大冶鐵礦尖林山車間井下通風系統改造

陳國平，阮德超，胡文軍，呂 玲，蔡 勇

(1.武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

礦井通風是創造礦井正常生產環境和安全生產條件的基礎，也是礦井安全生產的基本保障[1].據相關統計，到2007年底，我國有金屬非金屬地下礦山11 799座.其中，已建立機械通風系統的6 826座，占地下礦山總數的57.9%，未建立機械通風系統的4 973座，占地下礦山總數的42.1%[2].然而隨著許多礦山生產的發展以及礦井通風系統管理不善，導致出現井下采空區多、漏風大、風流紊亂、串聯風多、風量與風質達不到要求等問題，而且由于有效風量率低直接造成較高的通風成本.這是我國目前地下開采礦山普遍存在的問題，不僅是經濟上的損失，更關系到井下作業的每一名礦工的生命安全.

對礦井通風系統優化的研究很有必要，國內外許多專家和學者對此進行了廣泛深入的研究，并取得了許多成果，如在礦井通風網絡解算和通風系統圖的建立幾個方面都開發出了相應的運用軟件.先進的計算機技術為系統優化帶來極大方便，上世紀80年代初，以加拿大、澳大利亞、美國和英國為代表陸續開發出整套礦井通風管理軟件.在國內，由于語言和價格等方面的原因并沒有普及這些軟件，自80年代末始，經過二十多年的發展，不少軟件已開始成功投入使用.中國礦業大學開發的計算機圖形系統軟件，專門用于礦井通風系統圖形管理和事故救災輔助決策，并很方便地生成礦井通風系統圖.貴州工業大學采礦教研室研發的MVS-MIS系統，系統使用方便，資源共享性強，安全可靠性高，加速了礦山信息化管理步伐.但是在實際通風系統優化工作中，由于缺乏專門的優化決策支持軟件，工程人員面對大量的數據而無法運用科學的方法進行定量計算.另外，通風系統優化的不同環節中運用不同的軟件，不但繁瑣而且不利于信息處理和記錄，加上受當時計算機編程語言的限制，之前開發的軟件在信息輸入、軟件操作、系統結構等方面都存在著缺陷[3].

通過運用系統論、圖論、拓撲學的觀點，對大冶鐵礦尖林山礦井通風系統進行改造設計，進行風網解算，以求達到技術可行、經濟合理的風網風流控制方案，從技術上解決上述存在的問題.

1 工程概況

武鋼礦業公司大冶鐵礦礦區位于湖北省黃石市鐵山區，東距黃石市區25 km，東南距大冶市15 km.礦區水陸交通十分方便.礦區內氣候冬冷夏熱，四季分明，雨量充沛，為典型的亞熱帶大陸性氣候.開采標高為+276 m至-280 m.開采礦種：鐵礦.

礦區共分布有6個主要大礦體，自西向東依次為鐵門坎、龍洞、尖林山、象鼻山、獅子山、尖山礦體，除尖林山為隱伏礦體外，其余均露出地表.礦體呈似層狀、透鏡狀，礦體總體走向為北西西，向深部轉向南南東傾斜.礦體北部是閃長巖，地勢高；南部是大理巖，地勢低[4].

2 通風系統現狀及存在的問題

目前，尖林山車間井下通風系統存在風機機站分布分散、通風網絡復雜、風路較長、通風費用高、主扇能力不足、礦井總風量不足、采區通風困難，系統外部漏風等問題[5].具體如下：

(1) 礦山各采區均已轉入-110 m以下二期開采，各采區二期開采的回風井與上部一期開采的回風井在-110 m水平錯開，并且與-110 m中段運輸巷相通，造成大量新鮮風流直接從-110 m中段運輸巷流入上部回風井排出而不能進入-110 m以下作業中段.

(2) 由于上述原因，龍洞采區與鐵門坎東區-110 m以下作業面風量嚴重不足，鐵門坎東區風流甚至反向西行下到-17 0m、-230 m、-270 m水平.

(3) 鐵門坎北區-110 m以上一期工程電梯井已破舊不能正常運行，給設于鐵門坎北回風斜井口的風機管理帶來極大困難.北區-110 m以上各水平漏風嚴重，造成-110 m以下回風能力過小.

(4) 鐵門坎南回風斜井口的風機已拆除，南區的通風系統已癱瘓，-110m以下作業面的炮煙下行到-170m中段，影響到運輸作業的安全.

(5)鐵門坎西區和東區的需風量主要是來自于鐵門坎副井，然而隨著深部開采的繼續，系統外部漏風增加，進風量已滿足不了各采場的需求.

(6)現有的通風系統，特別是鐵門坎西區的通風線路長，通風巷道復雜紊亂，這不僅給通風管理造成不便，而且局部可能存在的污風循環，給井下開采作業造成嚴重安全隱患.

為了能最大限度地解決這些問題，并節約通風能耗，降低通風費用，提高通風系統管理水平，有必要對系統進行改造設計.

3 通風系統改造方案

3.1 鐵門坎采區

鐵門坎采區分鐵門坎西區與鐵門坎東區兩個通風系統.鐵門坎西區原北回風斜井改為進風井(拆除北回風斜井下部風機)，一部分新鮮風流由北進風斜井(原北回風斜井)分別經過-50 m水平原北進風井、北提升井和北回風井至-110 m中段，再經電梯井、斜坡道進入各作業分層；另一部分新鮮風流由鐵門坎副井分別進入-110 m、-170 m 中段，再從斜坡道、電梯井進入各作業分層，作業排出的污風匯集于礦體北端與西端的回風井上至-110 m水平，再經南回風井和南措井上升至-50 m水平，最后由設在南回風斜井井口的兩臺并聯風機抽出至地表(拆除南回風斜井下部風機).

鐵門坎-45 m水平溜破回風井口設有一臺風機，將破碎硐室污風抽出至南回風斜井，最后由南回風井口的兩臺并聯風機抽出至地表.

鐵門坎東區新鮮風流從鐵門坎副井下至-170 m階段運輸巷，再由-170 m階段運輸巷進入東區人行通風天井上至各作業分層，作業排出的污風匯集于礦體東端的回風井上至-110 m水平，經-110 m階段原鐵門坎東回風井至-50 m水平，再由設于+90 m地表的兩臺并聯風機通過電梯井、鐵龍回風斜井抽出排至地表[6].

3.2 龍洞采區

龍洞采區新鮮風流從龍洞斜坡道與龍洞主進風井、階段進風井及原提升井進入-110 m階段運輸巷，再由斜坡道下至-170 m階段運輸巷，并由位于礦體東端、中部的進風井進入各作業分層.作業排出的污風匯集于礦體西端的回風井上至-110 m水平，經龍洞回風井至-50 m水平，再由設于+90 m地表的兩臺并聯風機通過鐵龍回風斜井抽出排至地表.

3.3 尖林山采區

尖林山采區新鮮風流從石塔溝主井分別進入-110 m、-170 m水平階段運輸巷，再從斜坡道、電梯井進入各作業分層，作業排出的污風匯集于礦體東端的回風井上至-110 m水平，由設于+105 m水平的兩臺并聯風機抽出，通過-50～-110階段回風井、尖林山回風斜井排至地表.

針對通風系統存在的問題，此次改造的目標是研究滿足井下尖林山、鐵門坎、龍洞三個采區-170 m中段生產比較合理的通風方式，建立一個有效風量率≥65%，風機平均效率≥65%，滿足-170 m中段作業的高效運行井下通風系統[7-8].

4 礦井通風阻力及需風量計算

4.1 井下需風量

根據《金屬非金屬礦山安全規程》對于井下通風安全的規定和各采區生產情況，同時考慮礦井漏風及風量調整不及時的備用風量，取漏風系數0.40，各采區需風量計算如表1所示.

表1 各采區需風量Table 1 Required amount of air in each mining area

4.2 礦井通風阻力計算

由于礦井巷道極少為圓形，可用當量直徑d=4S/U代入沿程阻力公式得：

則井巷摩擦阻力計算公式為

Hf=RfQ2

式中：λ為沿程阻力系數；ρ為空氣密度，kg/m3；S為巷道斷面積，m2；U為巷道周界，m；L為巷道長度，m.

5 通風系統網絡解算

風網解算時，考慮到大冶鐵礦鐵門坎、龍洞和尖林山的通風網路是一個整體，構成一個通風系統，根據系統論的觀點，不能將三個工區截然分開.因此，解算時我們將整個通風系統經過拓撲變換，然后代入原始數據進行計算機解算.原始數據包括分支的起始結點號、風阻、需風量、自然風壓或恒壓源壓頭等，分支、主扇曲線條數和曲線特征點的風量、風壓，以及迭代限與迭代精度[9].

5.1 風網分析方法及解算軟件

常用的風網解算方法有斯科特·辛斯利Scott-Hinsley)法和牛頓·拉夫遜(Newton-Raphson)法.其中Newton-Raphson法是一種斜量法，其收斂速度快，但對內存要求量大而每次計算占機時間較長；Scott-Hinsley法是一種迭代法，雖然其收斂速度受所圈劃回路的影響，但其算法簡單，內存要求不大，每次迭代運算速度較快，收斂性較好，故本文采用Scott-Hinsley法進行風網分析.

在上述方法的基礎上開發出新的風網分析軟件Mvnet Version1.4對大冶尖林山鐵礦井下通風系統網絡進行解算，該軟件的功能結構如圖1所示.

5.2 風網解算步驟

由主程序輸入原始數據進行風阻計算，通風阻力R=aPL/S3，a為摩阻系數，P為巷道周長，L為長度，S為面積.再通過最小二乘法進行風機特性曲線擬合.風網解算程序框圖如圖2所示.

5.3 主扇性能曲線擬合

風網主扇K40-6-№16、K40-4-№11的性能曲線分別如圖3、圖4所示.注意并聯主扇特性曲線按照“風壓相等，風量相加”的原則合成.

圖3 K40-4-№11等風機特性曲線圖Fig.3 Characteristic curve of K40-4-№11

5.4 通風網絡解算

根據通風方案和通風解算網絡圖以及相關基礎資料，編制巷道風阻、網孔、風機及機站原始參數文件，然后利用礦井通風系統解算軟件Mvnet version1.4進行網絡解算.

圖4 K40-6-№16等風機特性曲線圖Fig.4 Characteristic curve of K40-6-№16

風網分支數NB=264，迭代最大次數MIT=500，迭代限E=0.001.風網主扇數NFC=4，根據結算結果對各主扇性能曲線參數進行擬合.

6 機站解算結果及鑒定指標

通過計算工作面需風量，巷道通風阻力和風機特性等參數，運用風網分析軟件Mvnet Version1.4進行風網解算.風機參數解算結果如表2所示.其中風機實耗功率計算公式為

式中：N為風機所需功率；P為風機全壓，Pa；Q為風機風量，m3/s；K為電機容量儲備系數；η1為風機全壓效率；η2為機械效率.

同時，為檢驗結算結果的正確性，還應根據《冶金礦山礦井通風系統鑒定指標》相關規定，對改造后的尖林山礦區通風系統進行全面的檢測，并按照基本指標、綜合指標和輔助指標對其進行評價[9]，評價指標如表3所示.

表2 機站參數解算結果Table 2 Calculating results of ventilation station parameters

表3 通風系統鑒定指標Table 3 Evaluation index of ventilation system

7 通風系統改造工程

(1)輔扇.根據解算結果，需要在以下兩處安裝輔扇進行增壓調節：

龍洞-122 m開采水平安裝一臺型號為K40-6-NO13風機，其功率為3.6 kW.

龍洞-134 m開采水平安裝一臺型號為K40-6-NO13風機，其功率為3.6 kW.

輔扇也可以使用原鐵門坎北回風斜井和南回風斜井拆下來的風機.

(2)通風構筑物.為保證風流按生產需要和已設計的通風路線流動，需建立和設置必要的通風構筑物以實現風量的有效調節和合理分配[10-12].

在鐵門坎東區-170 m至-110 m北端回風井聯巷設置調節風窗進行風量增阻調節.

在龍洞采區-170 m至-110 m中部進風井聯巷設置調節風窗，進行風量調節.

(3)通風井巷工程.拆除-50 m水平北回風斜井風機，將鐵門坎北區北回風斜井改為進風井，-50 m至-110 m原北進風井、北提升井、北回風井均改為進風井；拆除南區-50 m電梯井風機及相關設備，將鐵門坎南區南回風井、南措井均作為回風井用[13].

8 結 語

a.針對大冶鐵礦尖林山車間通風系統存在的問題，在調查分析的基礎上提出了通風系統改造方案.

b.采用Scott-Hinsley風網解算方法，參與開發了Mvnet Version1.4 風網分析軟件，并用該軟件進行了風網解算，獲得了使風機效率較高的解算結果，同時提出了采用增阻和輔扇調節方案進行風量調節.

c.通過對礦井通風系統進行改造，解決了以往通風系統中存在的問題，提高了礦井安全性，并且節約了通風費用，具有較大的經濟和社會效益.

致謝

感謝環城學院張電吉院長的支持和幫助，以及武鋼大冶鐵礦領導和工程師們的指導，他們為項目順利進行提供了必要的數據和資料.

參考文獻：

[1] 文永勝.金屬礦山地下開采通風系統優化的重要性[J].金屬世界, 2009(2): 63-66.

WEN Yong-sheng. The importance of metal mine underground mining ventilation system optimization[J]. Metal world, 2009 (2): 63-66. (in Chinese).

[2] 杜鵑.淺議礦井通風系統優化[J].科海故事博覽：科教創新,2009(03):59.

DU Juan. Extraction of mine ventilation system optimization[J]. Journal of expo group story：Education Innovation 2009 (03): 59. (in Chinese).

[3] 何茂才.金屬礦山礦井通風系統分析與設計[J].有色冶金設計與研究, 2010(1):4-6.

HE Mao-cai. The analysis and design of Metal mine ventilation system[J]. Design and research of Nonfe-rrous Metallurgy, 2010 (1): 4-6. (in Chinese).

[4] 梅林芳，吳冷峻.大冶鐵礦井下通風系統改造設計[J].礦業快報,2007(4):63-64.

MEI Lin-fang, WU Leng-jun. Retrofit design of the ventilation system in Daye iron ore mine[J]. Journal of mining letters, 2007 (4) : 63-64. (in Chinese).

[5] 李紅富.大冶鐵礦鐵門坎井下通風系統技術改造[J].金屬礦山, 2002(10):59-60.

LI Hong-fu. Ventilation system technical reformation under the iron door KanJing in Daye iron mine[J]. Metal mine, 2002 (10): 59-60. (in Chinese).

[6] 盧義玉,李克全,李曉紅.礦井通風與安全[M].重慶: 重慶大學出版社,2006.

LU Yi-yu, LI Ke-quan, LI Xiao-hong. Mine ventilation and safety[M].Chongqing:Chongqing university press, 2006. (in Chinese).

[7] 王從陸.復雜礦井通風網絡解算及參數可調度研究[D].長沙: 中南大學資源與安全工程學院, 2003.

WANG Cong-lu. The research of Complicated mine ventilation network solution and the parameters can be scheduling[D]. Changsha: Central South Univer-sity College of Resources and Safety Engineering, 2003. (in Chinese).

[8] 胡文軍.柿竹園鉛鋅礦柴山工區通風系統改造研究[J].西部探礦工程, 2001(1):63-64.

HU Wen-jun. Ventilation system reform research in Lead-zinc mine Chai Shan work area Sizhu Garden[J]. Journal of west exploration engineering, 2001 (1):63-64. (in Chinese).

[9] 吳超，王從陸．復雜礦井通風網絡分析的參數調節度數字實驗[J]. 煤炭學報, 2003,28(5): 478-481.

WU Chao, WANG Cong-lu. Parameter adjustment degree of digital experiment of complicated mine ventilation network analysis[J]. Journal of china coal society, 2003, 28 (5): 478-481. (in Chinese).

[10] WANG Y J, Mutmansky J M. Modeling mine ventilation networks using five basic network elements[J]. Mining Engineering, 1997, 49(3):65-69.

[11] 胡文軍,李茂楠,葉鎮杰.礦井風流控制方案優化選擇的研究[J].金屬礦山, 1990(10): 23-25.

HU Wen-jun,LI Mao-nan, YE Zhen-jie. The research of Mine control scheme optimization selection[J]. Metallic Mine,1990(10):23-25. (in Chinese).

[12] 祝啟坤.礦井通風系統的二級模糊綜合評判[J].武漢化工學院學報,1997,19(1):44-49. (in Chinese).

ZHU Qi-Kun. Secondary fuzzy comprehensive evaluation of mine ventilation system[J]. Journal of Wuhan institute of chemical technology, 1997, 12 (1): 44-49.(in Chinese)

[13] 閆得傳 ，胡文軍,胡章地.喜人公司磁礦系統及排水系統施工[J].武漢工程大學學報，2012，34(11):30-33.

YAN De-chuan, HU Wan-jun, HU Zhang-di. Canstruction of Ventilation system and drainage system in xiren phosphoras mime,2012，34(11):30-33.(in Chinese)