多機站通風在多中段回采礦山的應用

王紅兵 賈敏濤

(1.銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

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多機站通風在多中段回采礦山的應用

王紅兵1賈敏濤2,3,4

(1.銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

為進一步提高多中段回采礦山通風系統的可靠性，減少采區污風循環，降低采空區外部漏風，改善多中段回風之間的相互制約，采用主輔扇聯合抽出式通風方式，運用多機站多風機串并聯回風風壓平衡、風量平衡原理，風機變頻調控技術，實現多風機串并聯回風風量匹配,減少采空區漏風29.22 m3/s、采區污風循環20.68 m3/s，系統有效風量率提高10%以上，井下環境明顯改善，經濟和社會效益顯著。

多中段采礦 多機站通風 漏風 網絡解算 風量平衡 風壓平衡

冬瓜山銅礦是亞洲最大地下開采銅礦，開采深度近千米。礦山開拓系統分為老區和新區兩部分，老區系統又分為老鴉嶺、樺樹坡、團山和團山頂盤4個礦段，形成多采區、多分段、多地點同時采礦的復雜通風系統，礦段之間相互關聯，相互制約。針對老區通風系統存在的采區風量不足、污風循環、有效風量率低、系統外部漏風、風機運行效率低、風流調控困難以及樺樹坡礦段采區通風受上部老鴉嶺礦段回風井回風能力影響等問題，采用多中段風量調節控制技術、風壓平衡技術、多機站風機優選技術并結合通風系統遠程計算機集中監控技術，確保風量按需分配，氣流組織分布合理，機站風機高效運行，提高礦井通風效果及通風管理水平，滿足采掘生產通風安全需要，為礦山安全順利生產提供技術保障。

1 礦山現狀

1.1 開拓系統

冬瓜山銅礦為豎井開拓，開拓井筒主要有冬瓜山主井、副井、進風井、輔助井、專用回風井，大團山副井、倒段回風井，老鴉嶺措施井、回風井共9條豎井以及主斜坡道(-670～-875 m 與-460～-670 m)和-875 m主運輸水平的環形運輸巷。各井筒規格參數見表1。

表1 開拓系統井筒參數 m

冬瓜山老區已形成的中段(分層)主要包括：50,-40,-80,-120,-160,-190,-220,-280,-310,-390,-430,-460,-520,-580,-670和-730 m中段，其中-280 m中段以上回采已經結束，老區生產區域包括老鴉嶺采區-310～-390 m中段、樺樹坡采區-520～-730 m中段、團山采區-460～-730 m 中段和團山頂盤采區-390～-580 m 中段。

1.2 采礦方法

冬瓜山老區系統包括團山及南沿采區、團山頂盤采區、老鴉嶺采區、樺樹坡采區等。

團山采區以垂直深空落礦階段礦房采礦法為主；團山頂盤采區以分段落礦階段礦房采礦法為主；老鴉嶺采區以淺孔房柱采礦法和淺孔留礦法為主；樺樹坡采區有垂直深孔落礦階段礦房采礦法、分段落礦階段礦房采礦法和淺孔房柱采礦法；各采空區嗣后充填。根據2015年冬瓜山老區生產計劃表，各采區出礦量分別為老鴉嶺1.6萬t、樺樹坡22.4萬t、團山76.8萬t、團山頂盤11.2萬t。

2 通風系統存在的問題

冬瓜山銅礦老區通風系統為兩翼對角抽出式通風方式，新風流分別從大團山副井，冬瓜山副井和進風井進入井下，通過各中段副井石門及運輸巷向東、西分別進入大團山、大團山頂盤和老鴉嶺、樺樹坡各作業中段，沖洗工作面污風由采場通風天井排到上中段回風巷或直接由本中段回風巷進入倒段回風井，分別沿西部老鴉嶺回風井、東部大團山倒段回風井排出地表。老區通風系統主要進、回風機站的風機參數及布設見表2。

表2 冬瓜山銅礦老區通風系統風機分布及運行

根據現場調查和檢測的數據分析，冬瓜山老區通風系統存在以下問題：

(1)礦井總風量不足。老區通風系統總進風量為121.99 m3/s，總回風量為153.31 m3/s。團山-280 m 以上倒段回風井漏風量為29.22 m3/s，現有的礦井總風量不足。

(2)樺樹坡深部采區通風困難。樺樹坡采區沿用老鴉嶺采區回風系統，-520 m安裝一臺200 kW風機。樺樹坡生產區域下延至-730 m中段，-520 m風機無法作用至深部采區，導致深部采區爆破炮煙和粉塵不能及時排出。炮煙通過與團山聯絡巷進入團山采區，造成了有毒有害氣體濃度超標。

(3)團山副井和冬瓜山副井風流紊亂。團山副井和冬瓜山副井作為人員、材料提升和老區通風系統的主要進風通道，與各作業中段相互貫通。但團山副井-390,-430,-520,-670 m中段和冬瓜山副井-280,-390,-430,-490,-520 m中段風流反向進入井筒，其中各中段向團山副井反風量為12.43 m3/s，向冬瓜山副井反風量為9.97 m3/s，造成污風循環。

(4)通風系統外部漏風嚴重。老區上部存在大量老采空區，抽出式通風進風段和主要生產區域處于負壓區，地表風流從采空區直接進入井下生產區域(-280 m老鴉嶺回風井風門里側采空區和樺樹坡-460 m采空區大量下風)，通風系統可控性較差，回風機站效率偏低。

(5)通風系統機站運行工況不合理。團山采區-460 m回風機站200 kW風機僅回風35.48 m3/s，風機運行工況過低，-580 m回風巷反風量為20.68 m3/s；樺樹坡采區回風系統處于老鴉嶺采區下方，老鴉嶺-280 m回風機站與樺樹坡-520 m回風機站風機串聯安裝。老鴉嶺回風機站同時兼顧老鴉嶺和樺樹坡2個采區的回風功能，機站風機與樺樹坡回風機站同頻率運行，風機運行工況設置不合理。

3 通風系統優化調控

礦井總風量計算是礦井通風系統優化設計中極其重要的內容，正確計算礦井總風量是選擇主要通風設備和布置通風工程的重要依據，礦井總風量供給不足，會使井下勞動條件惡化，達不到安全通風要求；盲目加大礦井總風量，不一定能夠達到預期的通風效果，而且會造成通風能耗浪費[1-3]。

根據冬瓜山銅礦老區各礦段回采、掘進、充填工作面數量和各類硐室計算冬瓜山銅礦老區通風系統總風量為184 m3/s，其中老鴉嶺和樺樹坡采區為72.31 m3/s，團山采區為73.76 m3/s，團山頂盤為37.06 m3/s。

3.1 樺樹坡采區

樺樹坡采區位于老鴉嶺采區下部，隨著近年采礦不斷下延，樺樹坡采區開拓工程已經下移到-730 m，采準出礦到-670 m。上部老鴉嶺采區采礦量逐步減少，需風量逐步降低。根據樺樹坡采區和老鴉嶺采區的進回風井井筒布置特點，兩采區通風系統整體設計進回風風路。

樺樹坡和老鴉嶺采區新鮮風流通過冬瓜山副井和團山副井進入各中段，其中樺樹坡-640，-610 m水平新鮮風由團山副井進入-670 m水平以后，經過-670～-580 m斜坡道和-670～-610 m措施井進入；新風經過采場后，污風經過采區端部倒段回風井、老鴉嶺回風井上排至地表。將原-280 m回風機站下移至-580 m，保留-520 m回風機站，增加-390,-610,-640和-670 m回風輔扇。系統具體布置見圖1。

圖1 樺樹坡采區通風系統改造方案

3.2 團山采區

根據團山采區通風系統現狀分析，通風設備能夠滿足井下通風需要，為解決污風循環導致的區通風效果差、冬瓜山副井和團山副井反風問題，對系統風機的運行工況進行調節，使上下回風機站風機的運行工況相互匹配。團山采區通風系統機站設置如圖2所示，具體的運行方案：① +100 m團山回風井井口回風機站風機滿頻運行，急運行頻率為50 Hz，地表風機滿頻運行，提高通風系統總回風量，兼顧團山頂盤系統回風；②-520 m水平回風井機站風機運行頻率為45 Hz；③-670 m水平回風機站風機運行頻率為35 Hz，既要保證-670 m水平及以下-713 和-730 m水平回風量要求，還要保證-520 m 水平回風風機為-580和-565 m水平回風留有風量；④-490，-565和-610 m水平回風風機根據用風需要決定開停。

圖2 團山采區通風系統改造方案

3.3 團山頂盤采區

根據團山采區現場調查，-460 m水平采礦基本結束，上盤沿脈巷道保存狀態較好，且頂盤-460 m 采區與團山上盤沿脈巷道貫通一條探礦巷道，規劃作為頂盤采區的回風巷，具體回風風路見圖3。

目前團山頂盤開拓系統有-390,-460,-520和-580 m水平，主要的生產作業中段為-460,-520 和-580 m水平。根據團山頂盤開拓采準布局，結合目前頂盤采區采掘工作面分布狀況，與礦方多次協商，提出2種通風方案，見圖4。

方案一：-520和-580 m水平新風由本中段的團山副井和冬瓜山副井進入，經過運輸大巷至沿脈巷道，通過作業面的污風經過采場天井和端部的-580～-460 m回風井上排至-460 m水平。-460 m 水平采場由-390 m水平團山副井和冬瓜山副井進風，新風經過-390 m水平運輸大巷進入1#沿脈巷道，再通過1#沿脈巷道中-460～-390 m的6#通風人行天井和4#通風人行天井下至-460 m水平。匯入-460 m水平的污風和本水平污風經過1#沿脈巷道通過-460 m水平團山上盤31線的管道巷道排入團山采區上盤巷，再經過-460 m團山回風井聯巷由團山回風井排出地表。

圖3 頂盤采區-460 m回風風路

圖4 團山頂盤采區通風系統改造方案

方案二：-520和-580 m水平新風由本中段的團山副井和冬瓜山副井進風，經過運輸大巷進入沿脈巷道，通過作業面的污風經過采場天井和端部的-580～-460 m回風井上排至-460 m水平。匯入-460 m水平的污風經過1#沿脈巷道通過-460 m水平團山上盤31線的管道巷道排入團山采區上盤巷，進入-460 m團山回風井聯巷。-460～-390 m 采場由-520 m水平團山副井和冬瓜山副井進風，新風經過-460 m水平進入1#沿脈巷道采場；采場污風通過礦房回風天井上排至-390 m水平，再經過團山-460～-390 m通風井下排至-460 m 水平團山回風井聯巷，匯同-460 m上盤回風巷回風一起通過團山回風井排出地表。

針對各方案建立通風系統網絡圖，采用多級機站通風網絡解算軟件，對各方案進行通風系統網絡模擬解算，統計各方案的裝機容量、礦井總風量、系統能耗、機站風機效率和各用風水平的供風量數據[4-5]，結果見表3、表4，各方案比較見表5。

表3 團山頂盤采區通風系統各方案網絡解算結果

通過2種方案對比分析，方案一和方案二均能夠滿足系統供風量和各中段供風量的設計要求，但考慮到-460～-390 m采場必須有專用的進風通道，保證采場進風風質安全，團山頂盤采區通風系統優化方案選擇方案一，具體風路布置見圖5。

表4 團山頂盤采區通風系統各方案用風水平風量分配 m3/s

表5 團山頂盤采區各方案的優缺點比較

4 應用效果預測

冬瓜山老區整體形成中央進風、兩翼回風的中央對角抽出式通風系統，根據優化方案模擬解算結果，樺樹坡和老鴉嶺采區風量為87.5 m3/s，團山采區風量為85.1 m3/s，頂盤采區風量為40.3 m3/s，老區通風系統總風量為212.9 m3/s。

冬瓜山老區通風系統風機總裝機功率為1644.5kW，其中樺樹坡和老鴉嶺采區為552.5kW，團山采區為800kW，團山頂盤采區為292kW；通風系統實耗功率為1039.5kW，其中樺樹坡和老鴉嶺采區為321.4kW，團山采區為560.7kW，團山頂盤采區為157.4kW；通風系統風機平均效率為73.4%。

圖5 頂盤采區通風系統風路布置(單位：m3/s)

團山副井進風量為55.4 m3/s，冬瓜山副井進風量為77 m3/s，未見各中段向井筒反風。

樺樹坡采區-580 m水平以下回風量為54.2 m3/s，滿足-580 m以下深部45 m3/s的需風量要求。各采區通風系統網絡解算結果見表6。

表6 各采區通風系統網絡解算結果

5 結 語

(1)多中段采礦通風系統設計應充分考慮各中段生產能力與通風能力之間的相互匹配關系，加強多風機通風系統風機管理，提高系統有效風量率。

(2)風機串聯回風時，應充分考慮前后風機之間運行工況的匹配關系，確保系統回風能力，避免某一風機產生通風“瓶頸”，影響整個系統通風能力。

(3)對于多采空區的老礦山通風系統改造，應及時封閉采空區，提高通風系統可控性。

[1] 金屬礦井通風防塵設計參考資料編寫組.金屬礦井通風防塵設計參考資[M].北京:冶金工業出版社，1982.

[2] 王運敏.現代采礦手冊：下冊[M].北京:冶金工業出版社，2012.

[3] 賈敏濤，吳冷峻，張 輝.羅河鐵礦通風系統優化與調控技術[J].現代礦業，2015(6)：134-136.

[4] 吳 江，孫 浩，汪令輝，等.冬瓜山銅礦老區延伸開采通風系統的改造[J].礦業快報，2008(9)：71-72.

[5] 吳冷峻，汪 俊，吳 江，等.冬瓜山井下多級機站通風系統的建立與完善[J].礦業快報，2006(4)：43-44.

Application of Multi-stations Ventilation Pattern in Multi-sections Stoping Mine

Wang Hongbing1Jia Mintao2,3,4

(1.Dongguashan Copper Mine,Tongling Nonferrous Metals Group Holding Co.,Ltd.;2.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;3.State Key Laboratory of Safety and Healthfor Metal Mines; 4.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co., Ltd.)

In order to further improve the reliability of the ventilation system of multi-sections stoping mine, reduce the dirty air circulation and the external air leakage of mined-our area and improve the mutual restriction effect of the return air of multi-sections, the extraction ventilation pattern of the combination of main fan and auxiliary fan is proposed, based on the return air pressure balance and air volume balance principle of series and parallel of multi-stations and multi-fans, and the fan frequency conversion control technique, the air volume matching of the return air of series and parallel of multi-stations and multi-fans is realized, about 29.22 m3/s air leakage of the mined-out area and 20.68 m3/s dirty air circulation are reduced, the effectively air volume rate is increased more than 10%,the underground environment quality is improved effectively, the social and economic benefits are obvious.

Multi-sections mining, Multi-stations ventilation, Air leakage, Network calculation, Air volume balance, Air pressure balance

2016-07-28)

王紅兵(1969—)，男，工程師，244031 安徽省銅陵市獅子山區。