復雜網絡結構的通風系統改造技術方案研究與實踐

崔 文，吳潔葵，劉偉強，劉 慶，唐 星

(1.湖南寶山有色金屬礦業有限責任公司， 湖南 郴州市 424402；2.湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南 長沙 410014)

0 引 言

礦井通風網絡結構漸趨復雜是地下礦山生產發展的必然結果，對多礦體深部開采尤其如此。隨著開采范圍擴大，巷道、采區的擴展延伸，通風網絡結構將發生較大變化，從而導致原有通風系統無法滿足生產用風需求，在這種情況下就必須對通風系統進行有針對性調整、改造，使之適應新的礦井生產作業布局和通風要求。湖南寶山礦業有限責任公司(以下簡稱寶山礦)是一座經過多年開采的有色金屬礦山，整個礦田由東、中、西、北部四個礦床構成，礦體分散。由于歷史原因，礦區內有多家礦山企業分區同時開采，加之礦體產狀特別復雜，規模小，因此在生產過程中采取了邊探邊采的生產方式，最終形成礦井之間多處巷道貫通，加之小礦企業通風系統不完善，導致各礦井的通風系統相互干擾，嚴重影響了通風效果。隨著近年來開采活動向地下深部發展，新的高硫富礦體納入開采計劃，以及礦山資源整合后周邊礦井的并入和貫通，使得原有通風系統已經無法滿足井下用風需求，嚴重影響到井下正常作業和生產安全，因此，對寶山礦通風系統進行重新規劃成為了當務之急。

1 原有通風系統結構及存在的主要問題

1.1 原有通風系統結構

寶山礦井下采用明豎井及平窿—盲斜井聯合開拓方式。西部鉛鋅礦主要分布在50，10,-30,-70 ,-110,-150,-190等7個中段，并具有開采-1000 m左右的潛力；西部現主要開采區域為10～-70 m中段， -110、-150中段正在實施開拓工程；北部鉛鋅礦主要分布中段為50,10,-30,-70,-110五個中段，其中10中段以上為整合礦井中段，開采進入后期殘礦資源回收階段；中部鉛、鋅資源經長年開采已經枯竭，二期單銅礦體資源主要分布在365，330，290，250，210，170等6個中段的中部，暫時沒有開采；西部10中段以上屬另一家礦山企業622礦。整體而言，寶山礦采礦作業主要分布在北、西兩個區域，原有通風系統為兩翼對角井下抽出式分區通風，新鮮風流分別從明豎井口(472 m)、330主平窿進入，部分風經西部斜井到達50中段，再分別由北盲斜井和西盲斜井分風至北部和西部各中段，由沿脈、穿脈巷道進入工作面。北部污風從一條50中段通往90中段的斜井抽至90中段，由于90中段與西部進風斜井相通，部分污風經稀釋后返回下部中段，另一部分通過采空區和天井上至130中段，經東部回風斜井排出地表；西部回風線路相對簡單，由于此前開采強度不大，來自10中段以下的污風塵毒含量不高，加之622礦未建立機械通風系統，因此污風經10中段167線穿脈與622礦斜井相通的聯絡道引出，進入622礦區作為進風，最終通過622礦斜井排出地表(見圖1)。

1.2 存在的主要問題

(1) 分區之間通風系統相互影響。總體來看，寶山礦已經形成了北部、西部兩個分區通風系統，但由于兩區之間有多條巷道貫通，在負壓作用下，西部污風只有少量(約1/6)從622礦斜井排出，而大部分進入了北部區域，對北部通風造成較大影響。

(2) 污風串聯循環。北部10中段以上原屬地方企業牛郎沖礦，2000年經整合后納入寶山礦。牛郎沖礦的回風井因垮塌而堵死，通風失效，因此不得不借助10中段以下寶山礦北部通風系統進行通風，即來自10中段以下的污風進入牛郎沖礦各中段，由寶山礦北部50中段185線的70-90通風天井排至回風井，從而形成了污風串聯。由于10中段以上多處巷道已與寶山礦作業中段相通。污風抽至90中段后，其中一部分會通過貫通處返回下部中段，形成污風循環。在西部，622礦區利用寶山礦西部10中段以下排出的污風作為進風，是一種典型的污風串聯。隨著深部開采強度的增大，這種污風串聯的危險性也是與日俱增。

圖1 原有通風線路示意

(3) 含硫氣體不能及時排除。2005年寶山礦在 50中段以下發現了兩個富礦體并開辟了10中段的803采場，該礦體的鉛鋅品位較高，同時含硫量也極高。在開采過程中，礦石暴露而氧化，產生SO2進入空氣中。SO2屬有毒有害氣體，對人體危害極大。由于污風串聯循環原因，北部生產受到嚴重影響。

(4) 局部新鮮風流短路。由于北部50中段與進風斜井相通，新鮮風流到達50中段時被50中段短路分風，使得進入50以下區域的風量驟減，供風量嚴重不足。

2 通風系統改造技術方案

2.1 礦井通風系統改造的原則

對礦井通風系統的設計和改造，必須重點考慮安全性、科學性、經濟性，并充分考慮礦山現有資源和自然條件，從而保證方案的優化和切合實際。針對寶山礦的實際情況，應遵循以下原則。

(1) 在保證正常、良好通風效果的前提下，盡量降低通風費用；盡量利用現有的生產井巷，以減少通風專用井巷的工程量和工程費。根據寶山礦的現狀，其90 m中段以上東部區域已完全結束采礦作業，只剩余一些零星的防洪排水等設備及硐室等需要通風的地方，這些中段的一些井巷工程可以用來做專用的通風井巷，節約通風工程投資。

(2) 減少礦井內部漏風，提高有效風量率，解決深部的回風問題。根據現有的通風系統結構紊亂，已不能適應生產的需要這一情況，重新設計一個完整的通風網絡，對寶山礦通風系統是完全必要的。

(3) 由于寶山礦北部有幾個含硫高的礦體在開采過程中會產生有毒有害氣體，該氣體所經之處人員無法作業。因此，要順利的把這部分價值較高的礦體開采出來，同時又要避免其有毒有害氣體污染其它作業面，就必須對該部分礦體設計一個專用的回風線路，該回風線路井巷不能同時用做運輸或行人等用途。

(4) 從礦山具體情況出發，根據礦井開拓方式、采礦方法、礦井生產能力和礦區地形地貌等因素，確定合理的通風系統。同時要根據礦山氣候條件的變化和自然通風的規律，充分利用自然通風的有效作用，控制自然通風的有害影響。

2.2 通風線路規劃

將寶山礦北部10中段以下區域和原牛郎沖礦(10中段以上)各中段合并作為北部通風區域統一通風。因為90中段已經結束作業，將該中段與其他平巷密閉隔離，保留回風天井后可作為回風平巷。以原牛郎沖礦主斜井、寶山礦北部盲斜井進風，分風到各中段，經沿脈、穿脈巷道、采場人行天井進入各工作面，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中段也有回風天井，而210中段可通過東部斜井直達地表，因此，將東部斜井作為回風井。需要說明的是，由于50中段到90中段的回風量增大，必要時可通過刷幫擴大過風面積。

西部進風線路完好，無需變動，但回風線路必須重新規劃。90中段是整個礦區的橫向樞紐，在西部，90中段可通過斜井或中段回風天井經130、170、210及東部回風井通向地表，因此將10中段經10～50斜井，再由50通90中段回風井聯絡起來，就構成一條完整的回風線路。考慮到線路較長，可通過設置在10和90中段的兩臺主扇接力通風。重新規劃的通風線路見圖2。

2.3 風機位置選定

風機安設位置一般選擇在風路上斷面合適的非生產區域。對于北部區域，原10中段167線和50中段185線的輔扇保留，將已經老化的東部斜井口主扇更新。由于北部通風的進回風線路長達4500 m，阻力損失高達2200 Pa以上，因此需在130中段東沿脈勘探線增加一臺主扇，與東部斜井口主扇形成串聯。在西部，10中段169線設一臺風機將10中段以下工作面污風抽出，由設在90中段165線的接力風機將污風引向130及以上中段。

圖2 重新規劃的通風線路示意

3 主扇選擇

主扇類型宜選擇K系列或FS系列礦用節能風機。該類風機具有氣動效率高、節能效果好的特點，葉片安裝角可調，可直接通過電機反轉實現反風。主扇功率的確定則需要通過計算確定，即對總需風量、風壓以及風阻等參數值進行計算，再確定個體特性曲線、工況點與計算結果相適宜的風機功率。

3.1 總需風量計算

總需風量為各個工作面需要的最大風量與需要獨立通風的硐室風量之總和，考慮到礦井漏風、生產不均衡以及風量調節不及時等因素，還應再乘以大于1的系數。根據采礦技術參數和年計劃產量,可以算出同時采礦作業點和備采點數量；根據其年計劃掘進量和每天掘進進尺可以算出同時掘進工作點數；加上其他需通風的硐室，即為需通風的作業點總數。

3.1.1 回采作業面總需風量計算

同時作業的采礦點數，采用下式計算：

(1)

式中，N為同時出礦的作業點數;A為年計劃產量，t;a為礦石損失率;b為礦石貧化率;t為每個礦房日出礦能力，t。

回采作業面需風量是在排炮煙需風量與排塵風量兩者之間取大值。排炮煙需風量按下式計算：

(2)

式中，q為每個礦房的需風量，m3/s；V為硐室容積，m3；A為炸藥量，kg；t為通風時間，s；Kt為紊流擴散系數。

排塵風量需依照《金屬非金屬礦山安全規程》規定的最低排塵風速要求計算：

q=s×v

(3)

式中，q為每個礦房的需風量，m3/s；s為硐室斷面積，m2。

此外，還需考慮備采作業點的需風量，備采作業點需風量取采礦作業點需風量的一半值。

3.1.2 掘進工作面總需風量計算

掘進同時作業點，采用下面公式計算：

(4)

式中，n為同時工作的掘進作業點；B為年計劃掘進量，m；V為每個掘進當頭進尺，m。

與回采作業面需風量計算相似，掘進作業點需風量也是在排炮煙需風量與排塵風量兩者之間取大值。排炮煙需風量按下式計算：

(5)

式中，Qp為壓入式掘進的需風量，m3/s；lr為巷道長度，m；A為炸藥量，kg；t為通風時間，s；S為巷道斷面積，m2。

3.1.3 其他硐室需風量

根據《采礦設計手冊》的建議值選取。

依照上述方法計算的北部和西部需風量見表1和表2。

表1 北部需風量計算

3.2 總阻力計算

依照風量分配原則和生產規劃對各中段進行風量分配后，可計算通風阻力。礦井通風總阻力是摩擦阻力和局部阻力之和。局部阻力可根據總摩擦阻力進行估算，一般情況下，總局部阻力不超過總摩擦阻力的 20% ，寶山礦井巷變形、堵塞現象較少，取總摩擦阻力的 15%。在進行礦井通風總摩擦阻力計算時，只需選擇一條阻力最大的風路進行計算，并沿著這條風路，從礦井進風口直到礦井排風口，分別計算各段井巷的摩擦阻力，然后疊加起來，即為礦井通風總摩擦阻力。

表2 西部需風量計算

按照上述方法計算的北部通風線路總風阻為2240 Pa，西部通風線路總風阻為1658 Pa。

3.3 風機選型

風機選型依據是風量和風壓。風壓則由通風線路總阻力、與通風方向相反的自然風壓、裝置阻力、出口動壓損失等的代數和構成。經測定自然風壓約32 Pa左右，與線路總阻力相比較小，對選型不構成大的影響。

北部區域，總回風量為36.05 m3/s，需要克服的總阻力為2240 Pa，對應風機特性曲線和工況點,可選擇2臺型號為K40-6-NO18-90 kw的風機， 1臺裝在130中段東沿脈勘探線，1臺裝在地表360井口，形成串聯。

西部區域，經過計算，主扇風壓為1906 Pa，因采用兩級抽出接力通風方式，因此可將通風線路分成兩段，依據每段線路阻力選擇風機型號。經計算安裝在10中段169線穿脈內的風機需克服通風線路阻力為476 Pa，可選擇FS170(B)-75 KW；安裝在90中段165線穿脈內的接力風機需克服通風線路阻力為1430 Pa，可選擇：K40-4No15(110 KW)。

4 改造效果

寶山礦北部和西部分區通風工程改造后，深部作業區的通風得到有效的改善，大大降低了分區和中段之間的通風干擾，基本消除了污風循環現象。部分主要區域和節點的通風測試數據見表3，充分體現了工程實施前后之間的差別。

表3 改造工程實施前后風量對比

5 結 語

寶山礦礦體分散，作業中段多，作業點分散，通風線路長，中段之間多處貫通，這些因素都給礦井通風帶來了不少困難。本方案將北部和西部劃分為兩個深部開采區域，實現真正意義上的北部和西部分區通風，保證了多中段作業的需風量，達到了降低通風阻力、改善通風效果、節約通風能耗的目的，避免了污風串聯循環。工程中充分利用了現有的井巷工程，投資少，施工容易，見效快，符合寶山礦的現實情況。

參考文獻：

[1]于潤倉.采礦工程師手冊[M].北京：冶金工業出版社，2009.

[2]陳國山.礦井通風與防塵[M].北京：冶金工業出版社，2010.

[3]GB/T 16432-2006.金屬非金屬礦山安全規程[S].

[4]張惠忠.礦用風機的使用現狀和發展趨勢[J].礦業快報，2007,23(9)：5￣7.

[5]楊文杰，賀昶友.昭通市鉛鋅礦井下通風系統改造設計風量計算[J].云南冶金，2009,38(3)：8￣12.