金屬礦山利用采空區通風的研究實踐

吳昊　呂淑然

(首都經濟貿易大學安全與環境工程學院,北京　100070)

金屬礦山利用采空區通風的研究實踐

吳昊呂淑然

(首都經濟貿易大學安全與環境工程學院,北京100070)

本文針對壽王墳銅礦回風井斷面小、線路長、阻力大以及礦井漏風、短路風流嚴重的問題，對礦井通風系統進行了詳細的調查，提出了利用采空區和回風井并聯通風的方案，并對利用采空區通風的穩定性和安全性進行了深入的研究，最后應用了利用采空區和回風井并聯回風的通風系統,取得了良好的應用效果。將采空區作為回風通道的通風系統對于具有穩定采空區，且采空區透氣性良好的中小型金屬礦山有實際借鑒意義。

礦井通風采空區回風井

1　引言

礦井通風是保障礦井安全的最主要手段之一。在礦井生產過程中，必須源源不斷地將地面空氣輸入到井下各個作業地點，以供給人員呼吸，并稀釋和排出井下各種有毒、有害氣體和礦塵，創造良好的礦內工作環境，保障井下作業人員的身體健康和勞動安全。然而，隨著我國金屬礦山不斷向深部開采、礦井生產能力的增大，礦井通風系統逐漸顯現出通風線路長、回風困難、漏風嚴重等不利于安全生產、經濟技術不合理的現象。河北省承德市壽王墳銅礦開采將近60年，由于一直沿用建井時設計的通風系統，其回風井斷面小、線路長，且回風井與礦井采空區相連，導致礦井深部開采已出現供風不足，回風困難及漏風、風流短路等現象發生，嚴重威脅礦井的安全生產以及井下作業人員的身體健康，亟待對礦井通風系統進行優化改造。

鑒于上述情況，本文對礦山通風系統狀況進行了詳細的測定、分析，基于礦井上部采空區透氣性良好、較為穩固的特點，在礦山還沒有改造或開鑿回風井的情況下，研究并建立起了利用采空區實現輔助回風的通風系統，增大了總回風通道斷面、減少了漏風及短路風流，徹底解決了礦井總風量不足的問題，獲得了良好的應用效果。

2　原通風系統及存在的問題

2.1原通風系統

礦井原通風系統（如圖1所示）主要由西部7線副井、平硐進風，東部小北溝回風井回風，形成單翼對角式通風系統。其中小北溝風井地表安裝型號為K 54—4—No15的風機一臺，風機裝機功率為90Kw，下五回風井入口處安裝型號為K 45—6—No13的風機一臺，風機裝機功率為30Kw。

礦井通風系統原設計欲使新鮮風流從平硐、7線副井、27線風井、盲主井進入井下，經過各個中段進入工作面將作業產生的粉塵、炮煙、熱量和水分帶走，從東部小北溝回風井排出。礦井已開拓至下十一中段(段高為50m)，井深達720m。現階段采用有底柱分段崩落法采礦，分段高度為25m，工作面集中于深部下七中段至下十中段。

2.2存在的問題

通過對礦井通風系統的調查分析表明，礦井通風系統主要存在著以下問題:

（1）通風系統原設計不合理。礦井通風系統設計時沒有考慮到增產后以及深部開采時的通風狀況，同時，設計風量也偏小（30m3/ s）。經過實際測量礦井有效風量為22m3/s，而計算表明，礦井總風量必須達到60m3/s左右的風量才能滿足井下排除炮煙、粉塵和熱濕的要求。

圖1　原通風系統示意圖

圖2　采空區與原通風系統空間關系示意圖

圖3　新通風系統回風方式示意圖

圖4　新通風系統示意圖

（2）通風系統原設計回風井斷面過小(4m2)，且總回風段通風線路過長（720m）。由于斷面小、回風線路長、導致礦井總回風段通風阻力過大，加之總回風井維護狀況不佳，使得原有風機與通風系統不匹配、效率低下，難以滿足全礦排炮煙、排塵和排熱所需的風量。通過開啟局扇增加風量，實質上是加劇局部循環風，并未增加礦井總進風量。

（3）總回風井與下五以上中段采空區多處連通。由于礦井下五中段以上大量采空區與總回風井連通，且采空區連通地表，導致總回風段漏風、短路風流嚴重，地表新鮮風流進入采空區直接從總回風井排出。

3　新通風系統方案的確定與建立

3.1利用采空區確立新的通風系統方案

針對礦井原通風系統存在的問題，對井下生產情況和通風狀況進行了詳細的調查。原通風系統的總回風井只有4m2斷面，且總回風井長720m，難以排出礦井實際所需風量，即使更換主要通風機，也很難找到能與通風系統匹配的風機，必須開掘新的回風通道，然而開掘新的回風井投資成本過高，且建井周期過長。由于礦山開采已經進入后期，根據礦山的實際情況，提出了利用采空區作為回風通道的通風優化方案。

利用采空區作為回風通道，必須保證采空區的穩定性和透氣性。經實測，如圖2所示，下五中段風機通過風量為26m3/s，小北溝風機通過風量為38m3/s，因此采空區短路風流為12m3/s，采空區透氣性較好。根據所測的通風數據，計算采空區的通風能力，得到采空區大致相當于一條斷面為3.5m2，長度為370m，摩擦阻力系數為0.03kg/m3，連通地面和下四中段的風井。礦井上部采空區多為房柱采礦法形成，礦石無自燃發火傾向，采空區上盤巖石多數為蝕變花崗巖或矽卡巖，少數為白云質大理巖;下盤巖石與上盤相反，多數為白云質大理巖，少數為花崗閃長巖或矽卡巖。上下盤巖石屬穩定——極穩定，節理、裂隙不發育，沒有大型斷裂穿過采場。礦井開采至今形成的空區無明顯的塌落現象。因此，利用采空區作為回風通道的方案完全可行。

優化設計充分利用采空區這一資源，采用了將回風井與采空區作為整體回風區域增大回風斷面積，進行并聯回風的方案。方案具體措施如下:

（1）拆除下五中段與下四中段51線風井的密閉，拆除小北溝風機，使下五中段和采空區相連形成整體的回風區域。

（2）密閉下五中段與下六中段之間的55線風井，并在下六中段通往下五中段的51線風井處選擇合適位置安裝DK 45-6-No18風機。風機裝機功率為160Kw，風機葉片安裝角度為40°/35°。

（3）拆除下四中段與下五中段41線風井的密閉，并密閉下四中段41線以東，下五中段41線以西，拆除下五中段與下六中段45線風井密閉，使下二、下三、下四中段污風流經下五中段和下六中段45線，通過下六中段風機，最后經采空區及回風井排出。

（3）在下五中段、下六中段之間設立了隔離層，將采空區與下部采場分開，防止漏風。下部采場的污風也由采空區和回風井排出。

3.2新通風系統形成后的通風效果

新通風系統建立后，采空區與回風井形成如圖3所示的并聯回風方式，礦井通風系統形成如圖4所示的單翼對角式通風系統，全礦井下通風效果得到明顯的改善:

（1）新通風系統增大了礦井總風量，降低了礦井總風阻，減少了礦井漏風、短路風流及污風循環，風流風向也得到了穩定的控制。經過實測，礦井總風量達到了63m3/s以上，礦井的有效風量率達到了80%以上，風機效率達到了83%。

（2）新通風系統解決了原系統無法稀釋井下柴油設備尾氣和粉塵污染的問題;采場大規模爆破后，炮煙能很快的排出，提高了生產效率;作業面溫度降到了28℃以下，進風區域和工作區域實現了穩定的入風，空氣干燥，再不受熱濕的影響，避免了電器設備、管道等的腐蝕破壞;徹底改善了井下作業環境。

（3）經測試，礦井反風系統能在6m in內改變礦井所有巷道的風流方向，并且主要通風機的供給風量為55m3/s，為正常風量的87%。

（4）新通風系統建立后，大量減少了井下的局部通風機，降低了通風能耗，與舊通風系統對比，節約了風機運行所需的電能約24× 84kw·h/a。

4　結語

壽王墳銅礦新通風系統的建立，徹底改善了井下的通風安全狀況，解決了礦井通風阻力大、風量不足、漏風、風流短路和風流不穩的問題，為礦山創造出了巨大的經濟效益和安全效益。

通過本次通風系統優化改造的實踐可以體會到，通常采礦形成的采空區在條件允許的情況下不失為一種可以利用的通風資源，只要利用的恰當也將會創造出可觀的經濟效益和安全效益。將采空區作為回風通道的通風系統對于具有穩定采空區，且采空區透氣性良好的中小型金屬礦山有實際借鑒意義。

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The paper aim at sectional area of return air shaft is small, long ventilating lines, large ventilation resistance, merry shorted and air leakage of ShouW angFen Copper m ine. Conduct a survey of the ventilation system, proposed programs which utilize goaf and return air shaft parallel ventilation, and research the stability of the utilizing goaf ventilated and security in-depth, and finally get a good effect. There is an actual reference significance for metal mines which have a stable and good permeability goaf that the ventilation system which utilize goaf as a return air path.

m ine ventilation;goaf;return air shaft