喜人公司磷礦通風(fēng)系統(tǒng)及排水系統(tǒng)施工

閆德傳,胡文軍，胡章地

(1湖北鐘祥喜人化工有限公司，湖北 荊門 448000;2武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 武漢 430074;3武漢工程大學(xué)法商學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

盡管礦山開采設(shè)計方案都經(jīng)過了專家評審，但由于有些設(shè)計者對企業(yè)的現(xiàn)狀及地質(zhì)實(shí)際狀況了解不是很詳細(xì)，導(dǎo)致設(shè)計方案與企業(yè)實(shí)際現(xiàn)狀相差較大，甚至某些設(shè)計圖只是示意圖，根本達(dá)不到施工圖要求，礦山企業(yè)進(jìn)行施工時，如果嚴(yán)格按照設(shè)計進(jìn)行施工，勢必難于完成.筆者根據(jù)在喜人磷礦多年的現(xiàn)場施工研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，設(shè)計為企業(yè)提供了大的總體規(guī)劃方案，施工過程中，總體上不得改變通風(fēng)和排水系統(tǒng)以及采礦方法總體設(shè)計方案，符合國家法律法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，但施工細(xì)節(jié)應(yīng)由企業(yè)工程技術(shù)人員根據(jù)企業(yè)實(shí)際現(xiàn)狀，靈活布置，并繪制施工圖.這樣既有利于企業(yè)達(dá)到總體設(shè)計要求的安全生產(chǎn)條件、生產(chǎn)能力以及礦產(chǎn)資源的最理想回收率，又有利于企業(yè)技術(shù)人員在企業(yè)生產(chǎn)中使用新技術(shù)改善職工勞動環(huán)境，增大安全生產(chǎn)系數(shù)[1-3].

喜人化工有限公司磷礦始建于1971年，一期開采工作在+215～+125 m之間.一期開采結(jié)束后，于1992年和2003年對其進(jìn)行了二期開采的初步設(shè)計與修改設(shè)計；2006年已對一層礦、三層礦+90～-60 m中段進(jìn)行了延伸設(shè)計，開采規(guī)模為40萬噸/年.礦山采用斜井提升，脈外平巷運(yùn)輸?shù)拈_拓方案.根據(jù)礦體形態(tài)，在全走向上布置有一條主斜井和三條盲斜井.礦體屬緩傾斜的中厚礦層，中段高度為25 m，延深設(shè)計PH1礦層為四個中段，即+15 m、-10 m、-35 m和-60 m，PH3礦層設(shè)計為6個中段，即+65 m、+40 m、+15 m、-10 m、-35 m和-60 m.

1 通風(fēng)系統(tǒng)施工方案研究

根據(jù)金屬與非金屬礦山安全規(guī)程規(guī)定，地下開采應(yīng)建立機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，對于自然風(fēng)壓較大的礦井，當(dāng)風(fēng)量、風(fēng)速和作業(yè)場所空氣質(zhì)量能夠達(dá)到要求時，允許暫時用自然通風(fēng)替代機(jī)械通風(fēng).按照全礦統(tǒng)一通風(fēng)與分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井相對位置的不同，礦井通風(fēng)布置形式可分為對角式、中央式、混合式三種.礦山的通風(fēng)設(shè)計方案應(yīng)嚴(yán)格遵循安全可靠、通風(fēng)基建費(fèi)、經(jīng)營費(fèi)最低和便于管理的原則進(jìn)行，一般與礦井開拓提升運(yùn)輸、采礦方法、開采順序、采準(zhǔn)布置方案一并考慮.在施工中應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計布置的通風(fēng)形式進(jìn)行施工，保證通風(fēng)巷道斷面尺寸、通風(fēng)構(gòu)筑物和風(fēng)流調(diào)節(jié)設(shè)施及通風(fēng)設(shè)備施工安裝達(dá)到設(shè)計要求，且便于維護(hù)管理；確需對通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行局部施工變更，原則上應(yīng)不改變原設(shè)計的布置形式，保證風(fēng)量分配調(diào)節(jié)易于滿足生產(chǎn)需要且漏風(fēng)少，運(yùn)行安全可靠[4-7].

1.1 變更前通風(fēng)系統(tǒng)狀況

喜人公司原設(shè)計方案中，2#斜坡道只屬三層礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口，一層礦為主井與1#斜坡道進(jìn)風(fēng)，另增設(shè)長420 m斷面2.6×2.5 m風(fēng)井通空區(qū).

-10 m水平以上總風(fēng)阻408.38 Pa，-35 m水平以上風(fēng)阻為426.35 Pa，-60 m水平以上風(fēng)阻為444.32 Pa，風(fēng)機(jī)配置為K45-15礦用軸流式風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率為75 kW，風(fēng)量為34～60 m3/s，安全壓力為735～1 080 Pa.

1.2 變更后通風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)狀，并與設(shè)計單位溝通，本文將一層礦通風(fēng)方案變更為中央對角式通風(fēng)方式，從主井進(jìn)風(fēng)，1#斜坡道與2#斜坡道出風(fēng)，不另設(shè)風(fēng)井.通風(fēng)示意圖如圖1所示[8].

圖1 -10 m至+40 m水平通風(fēng)示意圖Fig.1 Horizontal ventilation layout

設(shè)計變更后，一層礦年生產(chǎn)能力為20萬噸，需5個礦房同時回采，1個開拓工作面，2個采準(zhǔn)切割工作面.

風(fēng)量計算如下：

①回采工作面所需風(fēng)量

按排塵風(fēng)速計算回采工作面所需風(fēng)量

Q采=nSv=5×71.1×0.06=21.5 m3/s

式中：n——同時回采礦房數(shù);

S——工作面面積，S=15×4.74=71.1 m2;

v——排塵風(fēng)速，v=0.06 m/s.

②備用工作面所需風(fēng)量

安排2個備用礦房，所需風(fēng)量為

Q備=2×1=2 m3/s

③掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量

一層礦安排一個開拓工作面，二個采切工作面，每個工作面所需風(fēng)量為1.5 m3/s，總需風(fēng)量為Q掘=3×1.5=4.5 m3/s .

④硐室需風(fēng)量按3 m3/s計算.

⑤一層礦總需風(fēng)量

Qz=K1K2(Q采+Q備+Q掘+Q硐)=

1.15×1.1(21.5+2+4.5+3)=37.3 m3/s

式中：K1——外部漏風(fēng)系數(shù);

K2——內(nèi)部漏風(fēng)系數(shù).

通風(fēng)阻力計算公式為：

h阻=∑h摩+∑h局,Pa

(1)

式(1)中：h阻——礦井通風(fēng)阻力，Pa；

h摩——礦井通風(fēng)阻力，Pa，計算公式為公式(2)；

h局——礦井通風(fēng)阻力，Pa，一般按h摩的10%～20%計算.

(2)

式(2)中：H摩——井巷的摩擦阻力，Pa；

α——井巷的摩擦阻力系數(shù)，Pa；

L——井巷的長度，m；

U——井巷的斷面周長，m；

S——井巷的斷面積，m2；

Q——井巷的風(fēng)量，m3/s.

通風(fēng)阻力計算如表1所示.

通過計算，主井至1#斜坡道-10 m水平以上風(fēng)阻為302.36 Pa，-35 m水平以上風(fēng)阻為320.33 Pa，-60 m水平以上風(fēng)阻為338.3 Pa；主井至2#斜坡道-10 m水平以上風(fēng)阻為358.09 Pa，-35 m水平以上風(fēng)阻為376.06 Pa，-60 m水平以上風(fēng)阻為394.03 Pa.設(shè)計一層礦總需風(fēng)量37.3 m3/s，在-10 m聯(lián)絡(luò)通道上安裝兩臺SWF-12NO.12風(fēng)機(jī)，每臺風(fēng)機(jī)風(fēng)量21.6 m3/s，風(fēng)壓800 Pa，電機(jī)功率為22 kW.局部采用局扇通風(fēng).

-10 m中段以下開拓采用局扇通風(fēng)，-35 m中段與-60 m中段開拓系統(tǒng)完成時，-10 m中段以上基本采完，利用-10 m中段平巷為回風(fēng)平巷，-35 m、-60 m中段平巷作為新鮮風(fēng)流進(jìn)入平巷進(jìn)行通風(fēng).

由表1分析可知，通過變更方案，不僅節(jié)約了掘進(jìn)風(fēng)井費(fèi)用，而且降低了風(fēng)阻，減少了通風(fēng)費(fèi)用.

表1 通風(fēng)阻力計算表Table 1 Ventilation resistance calculation table

2 排水系統(tǒng)施工方案研究

地下礦排水分自流排水與機(jī)械排水，自流排水有投資省、經(jīng)營費(fèi)少、管理簡單、生產(chǎn)可靠等優(yōu)點(diǎn)，在有條件的地方應(yīng)盡可能采用自流排水；由于大部分礦山屬于老礦山，開采深度比較低，只能采取機(jī)械排水.設(shè)計單位是根據(jù)企業(yè)的水文資料、開采現(xiàn)狀、地質(zhì)狀況進(jìn)行的設(shè)計，一般采用集中與分區(qū)排水、直接與接力排水的方案，設(shè)計的排水設(shè)施包括泵房、水倉、沉淀池、清倉排泥等工程.泵房按水泵的進(jìn)水方式不同，布置形式分為吸入式或壓入式，還有潛水泵排水方式.一般設(shè)計采用吸入式，井底主要泵房的出口應(yīng)不少于兩個，其中一個通往井底車場，另一個用斜巷與井筒連通，斜巷上口應(yīng)高出泵房地面標(biāo)高7 m以上；泵房地面標(biāo)高應(yīng)高出其入口處巷道底板標(biāo)高0.5 m，其下部入口應(yīng)裝設(shè)防水門.水倉應(yīng)由兩個獨(dú)立的巷道系統(tǒng)組成，每個水倉容積，應(yīng)能容納2～4 h的井下正常涌水量；主要水倉總?cè)莘e，應(yīng)能容納6～8 h的正常涌水量.企業(yè)在施工水泵房及水倉時必須嚴(yán)格按照設(shè)計要求施工，水倉實(shí)際施工后的容積不可能與設(shè)計容積剛好一致，但有效容積要確保在6 h以上.水泵房地面要比入口處的巷道地面高0.5 m，施工難度較大，在打泵房入口時可采取緩坡掘進(jìn)，待提高0.5 m后再打平巷[9-10].

2.1 變更前排水系統(tǒng)狀況

喜人公司的原排水設(shè)計利用+40 m水平的水倉作為永久性中轉(zhuǎn)水倉，分別在-10 m水平、-60 m水平建水倉和泵房的分級排水方案，將水從-10 m水平、-60 m水平排到+40 m水平的水倉后，再由+40 m水平水泵排出井外(高度+140 m水平).

2.2 變更后排水系統(tǒng)

考慮到+40 m水平的水倉約1 000 m3，已服務(wù)多年,淤泥較多,有效容積不到600 m3，由于磷礦層為含水層，-10 m水平的水倉隨著開采深度下降將會無水而廢棄，服務(wù)時間較短.經(jīng)研究并與設(shè)計院探討更改設(shè)計，在-60 m水平建一個較大水倉(設(shè)計為3 700 m3)和泵房，采用一級排水方案(從-60 m水平一次性排出井外，高度+140 m水平).在開拓過程中，在-10 m水平建一個1 000 m3的臨時水倉作為接力排水中轉(zhuǎn)水倉，-60 m水平水倉和泵房建成使用后撤出+40 m水平和-10 m水平排水設(shè)施和人員,排水方案變更前后選型水泵見表2，排水方案運(yùn)行方式如表3所示.

更改后的排水方案不僅減少了-10 m水平水倉及泵房的投入(約60萬元)，而且減少了-10 m水平、+40 m水平兩級泵房的人員管理成本；并將-60 m水倉容積設(shè)計加大達(dá)到最大晝夜涌水量的65%容量(-60 m水平正常涌水量5 086.98 m3/d，最大涌水量5 640.69 m3/d)，可以實(shí)現(xiàn)錯峰低谷用電排水，大大降低了排水成本；-60 m水倉建成運(yùn)行一年就節(jié)約電費(fèi)100多萬元(相比原兩級排水方案).另外-60 m水倉還可以作為深部開拓的永久性中轉(zhuǎn)水倉.

表2 排水方案變更前后選型水泵對照表Table 2 Comparison table of water aspirators in previous and current drainage plans

表3 排水方案運(yùn)行方式比較Table 3 Comparison table of operation mode of water aspirators

3 結(jié) 語

(1)礦山設(shè)計的目的是使企業(yè)在礦產(chǎn)資源開采上做到經(jīng)濟(jì)合理、施工安全有序，達(dá)能達(dá)產(chǎn)，由于礦產(chǎn)資源地質(zhì)條件的變化難于完全掌握，設(shè)計或多或少存在與實(shí)際不符的問題，在按設(shè)計進(jìn)行施工過程中不能生搬硬套，企業(yè)工程技術(shù)人員在不違背總體設(shè)計原則的條件下，應(yīng)根據(jù)企業(yè)現(xiàn)狀，靈活制定符合地質(zhì)條件、切實(shí)可行的施工方案，并加強(qiáng)施工管理，在施工中逐步優(yōu)化完善設(shè)計方案，最后實(shí)現(xiàn)施工與設(shè)計相符、符合法規(guī)規(guī)程的目標(biāo).

(2)將通風(fēng)系統(tǒng)變更為中央對角式通風(fēng)方式，從主井進(jìn)風(fēng)，1#斜坡道與2#斜坡道出風(fēng)，不另設(shè)風(fēng)井.通過變更方案，不僅節(jié)約了掘進(jìn)風(fēng)井費(fèi)用，而且降低了風(fēng)阻，減少了通風(fēng)費(fèi)用.

(3)將排水系統(tǒng)由分級排水方案變更為一級排水方案并加大水倉容積.更改后的排水方案不僅減少了-10 m水平水倉及泵房的投入，而且減少了-10 m 水平、+40 m水平兩級泵房的人員管理成本，雖增加了水倉容積加大了投資，但實(shí)現(xiàn)了錯峰低谷用電排水，大大降低了排水成本.

通過靈活的變更處理，喜人磷礦通風(fēng)系統(tǒng)及排水系統(tǒng)的施工既達(dá)到了規(guī)范要求，又節(jié)省了礦山投資成本.

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