(qū)后方移動。

利用FLUENT軟件按照上述邊界條件和網(wǎng)格劃分結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析不同漏風(fēng)量的漏風(fēng)通道下采空區(qū)風(fēng)流速度情況,結(jié)果如圖7所示。

圖7 采空區(qū)風(fēng)速流線圖Fig.7 Streamline diagrams of wind speed in goaf

由圖7可知:采空區(qū)通地表漏風(fēng)由漏風(fēng)通道進(jìn)入采空區(qū),當(dāng)漏風(fēng)速度較小時,在漏風(fēng)通道和工作面的采空區(qū)風(fēng)流大致呈“U”形流動,越靠近工作面風(fēng)流越大,有一部分風(fēng)流向進(jìn)風(fēng)巷道流動,會造成工作面風(fēng)流紊亂,有小部分風(fēng)流從漏風(fēng)通道向采空區(qū)后方移動;當(dāng)漏風(fēng)速度較大時,在漏風(fēng)通道和工作面的采空區(qū)風(fēng)流大致呈“U”形流動。風(fēng)流流動規(guī)律表現(xiàn)為:靠近漏風(fēng)通道時速度較大,在向工作面移動過程中先速度減小而后在靠近工作面的時候速度越來越大,有一部分風(fēng)向進(jìn)風(fēng)巷道流動,會造成工作面風(fēng)流紊亂,有小部分風(fēng)流從漏風(fēng)通道向采空區(qū)后方移動。

3 誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)

3.1 優(yōu)化方案

首先根據(jù)該礦井實際情況,擬采用分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)來控制空區(qū)漏風(fēng),將通風(fēng)系統(tǒng)建立成上、下兩個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。由于采空區(qū)與地表連通,采空區(qū)上、下盤巖石為花崗巖和大理巖,采空區(qū)穩(wěn)定性較好且采空區(qū)與地面連通,采空區(qū)通透性較好,故提出利用通地表采空區(qū)誘導(dǎo)通風(fēng)的思路。根據(jù)漏風(fēng)通道與工作面之間的采空區(qū)風(fēng)流和不同漏風(fēng)量下采空區(qū)風(fēng)流大致呈“U”形流動的特征,選擇“U”形中間區(qū)域速度最小、風(fēng)向最易改變點(diǎn)來誘導(dǎo)通地表采空區(qū)回風(fēng),從而設(shè)計了通地表采空區(qū)作為獨(dú)立回風(fēng)井的分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)方案,如圖8所示。

圖8 誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)示意Fig.8 Schematic of induced ventilation system

井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流紊亂主要是由于空區(qū)漏風(fēng)、風(fēng)流短路以及風(fēng)機(jī)配置不合理等因素所致,首先解決空區(qū)漏風(fēng)問題,根據(jù)所測數(shù)據(jù),對空區(qū)漏風(fēng)和廢棄采場進(jìn)行封堵。具體措施為:

(1)在下五中段和下六中段31號線附近安裝風(fēng)門,為采用分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)打好基礎(chǔ)。

(2)在下五中段和下六中段采空區(qū)漏風(fēng)47號線附近進(jìn)行局部封堵,在下六中段和下七中段連通處進(jìn)行局部封堵,將漏風(fēng)采空區(qū)與下七至下十一中段進(jìn)行分區(qū),為誘導(dǎo)通地表采空區(qū)回風(fēng)奠定基礎(chǔ),形成通地表采空區(qū)獨(dú)立回風(fēng)的分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)方案。

(3)在下六中段49號線選擇合適位置安裝FBCDZ-6-№19B風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率為260 kW,葉片安裝角度為46°/37°,將下八至下十一采場的污風(fēng)通過回風(fēng)井排出地表。

(4)選擇距工作面75～80 m的采空區(qū)區(qū)域風(fēng)向最易改變點(diǎn)來誘導(dǎo)通地表采空區(qū)回風(fēng),實現(xiàn)通地表采空區(qū)作為獨(dú)立回風(fēng)井的分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)方案。

3.2 方案效果分析

以礦井下五中段作業(yè)面為例,通過構(gòu)建采空區(qū)三維物理模型,方案實施前后的工作面風(fēng)速流線圖如圖9所示。得出方案實施后工作面風(fēng)量從3.2 m3/s增加至6.58 m3/s(表4),可以滿足礦山的正常生產(chǎn)需求,井下風(fēng)流紊亂現(xiàn)象幾乎不再出現(xiàn),工作環(huán)境顯著改善,礦山有效風(fēng)量明顯提高。此外,下五工作面風(fēng)流速度仿真結(jié)果(6.84 m3/s)與現(xiàn)場實測結(jié)果(6.58 m3/s)差別較小(表5)。

表4 現(xiàn)場實測結(jié)果Table 4 Field measurement results

圖9 下五工作面風(fēng)速流線圖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

方案實施前后下八至下十中段主要用風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)量對比如圖10所示。由圖10可知:應(yīng)用風(fēng)向最易改變點(diǎn)誘導(dǎo)通地表采空區(qū)回風(fēng),來實現(xiàn)通地表采空區(qū)作為獨(dú)立回風(fēng)井的分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)方案后,主要用風(fēng)區(qū)風(fēng)量明顯增加,緩解了礦井空區(qū)漏風(fēng),井下通風(fēng)效果得到明顯改善。通過下八至下十中段主要用風(fēng)點(diǎn)仿真結(jié)果和方案實施后風(fēng)量對比(圖11)可知,仿真結(jié)果與實測結(jié)果基本一致。

圖10 方案實施前后主要用風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量對比Fig.10 Comparison of air volume at main air points before and after implementation of the scheme

圖11 仿真結(jié)果與方案實施后風(fēng)量對比Fig.11 Comparison of simulation results and air volume after implementation of the scheme

通過對該礦采空區(qū)通地表漏風(fēng)區(qū)域?qū)嵤┱T導(dǎo)通風(fēng)方案后,井下通風(fēng)效果得到明顯改善[16],表現(xiàn)在:①增大了礦井總風(fēng)量,緩解了礦井漏風(fēng)、風(fēng)流短路和污風(fēng)串流問題,經(jīng)過測量,工作面風(fēng)量由3.2 m3/s提高到6.58 m3/s;② 減少了巷道粉塵污染,加快了采場爆破后炮煙的排出,提高了通風(fēng)系統(tǒng)的有效風(fēng)量效率,大幅改善了礦井下部分區(qū)作業(yè)面的通風(fēng)效果,能夠滿足礦井正常作業(yè)要求。

4 結(jié) 論

通過對承德銅礦采空區(qū)通地表漏風(fēng)控制技術(shù)的研究,采用誘導(dǎo)通地表采空區(qū)回風(fēng)實現(xiàn)通地表采空區(qū)作為獨(dú)立回風(fēng)井的分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)方案,誘導(dǎo)通地表采空區(qū)回風(fēng),充分利用現(xiàn)有的井巷和風(fēng)機(jī),對空區(qū)進(jìn)行封堵,減少了風(fēng)流短路,大大降低了回風(fēng)井的通風(fēng)阻力,保障了通風(fēng)效果。研究得到以下結(jié)論:

(1)在采空區(qū)穩(wěn)定性和透氣性好的基礎(chǔ)上,將誘導(dǎo)通地表采空區(qū)用作通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng),總體優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),對于確保礦井安全生產(chǎn)以及改善礦工工作環(huán)境具有重要意義。

(2)采用分區(qū)通風(fēng)是通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的有效方式,增設(shè)風(fēng)機(jī)和對空區(qū)進(jìn)行封堵是通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的有效思路。

(3)通過Fluent軟件實現(xiàn)對采空區(qū)通地表礦井漏風(fēng)的數(shù)值模擬分析,總結(jié)漏風(fēng)通道與工作面的距離和漏風(fēng)通道的漏風(fēng)速度對空區(qū)通地表漏風(fēng)的影響規(guī)律,并據(jù)此建立采空區(qū)模型,對通風(fēng)方案實施效果進(jìn)行仿真分析,是解決礦山在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)采空區(qū)漏風(fēng)問題的有效手段。