深部開采和殘礦回采復(fù)雜條件下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

彭斌，肖利民

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012)

0 前言

目前，我國大部分金屬礦山開采已經(jīng)進入500～1000 m開采深度。許多老礦山為維持企業(yè)經(jīng)濟效益和正常運轉(zhuǎn)，確保礦山有足夠的生產(chǎn)能力，不得不提產(chǎn)擴能，且對早期淺部沒有進行回采的殘礦進行資源回收與利用[1]。在此形勢下，只有擴大生產(chǎn)范圍及大量增加作業(yè)面，形成多中段同時開采作業(yè)的局面。開采深度的增加，導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)變得十分復(fù)雜，像這類兼有深部開采和多作業(yè)區(qū)域的礦井，往往存在通風(fēng)動力與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不匹配、中段風(fēng)量分配不平衡、內(nèi)部漏風(fēng)和串風(fēng)嚴重、深部作業(yè)環(huán)境溫度較高、井下輔扇眾多等一系列通風(fēng)問題[2]。

1 礦山概況

某金礦位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，該礦山年產(chǎn)規(guī)模為36萬t，現(xiàn)階段有893～575 m之間的8個中段進行開采，893 m中段以上正準(zhǔn)備進行殘采作業(yè)，而575 m中段以下正在開拓掘進。井下現(xiàn)采用兩翼的1000 m井、400 m井同時進風(fēng)，中央600 m井回風(fēng)，形成兩翼進風(fēng)、中央回風(fēng)的抽出式通風(fēng)系統(tǒng)。

目前，在600 m井井口房一側(cè)安裝有1臺型號為DK40-6-№21/2×200 kW對旋式軸流通風(fēng)機。在千米井礦區(qū)725，675，625 m中段石門內(nèi)各安裝有1臺 K40-4-№.10/30 kW 型軸流式風(fēng)機。另外，在725，675，625，575 m等4個中段至盲風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)各安裝有1臺K40-4-№.10/30 kW型風(fēng)機。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)測定評價與問題分析

2.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查與評價

目前，該礦山井下作業(yè)范圍在不斷地擴大，開采不斷向深部延伸，作業(yè)點不斷地變化。由于893 m以上的老采區(qū)的殘礦品位較高，具有較高的可采價值，將對 893 m 上部的 934，974，1014 m 和 1054 m中段進行殘礦回采，575 m中段以下的525，475 m和375 m中段正在進行開拓掘進作業(yè)，因此將會形成 15個中段同時作業(yè)的局面，導(dǎo)致井下通風(fēng)問題不斷凸顯。特別是地表600 m井口的DK40-6-№21/2×200 kW 對旋式軸流通風(fēng)機已經(jīng)無法滿足深部的作業(yè)通風(fēng)需求，因此，需對該礦井下通風(fēng)系統(tǒng)進行全面地調(diào)查測定分析，進行綜合評價，得出評價結(jié)果見表1。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)測定指標(biāo)統(tǒng)計[3]

由表1可知，綜合評價指標(biāo)為63.9%，屬于不合格，且風(fēng)質(zhì)合格率、有效風(fēng)量率、風(fēng)量供需比等多項指標(biāo)不合格，說明井下整體通風(fēng)系統(tǒng)存在較多的問題。

2.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)問題分析

從現(xiàn)場調(diào)查及測定結(jié)果看，礦井通風(fēng)系統(tǒng)目前主要存在以下幾個方面的問題。

（1）通風(fēng)系統(tǒng)綜合指標(biāo)C不合格，整體通風(fēng)能力偏弱。根據(jù)測定評價結(jié)果，該礦井通風(fēng)系統(tǒng)綜合指標(biāo)C為63.9%，屬于不合格，說明該礦井通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足井下作業(yè)通風(fēng)要求。礦井風(fēng)量供需比不合格，說明風(fēng)量的供需基本不平衡，而有效風(fēng)量率偏低，說明漏風(fēng)嚴重，主要原因為通風(fēng)阻力大且礦井內(nèi)部調(diào)控不到位。

（2）現(xiàn)有主扇風(fēng)機的供風(fēng)量無法滿足井下生產(chǎn)需求。根據(jù)現(xiàn)場測定的結(jié)果可知，600 m井井口風(fēng)機供風(fēng)量為81.7 m3/s，已經(jīng)不能滿足井下的99.7 m3/s的作業(yè)通風(fēng)需求。

（3）千米井礦區(qū)深部通風(fēng)阻力大，通風(fēng)困難，進回風(fēng)段都裝有風(fēng)墻輔扇，不利于風(fēng)流調(diào)控。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，千米井礦區(qū)深部最長通風(fēng)線路將近4000 m，深部通風(fēng)阻力大，通風(fēng)困難。

千米井礦區(qū) 1000 m 井的 725，675 m 和 625 m中段的石門和盲風(fēng)井的回風(fēng)道內(nèi)都安裝了K40-4-№.11/30 kW輔扇，并且都設(shè)置有風(fēng)門。在進回風(fēng)道安裝帶風(fēng)門的輔扇，將增加系統(tǒng)通風(fēng)阻力，不利于井下風(fēng)流的調(diào)控。

（4）井下存在多個內(nèi)部循環(huán)、污風(fēng)串聯(lián)以及風(fēng)流短路等問題。由于井下輔扇安裝較多，又設(shè)置在主運輸巷道內(nèi)，管理困難，容易造成污風(fēng)內(nèi)部循環(huán)。575 m中段向1000 m井方向反風(fēng)，反風(fēng)量達到24.71 m3/s。且893 m中段以上存在多個空區(qū)漏風(fēng)，導(dǎo)致下部中段回風(fēng)量小。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

3.1 礦井總需風(fēng)量計算

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查及測定井下的作業(yè)安排，礦井總風(fēng)量需要考慮漏風(fēng)、風(fēng)量不均衡和調(diào)整不及時等因素，在礦井需風(fēng)量的基礎(chǔ)上乘以一定的礦井漏風(fēng)備用系數(shù)K。由于該金礦井下開拓系統(tǒng)比較復(fù)雜，作業(yè)面分布范圍廣，內(nèi)部風(fēng)流擴散范圍大，經(jīng)綜合考慮后，取本礦井漏風(fēng)備用系數(shù)為 1.2。因此，本礦井總需風(fēng)量為：Qt=99.7 m3/s。773 m及以下需風(fēng)量為 68.4 m3/s，773 m 中段以上需風(fēng)量為 31.3 m3/s。

3.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

本文從系統(tǒng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)動力以及通風(fēng)構(gòu)筑物等方面進行優(yōu)化研究[4]。

3.2.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)宏觀方案構(gòu)建

根據(jù)井下的實際需求，綜合考慮利用現(xiàn)有的1000 m井和400 m井進風(fēng)?？紤]到整體通風(fēng)系統(tǒng)的線路長阻力大，且需兼顧893 m中段以上區(qū)域的殘采通風(fēng)、525 m及以下的開拓掘進及生產(chǎn)作業(yè)通風(fēng)需求等，對該礦井下構(gòu)建主風(fēng)井兩級大主扇+構(gòu)筑物通風(fēng)調(diào)控方案，即考慮在773 m中段總回風(fēng)道（即深部總回風(fēng)道）設(shè)置大風(fēng)壓主扇負責(zé)深部的通風(fēng)，在600 m井井口新安裝1臺大風(fēng)量風(fēng)機接力深部回風(fēng)，并兼顧893 m中段以上的殘采回風(fēng)需求，從而形成兩級接力風(fēng)機機站回風(fēng)，整體通風(fēng)系統(tǒng)形成中央回風(fēng)、兩翼進風(fēng)的中央對角式回風(fēng)系統(tǒng)。

3.2.2 地表主扇風(fēng)機的選擇與復(fù)核

通過對通風(fēng)系統(tǒng)主風(fēng)井兩級大主扇+構(gòu)筑物通風(fēng)調(diào)控方案，結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)需風(fēng)量計算，考慮將原600 m 井地表DK40-6-№21/2×200 kW 風(fēng)機搬遷至773 m總回風(fēng)道內(nèi)，并在600 m井井口增設(shè)1臺大風(fēng)量主扇。通過對整個通風(fēng)系統(tǒng)的最長通風(fēng)線路和最短通風(fēng)線路進行阻力計算，在計算阻力過程中并考慮最熱月與最冷月自然風(fēng)壓對礦井通風(fēng)的影響。計算礦井通風(fēng)系統(tǒng)總阻力，對原風(fēng)機進行復(fù)核以及對600 m井井口風(fēng)機進行選型。最終通風(fēng)阻力計算結(jié)果見表2。

表2 礦井通風(fēng)總阻力計算結(jié)果

通過上述計算的通風(fēng)阻力，在考慮風(fēng)機備用系數(shù)以及風(fēng)阻局部阻力的情況下計算管網(wǎng)通風(fēng)阻力系數(shù)。初步確定 600 m 井井口安裝 1臺 DK45-6-№.20型對旋軸流式風(fēng)機。并對新選定風(fēng)機及773 m總回風(fēng)道原風(fēng)機進行校核。校核風(fēng)機工況特性曲線分別見圖1和圖2。

圖1 600 m井井口風(fēng)機工況曲線

圖2 773 m總回風(fēng)道風(fēng)機工況曲線

通過校核上述主扇工況點特性曲線，得到各個風(fēng)機的工況點參數(shù)，見表3。由表3可知，各個風(fēng)機工況能滿足井下生產(chǎn)作業(yè)的通風(fēng)需求。

表3 主扇工況點參數(shù)

3.2.3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

在確定600 m井井口和773 m中段風(fēng)機的情況下，需對井下通風(fēng)系統(tǒng)進行具體調(diào)控，使風(fēng)流能合理分配到各個中段且有效進入到各個作業(yè)面，解決新風(fēng)短路、污風(fēng)循環(huán)等問題，具體優(yōu)化調(diào)控措施如下。

（1）將原安裝在1000 m井各中段石門和盲回風(fēng)井回風(fēng)道的帶風(fēng)墻輔扇K40-4-№.10/30 kW風(fēng)機進行停運，在作業(yè)區(qū)域集中的地方采用通風(fēng)構(gòu)筑物和局扇進行調(diào)控。

（2）采一礦區(qū)（934～773 m）采用400 m井進風(fēng)，經(jīng)934 m中段主運輸巷和中段斜坡道進入下部 893 m、853 m 和 813 m 中段，最終通過 600 m井排出地表。

（3） 千米井礦區(qū)新掘回風(fēng)天井675 m與625 m中段主巷采用增阻引導(dǎo)調(diào)節(jié)方案。在725，675，625 m和575 m的回風(fēng)道內(nèi)設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)門，控制中段回風(fēng)量，在642 m中段西側(cè)掘進回風(fēng)天井貫通至625 m中段回風(fēng)道（調(diào)節(jié)風(fēng)門內(nèi)側(cè)），通過中段回風(fēng)道增阻將風(fēng)流引導(dǎo)至作業(yè)分層； 934 m 以上區(qū)域，600 m井采用集中回風(fēng)+新增E10回風(fēng)天井方案；在934～1054 m各中段間E10線附近新增1條回風(fēng)天井，用于934 m以上殘采區(qū)域污風(fēng)匯集后回至934 m中段600 m井石門，再匯入600 m井內(nèi)，與934 m以下深部污風(fēng)匯合后，統(tǒng)一經(jīng)600 m井井口主扇抽排至地表。根據(jù)934～1054 m殘采區(qū)域的礦柱回采方案，E10回風(fēng)天井采取逐中段往上掘進，以減少基建時間及基建投入。

（4）經(jīng)本次優(yōu)化后，井下總共增加了 3臺風(fēng)機，在 934 m 中段 600 m 風(fēng)井回風(fēng)道增設(shè) 1臺K40-6-№.12/15 kW 軸流風(fēng)機，853 m 和 813 m 中段600 m風(fēng)井回風(fēng)道內(nèi)分別增設(shè)1臺K40-6-№.11/7.5 kW軸流風(fēng)機。本礦井須新增手動風(fēng)門10扇、自動風(fēng)門3扇、調(diào)節(jié)風(fēng)門6扇，密閉墻4道。

4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化實踐與分析

為確保優(yōu)化技術(shù)的可靠性，采用三維仿真模擬軟件進行通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算[5]，從網(wǎng)絡(luò)解算模擬優(yōu)化措施能否滿足井下的通風(fēng)需求[6]。由于現(xiàn)場情況的復(fù)雜性及不確定性，在優(yōu)化措施實踐過程中需不斷地進行調(diào)試，使其進一步完善，以達到最佳通風(fēng)狀態(tài)。通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算兩級風(fēng)機工況曲線見圖3和圖4。

圖3 600 m井井口風(fēng)機工況曲線

圖4 773 m總回風(fēng)道風(fēng)機工況曲線

優(yōu)化措施現(xiàn)場實踐完成后，對整個通風(fēng)系統(tǒng)進行一次完整的測定。并將測定結(jié)果與通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)量、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果進行對比，具體比較結(jié)果見表4。

表4 設(shè)計、解算與實測風(fēng)量對比

由表4可知，優(yōu)化措施實踐后，測定的通風(fēng)系統(tǒng)總進風(fēng)量達到106.6 m3/s，能滿足設(shè)計的99.7 m3/s的生產(chǎn)通風(fēng)需求，說明優(yōu)化措施達到了預(yù)期的效果，且各個中段的實際進風(fēng)量與設(shè)計進風(fēng)量基本持平。雖然個別中段的進風(fēng)量略小于設(shè)計進風(fēng)量，但設(shè)計進風(fēng)量考慮了一定的備用系數(shù)，實際進風(fēng)量能滿足通風(fēng)需求。實測風(fēng)量基本符合解算風(fēng)量的數(shù)據(jù)，說明此次通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算的可行度較高，具有一定的現(xiàn)場指導(dǎo)性[7]。

5 結(jié)論

（1）隨著開采深度的不斷延伸，通風(fēng)變得越來越復(fù)雜，特別是開采多年的老礦山。礦山原有的通風(fēng)方式、通風(fēng)主扇以及調(diào)控措施等都無法滿足現(xiàn)有生產(chǎn)通風(fēng)需求，對現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化研究勢在必行，也是保障井下安全生產(chǎn)的必然舉措。

（2）現(xiàn)有老礦山由于早期采選技術(shù)的不成熟，往往只開采富礦體。在如今具有更為先進的采選技術(shù)趨勢下，對老采區(qū)的殘礦進行回采是保障資源高效利用的重要舉措。在此形勢下，勢必造成礦山全面作業(yè)的趨勢，保障殘采區(qū)域的有效通風(fēng)也是重中之重。

（3）對通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化，首先需對礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)進行調(diào)查測定，找出存在的問題以及產(chǎn)生問題的原因。通過對通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化理論與優(yōu)化技術(shù)展開研究，確定合理的優(yōu)化措施，建立通風(fēng)系統(tǒng)三維仿真模型進行解算，以及對系統(tǒng)的不斷調(diào)試是確保優(yōu)化技術(shù)安全可靠的重要技術(shù)支撐。