高海拔礦井螺旋斜坡巷道施工通風技術

曾艷華 彭康夫

（1.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031；2.交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

高海拔地區礦井具有大氣壓力低、空氣稀薄的氣候特點。由于高海拔地區含氧量低，礦井施工人員的勞動能力會大幅下降，另外炸藥產生的有害氣體（CO、NO等）膨脹導致有害氣體體積含量大幅增加。機械車輛的耗油量增加，產生的有害氣體（CO、NO等）大幅增加，風機性能下降，使得礦井施工通風排煙的難度增加，通風效果降低，因此高原地區礦井施工通風技術急需解決。

目前，國內對于高海拔地區礦井施工通風的研究很少。湯守禮首次對高海拔礦山中壓氣機性能的變化進行了理論分析，提出了壓氣機在高海拔地區的性能計算公式，并對高海拔礦山中排除炮煙的風量計算、風阻計算提出了修正方法［1］；孫信義對壓入式通風在高海拔礦井中的應用進行了探討，對壓入式通風改善高海拔礦井通風效果進行了初步研究，但并沒有針對具體工程進行詳細的設計［2］；尹玉鵬、辛高、魏誠、崔延紅等對高海拔礦井中風機性能下降的問題，從理論上考慮了氣壓、空氣密度的變化，提出了風量、風壓、電動機功率參數修正計算模型［3］；唐志新、楊鵬、呂文生、潘貴豪等對高原礦井中O2濃度低對人體健康的影響進行了探討，并對CO2和一些有毒有害氣體的濃度標準進行研究，提出了在2 000 m以上的高原，應該設定最低O2濃度，并采取增氧通風措施［4］。

總結發現，國內高海拔地區礦井施工通風的研究主要偏重于通風設備及通風風量計算的參數修正、通風方式的探討，對于高海拔地區礦井施工通風方案優化的研究較少，對高海拔地區礦井工作面CO濃度擴散進行通風網絡計算和現場測試研究不夠深入。本研究以黃龍溝3 390～3 220 m斜坡道工程為依托工程，對通風方案進行合理優化，并結合通風網絡計算和實測數據研究高海拔地區礦井施工工作面CO濃度隨時間變化的分布規律。

1 工程概況及礦井施工通風方式

黃龍溝礦屬于高寒高海拔地區礦山，具有“三低一高”的特點，具體表現為：氣溫低，極端最低氣溫-30℃，每年冬期長達7個月；氣壓低：氣壓僅為平原地區的60%左右，礦井口氣壓為61 kPa；含氧量低：為海平面的60.83%左右；海拔高：海拔高程在3 200 m以上。

黃龍溝礦3 390 m至3 220 m斜坡道工程長為2 916 m，開挖斷面為26.56 m2，采用鉆爆法施工。該斜坡道施工前，3 650 m平巷、3 450 m平巷和3 220 m至3450 m間溜礦井已施工完成。3 390 m平巷洞口至斜坡道起始處長度大約為1 000 m，斜坡道圍繞溜礦井采用螺旋環形下坡的形式與3 220 m水平巷貫通。斜坡道彎道共分為4段，其最大坡度為15.5%。黃龍溝礦3 390 m至3 220礦井巷道、3 635 m平巷、3 450 m平巷和3 220 m至3 450 m間溜礦井及示意圖如圖1所示。

2 通風方式選取

該礦高原地區的空氣密度僅有平原地區的60%左右，由于抽出式通風是負壓通風，礦井內部的大氣壓力小于外部環境，對于高海拔礦井，不僅不能改善礦井環境，還會使空氣壓力低、含氧量不足的問題進一步惡化。而壓入式通風方式是正壓通風，礦井內部的空氣壓力高于外部環境。礦井內部的大氣壓力增加，使空氣密度增大，氧分壓增加，單位體積內氧含量增加，從而改善礦井的生產環境［5］。因此，選用壓入式通風方式。

3 高海拔礦井施工通風方案選取

3.1 開挖面需風量計算

礦井施工通風需風量由4個方面確定［6-7］，即按掘進工作面同時工作人數計算的需風量Q1、按工作面最小風速計算需風量Q2、按一次爆破排煙計算的需風量Q3、按沖淡柴油機械產生的廢氣計算的需風量Q4；經過上述計算后，取Q=max（Q1，Q2，Q3，Q4）為巷道掘進施工工作面的需風量。由于最小風速比較?。▋H0.25 m/s），礦山巷道掘進工作面的需風量由人員需風量、一次爆破排煙計算的需風量和沖淡柴油機械產生的有害氣體需風量的Q1、Q3、Q4確定。

由于黃龍溝礦海拔高、大氣壓力低、空氣稀薄，需對需風量進行修正，定義海拔高度空氣的密度比Kh，表示海拔高度為h時空氣密度與平原（海拔為0 m）的空氣密度之比。

不同地區的溫度和氣壓隨海拔變化的梯度有差異，所以根據都蘭礦井位置，查詢相鄰氣象站30 a氣象資料，可以得到青海地區Kh與海拔高度h的經驗公式，氣象站信息如表1所示。

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對于高海拔黃龍溝礦，還需考慮大氣壓力低、空氣稀薄的特點，對需風量Q3、Q4進行參數修正［8-9］。

3.1.1 按人員需風量計算

研究表明，在短期高原缺氧環境（數月），通氣適應逐漸完成，人員在各海拔高度的質量通氣相等［10］。但是由于不同海拔空氣密度不同，高原施工時的人員需風量較平原大，表達式為：

式中，N為隧道內最多作業人數；Kh為海拔空氣的密度比。

3.1.2 按一次爆破排煙計算

根據［10］蘇聯B H沃洛寧公式，一次爆破排煙的需風量Q3按下式計算：

式中，t為通風時間，s；A為同時爆破炸藥量，kg；b為每公斤炸藥產生的CO當量，取40 L/kg；S為隧道開挖斷面積，m2；L為通風長度；P為風管始末端風量之比，百米漏風率取1.5%；C為工作面通風要求達到的CO濃度，mg/m3；Ca為坑道環境要求達到的CO濃度，mg/m3。

由于高海拔地區氣壓低，空氣重率和密度降低，炸藥爆炸時產生的炮煙體積會增加，產生的CO體積也相應地增加。因此，高海拔爆破排煙所需的需風量應進行修正。

根據理想氣體的狀態方程可得，在不考慮濕度變化對空氣密度影響的情況下，高海拔空氣的膨脹率可以近似考慮為Kh的倒數，則炸藥在高海拔地區產生的有害氣體為平原地區的1/Kh倍。

按文獻［11］，海拔1 500 m～3 660 m的CO濃度30 min接觸限制濃度81 mg/m3（換算成體積濃度為97.2×10-6），以此作為工作面通風要求達到的CO濃度，取20 mg/m3（換算成體積濃度為24×10-6）作為坑道環境要求達到的CO濃度，可計算出按一次爆破排煙的需風量。

3.1.2 按稀釋柴油機械產生的廢氣計算

該礦井坑道施工采用無軌運輸，洞內需風量應對內燃設備排放的尾氣進行稀釋。

目前該項需風量Q4計算一般均采用單位功率的需風量指標法，這種方法實質是在濃度稀釋法經驗總結的基礎上所得到的擴大指標數據來進行計算的。

式中，N為內燃機械總功，kW；q為內燃機械單位功率供風量，取4 m3/（min·kW）；k為功率系數，取0.6；fh為內燃機車廢氣排放的高海拔修正系數。

由于柴油機車CO排放量隨著海拔的升高而增加，規范［11］中規定CO海拔高度系數 fh計算如下（式中h為海拔高度）。

該線性回歸公式適用于平原地區，在高海拔地區比實測值偏高。據研究和調研資料［12-13］，CO海拔高度系數 fh可優化為

式中，h為海拔高度。

作業區域范圍同時作業的內燃設備有：挖掘機1臺，功率為40.9 kW；側翻式裝載機1臺，功率為92 kW；自卸汽車1臺，功率為93 kW。作業面附近內燃機總功率為225.9 kW。

3.2 需風量及通風方案優化

3.2.1 原方案：壓入式通風方案

該方案將工區分為2個，第一工區為洞口至連接巷1處斜坡道，第二工區為連接巷1處斜坡道至斜坡道末端；2個工區均采用獨頭壓入式通風。

將該環形斜坡巷道分為2個工區。第一工區為3 390 m平巷洞口至連接巷1處斜坡道，施工長度為1 330 m；第二工區為連接巷1處斜坡道至環形斜坡道末端，施工長度為1 586 m。

通風時間取30 min，綜合施工時一次爆破炸藥量、坑道開挖斷面面積、獨頭壓入通風的長度和巷道內的內燃機功率計算施工通風需風量，并根據施工斷面海拔高度修正需風量。計算得到原方案2工區的需風量如表2所示。

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根據表2，2工區的風機需風量均由有稀釋爆破炮煙需風量控制，1工區為2 416 m3/min，2工區為3 056 m3/min。

獨頭壓入式通風的管路通風阻力計算公式：

式中，l為巷道摩擦阻力系數；x為局部阻力系數；D為巷道的當量直徑，m；ρ為空氣密度，g/m3；Qf為風機風量，m3/min；Q為風筒出口風量，m3/min。

受施工限制，最大風筒直徑取?1 300 mm。由上式可求得工區1管路的通風阻力為3 269 Pa，工區2管路的通風阻力為7 794 Pa。在高海拔地區，風機性能隨空氣密度的減小而降低，工區2通風阻力如此高，選到合適的風機設備已很困難，需進行通風方案優化。

3.2.2 優化方案：巷道式排煙通風方案

斜坡道施工前，3 450 m至3 220 m溜礦井已經貫通，而3 390～3 220 m斜坡道繞該溜礦井螺旋下坡，斜坡道施工至里程K1+300后，可以利用溜礦井將污風排至3 450 m平巷。因此，第2工區的施工通風方案可以優化為“3 390 m平巷洞口進風，溜礦井3 450 m平巷排煙”的巷道式通風方案。該方案在K1+300 m、K2+231 m里程位置增設溜礦井與螺旋下坡斜坡道間的連接通道1和連接通道2，在3 390 m平巷內設射流風機，新鮮風從3 390 m洞口進入，在里程K1+300 m和K2+231 m前設風機將新鮮風流壓入施工作業面，污風從掌子面流入連接通道，進入溜礦井，然后排至3 450 m平巷和3 635 m平巷排出。

該方案將施工通風分為3個分區，各工區的最大風管長度和最大需風量如表3所示。

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該方案縮短了獨頭壓入通風長度，減小了漏風量，大大減小了斜坡道施工段的需風量及管路的通風阻力。同由于施工作業面和排煙平巷高程差60～330 m之間，自然風壓對施工排煙起到了促進作用。

通過方案優化后，考慮高海拔地區風流密度降低，風機性能降低，選取1臺DSF-Ⅲ型-No13.0（2×132 kW）軸流風機即能滿足第一工區的通風要求。

優化后巷道式施工通風方案需在3 390 m平巷和螺旋斜坡道中各增設1臺SDS63K-2P-7.5射流風機，用于克服2段隧道中風流的阻力，為第二工區和第三工區提供加強通風。

第一、二、三工區的具體通風方案及布置分別如圖2、圖3、圖4所示。

4 優化方案的通風網絡分析

通過上節的通風方案優化后，排煙通過溜礦井、3 450 m平巷和3 650 m平巷排出。為了考察2水平的排煙情況，采用通風網絡對礦山巷道進行計算。計算中簡化漏風影響，3 220 m平巷進風由工作面風量代替。

遵循風量平衡定律、風壓平衡定律、通風阻力定律的條件下，建立巷道通風網絡的數學模型，根據斯考德—亨斯雷法解算法［14］進行求解。

第二工區巷道內各處風量分配如圖5所示。

由圖5可知，第二工區巷道內風速可達到 1.23 m/s（修改圖中風量達2 000 m3/min以上），滿足最小風速要求。在自然風壓的作用下，掌子面的污風經由溜礦井排至3 450 m平巷和3 635 m平巷，41.7%的風量由3 450 m平巷排出，58.3%風量由3 635 m平巷排出。第三工區巷道內各處風量如圖6所示。

由圖6可知，第三工區巷道內風速可達到 1.14 m/s，滿足最小風速要求。掌子面的污風經由溜礦井排至3 450 m平巷和3 635 m平巷，受自然風壓的影響，37.3%的風量由3 450平巷排出，62.7%風量由3 635 m平巷排出。

5 優化方案通風效果現場測試

為驗證優化后通風方案的效果，展開了施工通風的現場測試。主要對巷道內風速、CO濃度規律變化進行現場測試［15-17］。

5.1 測試方案

風速采用機械式低速風速表進行測試，風速范圍0.2～10 m/s。采用CO檢測儀對不同位置處的CO進行測試。

第一工區通風效果測試，掌子面里程為K1+050 m，測試斷面選擇在距洞口K0+100 m、K0+300 m、K0+500 m、K0+600 m、K0+900 m處；第二工區通風效果測試，掌子面里程為K2+076 m時，測試斷面選擇在K0+300 m、K0+600 m、K0+1000 m、K1+500 m、K1+800 m處；

第三工區通風效果測試，掌子面里程為 K2+772 m時，測試斷面選擇在距洞口K0+500 m、K0+900 m、K1+600 m、K2+200 m、K2+2 500 m處在各斷面處進行風速的測試。現場測試如圖7、圖8所示。

5.2 測試結果

5.2.1 巷道內風速

施工至不同地段時，風流穩定后測試巷道內5個斷面的風速，經整理得到5個監控點的斷面平均風速分布。施工至K1+050、K2+076、K2+772時監控斷面的風速分別如表4、表5、表6所示。符號為“+”表示風流由外流向掌子面，符號為“-”表示風流由掌子面向外流。

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測試結果表明：測試各斷面的風速并不相同，巷道內風速大于設計最低風速0.25 m/s，掌子面的風量也滿足要求。測試中，理論上壓入式通風方式中巷道各斷面的風速應一致。造成巷道內各測試斷面風速不等的原因主要有：一是由于風筒漏風；二是運渣車輛行駛，擾動監測點的風流。

5.2.2 巷道內CO濃度擴散分析

施工至K1+050時，選取斷面K0+500處及K0+800處進行CO的測試，CO濃度擴散隨時間變化的結果如圖9所示。

施工至K2+076時，選取斷面連接巷1#處及K1+800 m處進行CO的人工測試，CO濃度擴散隨時間變化的結果如圖10所示。

施工至K2+772時，選取斷面連接巷2#點處及K2+500 m處進行CO的人工測試，CO濃度擴散隨時間變化的結果如圖11所示。

由圖9可知，在現有壓入式通風情況下，掌子面爆破后，斷面K0+800 m處在通風13 min后，CO濃度降到最高允許濃度以下；斷面K0+500 m處在通風18 min后，CO濃度降到最高允許濃度以下。這說明在平巷施工時，巷道內的CO能夠在規定的時間內降到衛生標準以下，巷道內的通風效果很好。

由圖10可知，斷面K1+800 m處在通風13 min后，CO濃度降到衛生標準以下，說明掌子面附近的巷道在通風后CO濃度下降很快，空氣質量很快變好；連接巷1#處在通風19 min后，CO濃度降到衛生標準以下，這表明施工至第二個彎道時，通風20 min左右后，斜坡內的CO都已經降到衛生標準以下。

由圖11可知，斷面K2+500 m處在通風13.5 min后，CO濃度降到衛生標準以下；連接巷2#點處在通風18.5 min后，CO濃度降到衛生標準以下。

從圖9～圖11可以看出，掌子面爆破之后，總體而言，CO濃度隨著時間的變化規律比較明顯，斷面處CO濃度先呈線性快速增加，隨后快速下降，經過一段時間后，下降速率變緩，由此可知，巷道內的CO主要表現“移動”和“擴散”2個特點，CO氣團隨著氣流向洞口移動，因此斷面處初始CO增加和初始下降時速率都很快；CO在移動過程中不斷擴散，使巷道內的CO濃度全面升高，導致超過允許濃度的時間越來越長、范圍越來越寬的現象，這就是“中間高、兩邊低”、“來得快、去得慢”的擴散分布。整體來看，爆破后，巷道內CO濃度很高，需要通風一段時間后才能作業施工。

6 結論

（1）受高海拔、施工長距離及風機性能下降的影響，黃龍溝3 390 m至3 220 m螺旋斜坡道施工采用獨頭壓入式通風的管路阻力過大，已無法選到合適的施工通風風機。利用3 450 m平巷和3 220 m平巷間的溜礦井，采用巷道式通風，能縮短獨頭壓入通風長度，減小漏風量，大大減小了斜坡道施工段的需風量及管路的通風阻力。

（2）針對高原進行需風量優化和通風方案優化后，本巷道施工通風需風量由稀釋爆破排煙需風量確定，第一工區最大需風量為2 416 m3/min，第二工區最大需風量為2 310 m3/min，第三工區最大需風量為1 967 m3/min。采用直徑為1 300 mm的風管，第一工區選用1臺DSF-Ⅲ-No13.0型軸流風機（功率為2×132 kW），第二工區和第三工區均選用上述同型號風機和2臺SDS63K-2P-7.5型射流風機即可滿足通風要求。

（3）通過通風網絡計算，通風方案優化后，第二工區巷道內風速可達到1.23 m/s，第三工區巷道內風速可達到1.14 m/s，均滿足最小風速要求。在自然風壓和風機風壓共同作用下，污風順利經由溜礦井排至3 450 m平巷和3 635 m平巷排出。

（4）現場測試結果表明，采用優化后的施工通風方案，隧道內的風速和工作面風量均能達到要求，且在20 min內，隧道內CO濃度能達到衛生標準要求。