復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的通風(fēng)系統(tǒng)改造技術(shù)方案研究與實(shí)踐

崔 文，吳潔葵，劉偉強(qiáng)，劉 慶，唐 星

(1.湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南 郴州市 424402；2.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410014)

0 引 言

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)漸趨復(fù)雜是地下礦山生產(chǎn)發(fā)展的必然結(jié)果，對(duì)多礦體深部開(kāi)采尤其如此。隨著開(kāi)采范圍擴(kuò)大，巷道、采區(qū)的擴(kuò)展延伸，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致原有通風(fēng)系統(tǒng)無(wú)法滿足生產(chǎn)用風(fēng)需求，在這種情況下就必須對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性調(diào)整、改造，使之適應(yīng)新的礦井生產(chǎn)作業(yè)布局和通風(fēng)要求。湖南寶山礦業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱寶山礦)是一座經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采的有色金屬礦山，整個(gè)礦田由東、中、西、北部四個(gè)礦床構(gòu)成，礦體分散。由于歷史原因，礦區(qū)內(nèi)有多家礦山企業(yè)分區(qū)同時(shí)開(kāi)采，加之礦體產(chǎn)狀特別復(fù)雜，規(guī)模小，因此在生產(chǎn)過(guò)程中采取了邊探邊采的生產(chǎn)方式，最終形成礦井之間多處巷道貫通，加之小礦企業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)不完善，導(dǎo)致各礦井的通風(fēng)系統(tǒng)相互干擾，嚴(yán)重影響了通風(fēng)效果。隨著近年來(lái)開(kāi)采活動(dòng)向地下深部發(fā)展，新的高硫富礦體納入開(kāi)采計(jì)劃，以及礦山資源整合后周邊礦井的并入和貫通，使得原有通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足井下用風(fēng)需求，嚴(yán)重影響到井下正常作業(yè)和生產(chǎn)安全，因此，對(duì)寶山礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行重新規(guī)劃成為了當(dāng)務(wù)之急。

1 原有通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及存在的主要問(wèn)題

1.1 原有通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

寶山礦井下采用明豎井及平窿—盲斜井聯(lián)合開(kāi)拓方式。西部鉛鋅礦主要分布在50，10,-30,-70 ,-110,-150,-190等7個(gè)中段，并具有開(kāi)采-1000 m左右的潛力；西部現(xiàn)主要開(kāi)采區(qū)域?yàn)?0～-70 m中段， -110、-150中段正在實(shí)施開(kāi)拓工程；北部鉛鋅礦主要分布中段為50,10,-30,-70,-110五個(gè)中段，其中10中段以上為整合礦井中段，開(kāi)采進(jìn)入后期殘礦資源回收階段；中部鉛、鋅資源經(jīng)長(zhǎng)年開(kāi)采已經(jīng)枯竭，二期單銅礦體資源主要分布在365，330，290，250，210，170等6個(gè)中段的中部，暫時(shí)沒(méi)有開(kāi)采；西部10中段以上屬另一家礦山企業(yè)622礦。整體而言，寶山礦采礦作業(yè)主要分布在北、西兩個(gè)區(qū)域，原有通風(fēng)系統(tǒng)為兩翼對(duì)角井下抽出式分區(qū)通風(fēng)，新鮮風(fēng)流分別從明豎井口(472 m)、330主平窿進(jìn)入，部分風(fēng)經(jīng)西部斜井到達(dá)50中段，再分別由北盲斜井和西盲斜井分風(fēng)至北部和西部各中段，由沿脈、穿脈巷道進(jìn)入工作面。北部污風(fēng)從一條50中段通往90中段的斜井抽至90中段，由于90中段與西部進(jìn)風(fēng)斜井相通，部分污風(fēng)經(jīng)稀釋后返回下部中段，另一部分通過(guò)采空區(qū)和天井上至130中段，經(jīng)東部回風(fēng)斜井排出地表；西部回風(fēng)線路相對(duì)簡(jiǎn)單，由于此前開(kāi)采強(qiáng)度不大，來(lái)自10中段以下的污風(fēng)塵毒含量不高，加之622礦未建立機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，因此污風(fēng)經(jīng)10中段167線穿脈與622礦斜井相通的聯(lián)絡(luò)道引出，進(jìn)入622礦區(qū)作為進(jìn)風(fēng)，最終通過(guò)622礦斜井排出地表(見(jiàn)圖1)。

1.2 存在的主要問(wèn)題

(1) 分區(qū)之間通風(fēng)系統(tǒng)相互影響。總體來(lái)看，寶山礦已經(jīng)形成了北部、西部?jī)蓚€(gè)分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，但由于兩區(qū)之間有多條巷道貫通，在負(fù)壓作用下，西部污風(fēng)只有少量(約1/6)從622礦斜井排出，而大部分進(jìn)入了北部區(qū)域，對(duì)北部通風(fēng)造成較大影響。

(2) 污風(fēng)串聯(lián)循環(huán)。北部10中段以上原屬地方企業(yè)牛郎沖礦，2000年經(jīng)整合后納入寶山礦。牛郎沖礦的回風(fēng)井因垮塌而堵死，通風(fēng)失效，因此不得不借助10中段以下寶山礦北部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)，即來(lái)自10中段以下的污風(fēng)進(jìn)入牛郎沖礦各中段，由寶山礦北部50中段185線的70-90通風(fēng)天井排至回風(fēng)井，從而形成了污風(fēng)串聯(lián)。由于10中段以上多處巷道已與寶山礦作業(yè)中段相通。污風(fēng)抽至90中段后，其中一部分會(huì)通過(guò)貫通處返回下部中段，形成污風(fēng)循環(huán)。在西部，622礦區(qū)利用寶山礦西部10中段以下排出的污風(fēng)作為進(jìn)風(fēng)，是一種典型的污風(fēng)串聯(lián)。隨著深部開(kāi)采強(qiáng)度的增大，這種污風(fēng)串聯(lián)的危險(xiǎn)性也是與日俱增。

圖1 原有通風(fēng)線路示意

(3) 含硫氣體不能及時(shí)排除。2005年寶山礦在 50中段以下發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)富礦體并開(kāi)辟了10中段的803采場(chǎng)，該礦體的鉛鋅品位較高，同時(shí)含硫量也極高。在開(kāi)采過(guò)程中，礦石暴露而氧化，產(chǎn)生SO2進(jìn)入空氣中。SO2屬有毒有害氣體，對(duì)人體危害極大。由于污風(fēng)串聯(lián)循環(huán)原因，北部生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響。

(4) 局部新鮮風(fēng)流短路。由于北部50中段與進(jìn)風(fēng)斜井相通，新鮮風(fēng)流到達(dá)50中段時(shí)被50中段短路分風(fēng)，使得進(jìn)入50以下區(qū)域的風(fēng)量驟減，供風(fēng)量嚴(yán)重不足。

2 通風(fēng)系統(tǒng)改造技術(shù)方案

2.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造的原則

對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造，必須重點(diǎn)考慮安全性、科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性，并充分考慮礦山現(xiàn)有資源和自然條件，從而保證方案的優(yōu)化和切合實(shí)際。針對(duì)寶山礦的實(shí)際情況，應(yīng)遵循以下原則。

(1) 在保證正常、良好通風(fēng)效果的前提下，盡量降低通風(fēng)費(fèi)用；盡量利用現(xiàn)有的生產(chǎn)井巷，以減少通風(fēng)專用井巷的工程量和工程費(fèi)。根據(jù)寶山礦的現(xiàn)狀，其90 m中段以上東部區(qū)域已完全結(jié)束采礦作業(yè)，只剩余一些零星的防洪排水等設(shè)備及硐室等需要通風(fēng)的地方，這些中段的一些井巷工程可以用來(lái)做專用的通風(fēng)井巷，節(jié)約通風(fēng)工程投資。

(2) 減少礦井內(nèi)部漏風(fēng)，提高有效風(fēng)量率，解決深部的回風(fēng)問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紊亂，已不能適應(yīng)生產(chǎn)的需要這一情況，重新設(shè)計(jì)一個(gè)完整的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)寶山礦通風(fēng)系統(tǒng)是完全必要的。

(3) 由于寶山礦北部有幾個(gè)含硫高的礦體在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體，該氣體所經(jīng)之處人員無(wú)法作業(yè)。因此，要順利的把這部分價(jià)值較高的礦體開(kāi)采出來(lái)，同時(shí)又要避免其有毒有害氣體污染其它作業(yè)面，就必須對(duì)該部分礦體設(shè)計(jì)一個(gè)專用的回風(fēng)線路，該回風(fēng)線路井巷不能同時(shí)用做運(yùn)輸或行人等用途。

(4) 從礦山具體情況出發(fā)，根據(jù)礦井開(kāi)拓方式、采礦方法、礦井生產(chǎn)能力和礦區(qū)地形地貌等因素，確定合理的通風(fēng)系統(tǒng)。同時(shí)要根據(jù)礦山氣候條件的變化和自然通風(fēng)的規(guī)律，充分利用自然通風(fēng)的有效作用，控制自然通風(fēng)的有害影響。

2.2 通風(fēng)線路規(guī)劃

將寶山礦北部10中段以下區(qū)域和原牛郎沖礦(10中段以上)各中段合并作為北部通風(fēng)區(qū)域統(tǒng)一通風(fēng)。因?yàn)?0中段已經(jīng)結(jié)束作業(yè)，將該中段與其他平巷密閉隔離，保留回風(fēng)天井后可作為回風(fēng)平巷。以原牛郎沖礦主斜井、寶山礦北部盲斜井進(jìn)風(fēng)，分風(fēng)到各中段，經(jīng)沿脈、穿脈巷道、采場(chǎng)人行天井進(jìn)入各工作面，清洗工作面后由端部天井匯集至90中段； 90中段與130中段之間原有兩條通風(fēng)天井，130中段與170中段之間原有探礦天井，170中段到210中段也有回風(fēng)天井，而210中段可通過(guò)東部斜井直達(dá)地表，因此，將東部斜井作為回風(fēng)井。需要說(shuō)明的是，由于50中段到90中段的回風(fēng)量增大，必要時(shí)可通過(guò)刷幫擴(kuò)大過(guò)風(fēng)面積。

西部進(jìn)風(fēng)線路完好，無(wú)需變動(dòng)，但回風(fēng)線路必須重新規(guī)劃。90中段是整個(gè)礦區(qū)的橫向樞紐，在西部，90中段可通過(guò)斜井或中段回風(fēng)天井經(jīng)130、170、210及東部回風(fēng)井通向地表，因此將10中段經(jīng)10～50斜井，再由50通90中段回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)起來(lái)，就構(gòu)成一條完整的回風(fēng)線路?？紤]到線路較長(zhǎng)，可通過(guò)設(shè)置在10和90中段的兩臺(tái)主扇接力通風(fēng)。重新規(guī)劃的通風(fēng)線路見(jiàn)圖2。

2.3 風(fēng)機(jī)位置選定

風(fēng)機(jī)安設(shè)位置一般選擇在風(fēng)路上斷面合適的非生產(chǎn)區(qū)域。對(duì)于北部區(qū)域，原10中段167線和50中段185線的輔扇保留，將已經(jīng)老化的東部斜井口主扇更新。由于北部通風(fēng)的進(jìn)回風(fēng)線路長(zhǎng)達(dá)4500 m，阻力損失高達(dá)2200 Pa以上，因此需在130中段東沿脈勘探線增加一臺(tái)主扇，與東部斜井口主扇形成串聯(lián)。在西部，10中段169線設(shè)一臺(tái)風(fēng)機(jī)將10中段以下工作面污風(fēng)抽出，由設(shè)在90中段165線的接力風(fēng)機(jī)將污風(fēng)引向130及以上中段。

圖2 重新規(guī)劃的通風(fēng)線路示意

3 主扇選擇

主扇類型宜選擇K系列或FS系列礦用節(jié)能風(fēng)機(jī)。該類風(fēng)機(jī)具有氣動(dòng)效率高、節(jié)能效果好的特點(diǎn)，葉片安裝角可調(diào)，可直接通過(guò)電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)。主扇功率的確定則需要通過(guò)計(jì)算確定，即對(duì)總需風(fēng)量、風(fēng)壓以及風(fēng)阻等參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，再確定個(gè)體特性曲線、工況點(diǎn)與計(jì)算結(jié)果相適宜的風(fēng)機(jī)功率。

3.1 總需風(fēng)量計(jì)算

總需風(fēng)量為各個(gè)工作面需要的最大風(fēng)量與需要獨(dú)立通風(fēng)的硐室風(fēng)量之總和，考慮到礦井漏風(fēng)、生產(chǎn)不均衡以及風(fēng)量調(diào)節(jié)不及時(shí)等因素，還應(yīng)再乘以大于1的系數(shù)。根據(jù)采礦技術(shù)參數(shù)和年計(jì)劃產(chǎn)量,可以算出同時(shí)采礦作業(yè)點(diǎn)和備采點(diǎn)數(shù)量；根據(jù)其年計(jì)劃掘進(jìn)量和每天掘進(jìn)進(jìn)尺可以算出同時(shí)掘進(jìn)工作點(diǎn)數(shù)；加上其他需通風(fēng)的硐室，即為需通風(fēng)的作業(yè)點(diǎn)總數(shù)。

3.1.1 回采作業(yè)面總需風(fēng)量計(jì)算

同時(shí)作業(yè)的采礦點(diǎn)數(shù)，采用下式計(jì)算：

(1)

式中，N為同時(shí)出礦的作業(yè)點(diǎn)數(shù);A為年計(jì)劃產(chǎn)量，t;a為礦石損失率;b為礦石貧化率;t為每個(gè)礦房日出礦能力，t。

回采作業(yè)面需風(fēng)量是在排炮煙需風(fēng)量與排塵風(fēng)量?jī)烧咧g取大值。排炮煙需風(fēng)量按下式計(jì)算：

(2)

式中，q為每個(gè)礦房的需風(fēng)量，m3/s；V為硐室容積，m3；A為炸藥量，kg；t為通風(fēng)時(shí)間，s；Kt為紊流擴(kuò)散系數(shù)。

排塵風(fēng)量需依照《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定的最低排塵風(fēng)速要求計(jì)算：

q=s×v

(3)

式中，q為每個(gè)礦房的需風(fēng)量，m3/s；s為硐室斷面積，m2。

此外，還需考慮備采作業(yè)點(diǎn)的需風(fēng)量，備采作業(yè)點(diǎn)需風(fēng)量取采礦作業(yè)點(diǎn)需風(fēng)量的一半值。

3.1.2 掘進(jìn)工作面總需風(fēng)量計(jì)算

掘進(jìn)同時(shí)作業(yè)點(diǎn)，采用下面公式計(jì)算：

(4)

式中，n為同時(shí)工作的掘進(jìn)作業(yè)點(diǎn)；B為年計(jì)劃掘進(jìn)量，m；V為每個(gè)掘進(jìn)當(dāng)頭進(jìn)尺，m。

與回采作業(yè)面需風(fēng)量計(jì)算相似，掘進(jìn)作業(yè)點(diǎn)需風(fēng)量也是在排炮煙需風(fēng)量與排塵風(fēng)量?jī)烧咧g取大值。排炮煙需風(fēng)量按下式計(jì)算：

(5)

式中，Qp為壓入式掘進(jìn)的需風(fēng)量，m3/s；lr為巷道長(zhǎng)度，m；A為炸藥量，kg；t為通風(fēng)時(shí)間，s；S為巷道斷面積，m2。

3.1.3 其他硐室需風(fēng)量

根據(jù)《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》的建議值選取。

依照上述方法計(jì)算的北部和西部需風(fēng)量見(jiàn)表1和表2。

表1 北部需風(fēng)量計(jì)算

3.2 總阻力計(jì)算

依照風(fēng)量分配原則和生產(chǎn)規(guī)劃對(duì)各中段進(jìn)行風(fēng)量分配后，可計(jì)算通風(fēng)阻力。礦井通風(fēng)總阻力是摩擦阻力和局部阻力之和。局部阻力可根據(jù)總摩擦阻力進(jìn)行估算，一般情況下，總局部阻力不超過(guò)總摩擦阻力的 20% ，寶山礦井巷變形、堵塞現(xiàn)象較少，取總摩擦阻力的 15%。在進(jìn)行礦井通風(fēng)總摩擦阻力計(jì)算時(shí)，只需選擇一條阻力最大的風(fēng)路進(jìn)行計(jì)算，并沿著這條風(fēng)路，從礦井進(jìn)風(fēng)口直到礦井排風(fēng)口，分別計(jì)算各段井巷的摩擦阻力，然后疊加起來(lái)，即為礦井通風(fēng)總摩擦阻力。

表2 西部需風(fēng)量計(jì)算

按照上述方法計(jì)算的北部通風(fēng)線路總風(fēng)阻為2240 Pa，西部通風(fēng)線路總風(fēng)阻為1658 Pa。

3.3 風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)選型依據(jù)是風(fēng)量和風(fēng)壓。風(fēng)壓則由通風(fēng)線路總阻力、與通風(fēng)方向相反的自然風(fēng)壓、裝置阻力、出口動(dòng)壓損失等的代數(shù)和構(gòu)成。經(jīng)測(cè)定自然風(fēng)壓約32 Pa左右，與線路總阻力相比較小，對(duì)選型不構(gòu)成大的影響。

北部區(qū)域，總回風(fēng)量為36.05 m3/s，需要克服的總阻力為2240 Pa，對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)特性曲線和工況點(diǎn),可選擇2臺(tái)型號(hào)為K40-6-NO18-90 kw的風(fēng)機(jī)， 1臺(tái)裝在130中段東沿脈勘探線，1臺(tái)裝在地表360井口，形成串聯(lián)。

西部區(qū)域，經(jīng)過(guò)計(jì)算，主扇風(fēng)壓為1906 Pa，因采用兩級(jí)抽出接力通風(fēng)方式，因此可將通風(fēng)線路分成兩段，依據(jù)每段線路阻力選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)。經(jīng)計(jì)算安裝在10中段169線穿脈內(nèi)的風(fēng)機(jī)需克服通風(fēng)線路阻力為476 Pa，可選擇FS170(B)-75 KW；安裝在90中段165線穿脈內(nèi)的接力風(fēng)機(jī)需克服通風(fēng)線路阻力為1430 Pa，可選擇：K40-4No15(110 KW)。

4 改造效果

寶山礦北部和西部分區(qū)通風(fēng)工程改造后，深部作業(yè)區(qū)的通風(fēng)得到有效的改善，大大降低了分區(qū)和中段之間的通風(fēng)干擾，基本消除了污風(fēng)循環(huán)現(xiàn)象。部分主要區(qū)域和節(jié)點(diǎn)的通風(fēng)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，充分體現(xiàn)了工程實(shí)施前后之間的差別。

表3 改造工程實(shí)施前后風(fēng)量對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

寶山礦礦體分散，作業(yè)中段多，作業(yè)點(diǎn)分散，通風(fēng)線路長(zhǎng)，中段之間多處貫通，這些因素都給礦井通風(fēng)帶來(lái)了不少困難。本方案將北部和西部劃分為兩個(gè)深部開(kāi)采區(qū)域，實(shí)現(xiàn)真正意義上的北部和西部分區(qū)通風(fēng)，保證了多中段作業(yè)的需風(fēng)量，達(dá)到了降低通風(fēng)阻力、改善通風(fēng)效果、節(jié)約通風(fēng)能耗的目的，避免了污風(fēng)串聯(lián)循環(huán)。工程中充分利用了現(xiàn)有的井巷工程，投資少，施工容易，見(jiàn)效快，符合寶山礦的現(xiàn)實(shí)情況。

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