自然風壓影響下的通風系統優化與實踐

李 猛，彭 斌，魏 巍

（1.湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南長沙 410014；2.非煤礦山通風防塵湖南省重點實驗室，湖南長沙 410014）

礦山在我國經濟發展進程中有著非常重要的作用。礦業的快速發展也導致了礦山存在諸多問題，特別是在井下通風系統。礦井通風系統是井下的生命線，它為井下提供新鮮空氣，將作業面的有毒有害氣體和粉塵等排出地表，為井下工人提供良好的工作環境，確保他們的人身安全［1］。因此，礦山通風系統存在系統性問題時，應及時對其進行優化改造［2］。本文以湖南某高山礦為實例，通過詳細調查、測定、分析，找出存在的突出問題及原因，對其通風系統合理有效優化，改善通風系統。

1 現有通風系統基本情況

礦山為高山型礦山，采用平硐+盲斜井的開拓方式。該礦通風系統采用對角式通風方式，即礦脈東南翼進風，西北翼回風。現有11中段至19中段共9個服務中段，主要的進風口為19中段平硐和16中段平硐，11中段平硐為主回風中段，其它中段為盲中段。中段與中段之間通過盲斜井相聯通。19中段作為主運輸巷，風流進入平硐后，通過盲斜井進入17中段和18中段；16中段為輔助運輸中段，風流進入中段后，也是通過各中段斜井進入15、14、13、12中段；11中段為主回風中段，沒有作業面，該中段安設型號為FKZ10-30 kW風機，額定風量780～1 440 m3／min，全壓范圍為558～1 071 Pa。井下各中段通風網絡為階梯式通風網絡，污風最終匯集至11中段排出地表。由于礦山屬于老礦山，早年開采未采取充填的空區處理方式，導致井下采空區較多，部分中段利用采空區和老天井回風。

2 系統現狀調查分析

現有通風系統為對角式通風方式，東南翼16和19中段進風，西北翼11中段回風。礦山已經開采多年，由于受開采技術條件的影響，多年來各中段作業面布局不合理，形成了很多采空區。且隨著開采的推進，中段面積也擴大，開采深度也不斷延伸。作業面也越來越分散，現階段作業面主要集中在15至19中段。而部分新開辟的作業面也沒有形成完善的通風系統，新鮮風流難以進入作業區域，污風難以排出地。特別是在夏季地表與井下溫差大時，進風口出現反風問題。因此，井下通風系統的諸多問題也隨之出現。通過對現場測定調查，礦井通風系統測定評價采用風量合格率、風質合格率、有效風量率、風機裝置效率等指標來評價。礦井通風系統測試及評價指標見表1。

根據現場調查情況和測定數據可知，通風系統存在的主要問題如下所述：

1.通風系統各項測定指標數據結果偏低，可知現有通風網絡存在諸多問題，且存在諸多影響通風的因素，如受自然風壓影響，導致礦井風流紊亂等。

表1 某礦井通風系統測定計算結果

2.現場測得風機回風量為16.5 m3／s，進風量為7.8 m3／s，而井下設計需風量為23.7 m3／s。可知，現有風機回風量已經無法滿足井下生產的回風需求，且現有通風網絡和風機運行狀態下，有空區進風導致進風口進風量不足。

3.井下空區多，通風網絡比較復雜，新風短路、漏風及空區反風比較嚴重。由于礦山開采多年，早年開采未采取充填的空區處理方式，導致井下采空區較多。特別是11中段至15中段之間西北翼，空區天井貫通進風巷、回風巷和運輸道等。因此，導致平硐進風比風機回風少得多。

4.井下通風調控措施不完善。井下空區多，作業區域廣且作業面分散，加上作業安排不合理等因素，導致整個井下風流紊亂。且調控措施的缺失及調控不到位，使得整個井下的通風更加困難，新風進不去，污風出不來。

5.現場調查發現，自然風壓普遍存在于整個生產時期內。上風季節時期有利于通風，下風季節時期阻礙井下通風。特別在下風季節時期，由于風機功率偏小，通風網絡復雜空區多，導致回風量不足及空區進風，最終由16和19中段的進風口反風。

3 礦井通風系統優化探討

根據調查分析，該礦存在的主要問題為：（1）通風網絡復雜，空區多，風流比較紊亂；（2）11中段主扇風機與通風網絡不匹配，主要表現為風機功率小，通風能力不夠，風量小，導致15中段以下分風困難；（3）礦山屬于高山型礦山，采用平硐開拓，自然風壓影響大，下風季節不利于通風；（4）調控措施的不到位，導致整個礦井風流雜亂無章。

為解決礦山存在的上述通風問題，達到井下風量滿足生產需求、風流合理分配、風流調控到位且充分利用自然風風壓通風的目的，擬從簡化理順通風網絡，優化通風動力和合理安排調控措施等幾個方面進行優化［3，4］。

首先，簡化理順通風網絡是通風優化的重要工作。確定礦山采用什么通風方式，進回風線路等［5］。如：16和19中段平硐為礦山的主要進風口。11中段平硐作為主要回風平硐，負責整個礦山的回風。19中段平硐的進風負責17至19中段的作業區域，16中段平硐進風負責12至16中段的作業區域（13、14中段作業面較少）。各中段之間采用中段斜井進風，主運巷為中段進風巷，通過西北翼的回風天井回風至上部中段。

其次，由于現有的30 kW已經無法滿足井下的通風需要，需要選用大風壓大風量的風機替換原有的老風機。因自然風壓影響大，不可避免，為有效控制和利用自然風壓，必須選用大風壓的風機進行風壓對抗，并且可以在上風季節充分利用自然風壓通風［6，7］。

最后，在簡化理順通風網絡和確定主扇風機的情況下，合理設置安排通風調節措施也是重要一環。其主要措施是設置風門、風窗和密閉等構筑物，部分作業面應盡量采用局扇引導通風［4］。應盡可能地封閉采空區，可以預留部分天井作為通風井，這是簡化通風網絡的重要措施。尤其在14至19中段西北翼作業面較多，設置調節措施必不可少。

除上述措施外，良好的通風管理工作是確保通風系統有效的重要組成部分［8］。

4 礦井通風系統優化實踐

4.1 礦井通風系統優化措施

根據通風系統優化的整體思路，基于通風網絡、通風動力和通風調控措施等幾個方面，并以安全可靠、經濟合理和技術可行為原則，對井下實際存在的問題提出具體的優化措施，構建一個運行穩定、便于調控的礦井通風系統。具體優化措施如下：

1.確定礦山采用對角式通風方式，將16和19中段平硐為礦山的主要進風口。11中段平硐作為主要回風平硐，負責整個礦山的回風。所有中段采用單一進回風線路，中段與中段之間的斜井作為中段進風線路，新鮮風由南往北流動，清洗作業面后，由中段北部的風井排至上中段的回風道，最后由11中段回風道排出地表。將原16至15中段、15至14中段、14至13中段的中段回風井進行擴刷，擴刷面積為6 m2。而原13中段和12中段北部的兩個相貫通的采空區周圍采取密閉隔離措施，預留原有的天井作為回風井，主要負責下部的中段回風，減少掘進工程量。19、18、17和16中段之間掘進面積為8 m2的專用回風井，主要為將來往深部延伸時通風排塵做準備。

2.基于上述已經確定的通風線路，需對整個通風線路上相貫通的廢石巷道、未處理的采空區及廢棄天井溜礦井等進行密閉隔離處理。將16至13中段的進風線路上的162、602、388、401等采空區的穿脈進行密閉處理，將19至16中段的回風線路上的410、608等采空區進行密閉處理。除此之外，風門和調節風窗的設置也相當重要。現階段主要開采中段在16至13中段之間的采場，下部中段以開拓為主。因此，應在17、18和19中段的回風處設置調節風窗，控制回風量，以便更多的新鮮風進入上部中段的作業區，對于不需要新風的區域及不利用通風但需行人過車的地方，可設置風門進行控制。

3.經過計算分析，井下設計需風量為23.7 m3／s，現場測得風機回風量為16.5 m3／s，進風量為7.8 m3／s，現有的30 kW已經無法滿足井下的生產通風需要。結合考慮自然風壓的影響，選用對旋軸流型風機，風機型號為DK40-No15，風量范圍為18.2～43.6 m3／s，全壓范圍382～1 690 Pa，電機功率37×2 kW。下風季節時期，自然風壓阻礙通風，對旋風機兩臺電機全部開啟；上風季節時期，自然風壓有助于通風，可以只開啟一臺電機，達到有效利用自然風壓節省能耗的目的。

4.制定完備的通風管理制度，加強通風日常管理。做好通風設施的維護工作，保證風機運轉正常，加強重點、困難區域的局部通風工作。井下作業中段多，對北部主回風道風門和南平硐進風等加強管理。對設置的風門和調節風窗等加強調控管理。井下作業面應按照安全規程設置局扇通風，改善作業面環境。

通風系統優化方案示意圖如圖1所示。

4.2 礦井通風系統優化實踐

針對該礦井下通風系統提出的優化措施進行具體實施，為驗證該具體優化方案的最終通風效果，對整個礦井通風系統進行了一次通風系統驗證測定。在所有措施實施到位及風機開啟后進行測定，主要包括總進風量、總回風量、風質風量和有效風量率等參數進行測定。具體結果見表2和表3。

圖1 礦井通風系統優化方案示意圖

表2 某礦井通風系統優化驗證測定結果

表3 進、回風指標

由表2和表3中測定數據可知，經過優化后，整個礦井的風質風速合格率和有效風量率明顯提高，風機裝置效率也達到合格標準。整個礦井的進風量達到 25.2 m3／s，回風風量達到 26.1 m3／s，能滿足井下23.7 m3／s的生產通風需求。

5 結 論

1.通過對某高山型金屬礦井通風系統的優化可知，對礦井通風系統進行詳細的調查分析，找出系統存在的問題和產生問題的原因是優化工作的基礎，對有效合理地優化通風系統具有重要意義，也才能更好地指導礦山的安全生產。

2.對礦井通風系統優化，從通風網絡、通風動力、風流調控措施和現場管理制度等幾個方面去構建一個安全可靠、經濟合理、技術可行的礦井通風系統是切實可行的。一個有效穩定的礦山通風系統，應該在礦山不斷變化的生產活動中不斷調節適應。

3.對于高山型礦山，隨著季節的變化，受自然風壓的影響在通風時是不可避免的。從簡化理順通風網絡、優化通風動力和合理安排調控措施等方面入手，可以有效控制和利用自然風壓，避免因自然風壓給通風系統帶來的不利影響，有助于解決通風難題。