复杂多机站通风系统反风方案设计及模拟

杨铁江 李 明 马宏伟 王中利

（1.山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博255000；2.中矿金业股份有限公司，山东招远265400）

矿井火灾具有巨大的毁灭性和破坏性，严重威胁矿井安全生产［1-2］。火灾烟气通过矿井通风系统排出地表，完善的通风系统是矿井火灾防治与烟气疏导的基础［3-4］。在地下金属矿山通风中发生火灾后，通常采取反风措施，对于通风机站和风机较少的通风系统，一般以全矿性反风为主，对于采用多（级）机站通风系统的矿山，主通风系统的每一台风机都应满足反风要求，以保证整个系统可以反风［5-6］。针对多中段多主通风机矿井反风技术与安全操作的复杂性，武新文等［7］开展了多风井多主通风机矿井反风技术分析与安全性研究，为矿井反风安全实施提供了技术指导；张玉华等［8］利用全矿井反风技术解决了大浞河铁矿副井结冰问题，既满足了生产要求，又为提升系统运行提供了安全保障；李卫国等［9］开展了多级机站通风系统反风方法研究，为采用多级机站通风系统的矿山提供了安全高效的反风试验操作依据，有助于确保通风系统实现快速、可靠反风；郑宝鑫［10］开展了局部反风研究，解决了因配套设施可靠性局限、可操作性差，其应用范围仅局限在压差较小的工作面巷道之间，无法布置在进回风大巷之间的问题。目前，矿井反风研究主要集中于通风系统风机反风响应时间和反风风量［11-12］。对于多中段同时作业、多机站同时运行等通风系统复杂的矿山反风的研究还应包括反风区域划分、反风方式选择、火风压等［13-14］。现阶段，矿井反风研究仍处于探索性阶段，缺少科学合理的研究方法与工具［15-16］。

本研究以玲南金矿多中段生产和复杂多机站通风为研究背景，提出了区域反风技术方案，并利用Ventsim仿真平台模拟反风时期矿井风流动态变化，开展了现场反风试验，验证区域反风技术方案实施效果，为矿井建立安全可靠的反风系统提供可靠参考。

1 井下通风现状

（1）通风方式。玲南金矿采用竖井、盲竖井联合开拓方式，通风系统采用单翼对角抽出式多机站通风，矿井总风量105.2 m3/s，作业中段实行间隔式上下行通风。上、下相邻中段分别承担进回风功能。新鲜风流分别从主竖井，1#竖井和斜坡道进入井下生产区域，沿进风水平采场通风井进入采场，清洗工作面后的污风经采区回风天井回至上（下）中段回风水平。冲洗工作面污风由采场通风天井排到上中段回风巷或直接由本中段回风巷进入倒段回风井，沿倒段回风井、8#穿脉箕斗井和东风井排出地表。

（2）机站布置。根据矿井采场及巷道走向分布，共设置8个机站，9台风机。主回风机站1个，位于-370 m中段东风井回风巷，并联安装2台DK45-6-№19风机。辅助进风机站6个，分别位于盲主井-610 m中段马头门，运行1台K40-6-№12风机；盲主井-690 m中段马头门，运行1台K40-6-№13风机；盲主井-770 m中段马头门，运行1台K40-6-№13风机；盲主井-850 m中段马头门，运行1台K40-6-№13风机；盲主井-930 m中段马头门，运行1台K40-4-№10风机；-690 m中段10#穿脉，运行1台K40-6-№15风机。辅助回风机站1个，位于8#穿脉箕斗井-770 m中段回风巷，运行1台K40-6-№15风机。

2 反风方案设计

2.1 玲南金矿着火点分析

因火灾发生地点的不同，火灾烟气处理办法不同。根据玲南金矿通风系统风流分配及火灾处理措施，将该矿通风路线划分为进风路线和回风路线。进风路线为：①地表→1#竖井→1#盲竖井→2#盲竖井下到生产区域；②地表→主竖井→盲主井→生产区域。回风路线为采场天井→中段回风巷→倒段回风井→8#穿脉箕斗井→东风井→地表。

进风路线为矿山井下作业人员、材料通行的主要通道。井筒内提升设施、信号硐室、卷扬硐室均为火灾发生点。回风路线上的火工品发放站、井下高低压变电所、矿（废）石装载站、提升井筒及无轨运输设备为火灾发生点。

2.2 进风路线火灾反风方案

着火点位于进风路线时，火灾高温烟气在风机风压的作用下沿着通风路线蔓延。为控制烟气蔓延并沿最短路径排出井下，设计了区域性反风技术方案。通过改变风机叶片旋转方向实现反风。玲南金矿进风侧发生火灾后，主竖井-610 m中段、-690 m中段、-770 m中段、-850 m中段、-930 m中段安设的进风机站风机保持正常运转状态，反转-370 m中段东风井回风机站风机，-770 m中段8#穿脉箕斗井回风巷及-690 m中段10#穿脉巷风机停止运行。

之所以采取上述措施，是因为：①反转-370 m中段回风机站风机，可以尽快地改变火灾烟流方向，使得矿井火灾烟流等有毒有害气体以较短的路径、最短的时间从1#竖井排出；②进风机站风机保持正转，火灾烟流从1#竖井排出，主竖井、斜坡道处于正压状态，主竖井进风通道仍保持进风状态，不影响人员通过主竖井迅速撤离以及救援。

3 反风方案模拟解算

3.1 通风模型建立及参数设置

根据玲南金矿井巷形状规格与空间位置分布建立了矿井通风系统三维模型，如图1所示。为优化通风网络解算，所建模型忽略巷道内排水沟、电缆、行人及车辆。风门、风窗及风帘等通风构筑物的位置及风阻参考矿山实际情况设置。井巷摩擦阻力系数及局部阻力系数取值参考设计手册［17］。

着火点位于-610 m 2#盲井井口，着火材料为橡胶，Ventsim燃烧参数设置见表1。解算精度ε<0.1，井下运输设备分散且功率小，解算过程忽略车辆设备的散热。

3.2 矿井反风量分析

当进风路线发生火灾时，根据反风设计方案及具体措施，将通风系统风机运行情况代入建立的Ventsim通风网络模型进行动态仿真模拟，解算结果见表2。

玲南金矿采取区域反风措施后，1#竖井和斜坡道由进风变为回风，主竖井进风保持不变。东风井由回风变为进风。-370 m回风机站反风后，回风量由105.2 m3/s变为进风63.3 m3/s，占该风机正常运行风量的60.2%，符合规定［18-19］。主风机反转10 min内，主要进、回风区域风流能及时反向，符合当着火区域发生在进风侧区域的假设条件下的风流预期流动方向。

3.3 火灾烟气模拟结果分析

Ventsim设置火灾源后，分别模拟采取反风措施和不采取反风措施下的火灾烟气中CO在井下的分布。分别在进风路线1#竖井井底石门附近采场和-370 m东风井主回风机站附近采场设置火灾烟气监测点，监测结果如图2所示。

发生火灾后，未采取反风措施时，CO浓度监测点为-370 m东风井主回风机站；采取反风措施后，CO浓度监测点为1#竖井井底石门。由图2可知：未采取反风措施时，随着燃烧的进行，CO沿着风流路线向井下各用风地点扩散，在总回风处1 600 s时开始测得CO，随着风流的汇总，CO浓度越来越高，在3 500 s时，CO浓度达到峰值2 830.4×10-6。当燃烧结束后，CO在8 000 s时降低至24.1×10-6。

采取反风措施后，风流反向，-370 m东风井主回风机站未监测出CO，1#竖井井底石门在500 s时开始出现CO，在2 500 s时，CO浓度达到峰值2 914×10-6，在7 500 s时，CO浓度降低至18×10-6。采取反风措施后，火灾烟气CO不会扩散至采场工作面，保障了井下人员安全。

4 现场反风实测

为确保反风试验不影响正常安全生产，反风试验选在工人交接班时进行，以发烟装置代替实际火灾烟气，发烟装置位于主竖井石门内。当发烟器开始发烟时，巷道内的烟气传感器报警，-370 m中段回风机站风机反转，8#穿脉箕斗井-770 m中段回风巷风机、-690 m中段10#穿脉巷风机停止运行，各测风小组开始测量风机反风风量，反风试验流程如图3所示。

试验测得-370 m中段风机风量变化如图4所示。风机正转风量为106.5 m3/s，从正转过渡到反转耗时约4 min，4 min后风机开始反转，随着反转时间的增长，反转风量缓慢增长，10 min时，风机反转风量达到74 m3/s，占正常通风量的69.48%。

5 结论

（1）玲南金矿采用单翼对角抽出式多机站通风，作业中段实行间隔式上下行通风，全矿共设机站8处，运行风机9台。根据通风方式和火灾可能发生地点，划分了进、回风路线火灾发生区域，对具体区域范围内的通风网络反风进行了安全技术分析。运用风机的开停、反转等组合方法，有针对性地解决了平时和火灾时风流流向问题，使可能受波及范围的人员有足够的时间按指定线路撤至安全区域。

（2）采取反风措施后，矿井总风量为86.2 m3/s，-370 m主回风机站反风量为63.3 m3/s，风机反风效率为60.2%，风机反风量满足规范要求。火灾烟气CO沿1#竖井排出，无法扩散至火灾中段以下作业面，保障了人员安全。通过现场试验，风机从正转过渡到反转耗时4 min，10 min时，反风风量为74 m3/s，占正常通风量的69.48%，证实了反风方案的有效性。

（3）针对通风系统全矿性反风难以实现的矿井（深井大范围、多中段作业以及井下进、回风机站数量较多），提出了区域性反风方式，将复杂的通风系统划分为多个相对独立的小通风单元，进行区域性反风的思路，比全矿井反风、局部反风更经济、更简单、更容易实施，是一种技术可行、安全可靠的方法，可为类似矿井反风提供借鉴，具有较好的推广应用价值。