錫鐵山鉛鋅礦通風系統(tǒng)優(yōu)化及應用

孫文敬 王斐 侯俊 張小瑞

摘要： 以錫鐵山鉛鋅礦通風系統(tǒng)優(yōu)化工程為研究背景，對礦山通風系統(tǒng)進行優(yōu)化。通過現(xiàn)場調(diào)查監(jiān)測與分析，提出3種通風系統(tǒng)優(yōu)化方案。綜合考慮通風阻力、安裝設計費及工程量等因素，最終確定選擇3 142 m、3 055 m平硐及斜坡道進風38勘探線、03勘探線、035勘探線風井回風地表抽出式通風方案為本次通風系統(tǒng)改造優(yōu)化方案。優(yōu)化工程完成后經(jīng)實際參數(shù)測量，通風系統(tǒng)得到很大改善，風量達到設計要求，改善了井下作業(yè)條件，為礦山帶來了十分可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，同時也為其他有通風難題的礦山提供了寶貴的經(jīng)驗。

關鍵詞： 通風系統(tǒng);高原礦井;通風阻力;抽出式;多路進風

中圖分類號：TD724 文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2020）11-0043-06 doi：10.11792/hj20201108

錫鐵山鉛鋅礦地處高原，主斜坡道硐口位于3 065 m水平，目前已開拓至2 222 m中段，隨著礦山開采深度不斷下降，現(xiàn)有通風系統(tǒng)已逐漸不能滿足井下生產(chǎn)通風需求，對井下采掘作業(yè)造成安全隱患。 因此，為了創(chuàng)造安全、健康的作業(yè)條件，保障井下工作人員的生命安全，亟需對礦山通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

1 工程背景

錫鐵山鉛鋅礦為一大型鉛鋅礦，一期工程于1982年5月1日動工，1986年年底竣工投產(chǎn)，年產(chǎn)量100萬t;深部過渡銜接工程于2006年9月29日經(jīng)青海省發(fā)改委核準，2011年通過竣工驗收，目前產(chǎn)量為150萬t/a。經(jīng)過30余年的開采，目前2 822 m中段以上已無采礦作業(yè)，開拓至2 222 m中段。2 762 m、2 702 m、2 642 m中段為開采出礦中段，2 582 m、2 522 m、2 462 m為采準中段，2 462 m、2 402 m為探礦中段，2 342 m、2 282 m為開拓中段。

通風系統(tǒng)采用中央進風兩翼回風抽出式通風方式。主平硐-混合井、主斜坡道、035勘探線風井進風，東部03勘探線風井和西部38勘探線風井回風。實際生產(chǎn)中，通風系統(tǒng)為主平硐、混合井、主斜坡道、千米副井進風，東部035勘探線風井（現(xiàn)進風井）、03勘探線風井和西部38勘探線風井回風，污風由安裝在03勘探線風井、035勘探線風井及38勘探線風井主扇風機抽出。但是，由于035勘探線回風井風機未安裝，實際為進風井，則進風通道有混合井、千米副井、西部空區(qū)（含51勘探線進風井、60勘探線進風井）、035勘探線風井;斜坡道實際回風，則回風通道有03勘探線回風井、38勘探線回風井和斜坡道。

礦區(qū)目前的通風系統(tǒng)為多路進風、多路回風的復雜通風系統(tǒng)。同時，礦區(qū)主斜坡道硐口位于3 065 m水平，屬高海拔地區(qū)，通風較困難[1-2]，井下經(jīng)多年開采留下大量采空區(qū)且塌陷至地表，系統(tǒng)漏風及風路短路嚴重，自然風壓大，斜坡道風向風量不穩(wěn)定，井下總供風風量小等實際情況，需要對井下通風系統(tǒng)進行進一步改造優(yōu)化，滿足正常生產(chǎn)通風需求。

本文根據(jù)目前井下實際生產(chǎn)情況，進行了通風系統(tǒng)調(diào)查與監(jiān)測，針對測定結果及井下通風系統(tǒng)存在的問題，提出相應的通風系統(tǒng)優(yōu)化方案，同時進行了井下工程應用實踐，最終提高了礦山的通風效率，保證了井下生產(chǎn)作業(yè)的安全。

2 礦山通風現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 礦山井下通風系統(tǒng)測定

礦井通風系統(tǒng)調(diào)查是進行通風系統(tǒng)測定與評價的基礎和前提，調(diào)查對象主要包括扇風機、通風構筑物、生產(chǎn)作業(yè)面、礦井井巷風流、通風網(wǎng)絡、井下有害物質(zhì)等。其中，主扇裝置性能測定和風量測定為通風系統(tǒng)測定的重點[3-4]。

2.1.1主扇裝置性能測定

主扇裝置性能測定包括主扇風量、風壓、主扇電動機功率及主扇效率的測定和計算。

1）主扇風量。主扇風量通常在風硐內(nèi)預先選定的適當斷面上進行測定。由于通過風硐的風量和風速較大，一般使用高速風表測定斷面上的平均風速，斷面平均風速與風硐斷面面積的乘積等于通過風硐的風量，也就是主扇的風量。

2）主扇風壓。主扇風壓的測定通常也是在風硐內(nèi)測定風速的斷面上進行。先在該斷面上設置皮托管，再用膠皮管將皮托管的靜壓端（或全壓端）與安設在主扇房內(nèi)的壓差計連接起來，當膠皮管無堵塞和漏氣時，即可在壓差計上讀數(shù)，此讀數(shù)為風硐內(nèi)該斷面上的相對靜壓（或全壓）。

3）主扇電動機功率。為了計算主扇效率，首先測定拖動主扇的電動機輸入功率。三相交流電動機的功率通常采用鉗形電流表、鉗形電壓表和功率因素表進行測定。

通過現(xiàn)場調(diào)查及對通風系統(tǒng)的分析，目前錫鐵山鉛鋅礦共安裝有2臺DK40-6№21-2×200 kW型主扇，分別安裝于地表的03勘探線風井和38勘探線風井，具體測定結果見表1、表2。

2.1.2 風量測定

進行井下各中段的風量測定，測點布置涵蓋了所有關鍵通風節(jié)點，能夠真實反映錫鐵山鉛鋅礦通風系統(tǒng)各節(jié)點風量及風量分配情況，主要結果如下：

1） 系統(tǒng)總回風量，即礦井總回風量為166.46 m3/s （冬季為147.60 m3/s），礦區(qū)出礦能力為150萬t/a， 系統(tǒng)能力略顯不足。

2020年第11期/第41卷采礦工程采礦工程黃 金

2）礦井地表總回風與地表入風差值為96.47 m3/s（冬季為45.44 m3/s）， 主要原因為礦區(qū)采用的采礦方法，遺留了大量采空區(qū)，直接貫通地表。

3）斜坡道實際為回風（冬季為進風），與該通風系統(tǒng)的設計進風不符。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，斜坡道自3 065 m ～2 222 m中段，且離38勘探線風井、03勘探線風井較遠，雖然斷面面積平均近20 m2，但進風阻力仍然高于其他進風通道阻力，故斜坡道進風較為困難。

4）38勘探線風井堵塞現(xiàn)象加重，斷面面積進一步減小，造成風機效率進一步降低。

2.2 通風現(xiàn)狀

錫鐵山鉛鋅礦井下目前的通風系統(tǒng)按設計為中央進風兩翼回風的分區(qū)地表抽出式通風系統(tǒng)（見圖1）。進風采用主平硐-混合井、主斜坡道、入風平硐-千米副井（3#豎井）3條進風通道，回風利用位于東部035勘探線、03勘探線和西部38勘探線風井經(jīng)回風平硐通地表。井巷掘進工作面、各種硐室、裝卸礦點及采場工作面采用局扇或輔扇輔助通風。

但是，在具體實施過程中，由于035勘探線風井地表風機未安裝，檢測到035勘探線風井實際進風，包括混合井、千米副井、西部空區(qū)（含51勘探線、60勘探線進風井）共4條進風通道;斜坡道實際回風和03勘探線風井、38勘探線風井共3條回風通道。故本次檢測到的通風系統(tǒng)為多路進風、多路回風的復雜通風系統(tǒng)。

采場通風：主風流充足的作業(yè)區(qū)域，采用主風流（主扇負壓）通風;主風流暫不滿足的作業(yè)區(qū)域，采用輔扇或局扇進行機械強制通風。經(jīng)調(diào)查，礦山通風設備地表為38 勘探線和03勘探線各安裝1臺DK40-6№21-2×200 kW、DK-2×350 kW型風機（實際安裝1臺 DK40-6№21-2×200 kW）;井巷掘進工作面、硐室、裝卸礦點及采場工作面采用局扇輔助通風，局扇型號為JK55-2№4、JK55-2№4.5，共計46臺，另有各型輔扇12臺，合計58臺，總計局扇、輔扇功率為936 kW。

2.3 通風系統(tǒng)存在的問題

根據(jù)錫鐵山鉛鋅礦井下現(xiàn)場調(diào)查、測定及資料收集等工作，分析評價井下通風系統(tǒng)，存在的問題主要有：

1）礦井總回風量為166.46 m3/s（冬季為147.60 m3/s），礦區(qū)年出礦能力為150萬t/a，系統(tǒng)能力略顯不足。

2）通風系統(tǒng)中段通風網(wǎng)絡使用階梯式，但由于西部空區(qū)夏季大量進入新鮮空氣，38勘探線風井風機排出風量過小且漏風較多，使得西部通風系統(tǒng)在夏季用處不大，污風只能從東部排出，使得西部的爆破作業(yè)（尤其是大爆破）對東部生產(chǎn)形成干擾。

3）礦山雖然在井下做了大量的通風改造和通風密閉工作，但由于生產(chǎn)推進較快，導致井下通風改造和通風網(wǎng)絡的調(diào)節(jié)及維護未同步進行，且設置通風構筑物只考慮了局部而未考慮整個系統(tǒng)，致使目前井下中段出現(xiàn)風流短路、串聯(lián)現(xiàn)象。

4）斜坡道新鮮風流風量小，不能滿足設備尾氣排放需求，故斜坡道作業(yè)區(qū)域一旦有設備經(jīng)過，尤其是礦用汽車等大功率無軌設備經(jīng)過，氣體檢測儀均顯示O2濃度低及其他有毒有害氣體濃度超標而產(chǎn)生報警信號，目前斜坡道不僅是錫鐵山鉛鋅礦井下運礦的主要通道，而且是人員、材料、設備進入中段的主要通道，因此必須妥善解決其通風不佳的問題。

5）2 642 m中段以下的深部開采區(qū)域通風系統(tǒng)回風為03勘探線風井，進風為千米副井及035勘探線風井，西部通風天井雖然已經(jīng)形成，但由于2 642 m西部通風天井在2 702 m中段開路，致使在2 582 m中段以下只有微弱風流。

6）礦井通風線路長，通風網(wǎng)絡復雜，且局部風井的斷面不足，通風阻力大。礦山同時作業(yè)中段較多，最多可達9個中段，同時開采采場數(shù)量多達15個，通風網(wǎng)絡復雜，井下風流紊亂。

7）38勘探線風井主風機效率低，該風井為錯位風井，由于本身斷面較小， 且內(nèi)部存在人行梯子平臺，導致斷面進一步縮小，局部通風阻力較大，冬季測定結果表明，38勘探線風井堵塞進一步加重，造成風機效率進一步降低，其打開與否對井下通風系統(tǒng)影響不大。

8）03勘探線主風機未設置基礎，風機振動過大，極易造成風機損壞。

3 礦山通風系統(tǒng)優(yōu)化

礦井通風系統(tǒng)作為井下八大主要系統(tǒng)之一，是向井下作業(yè)地點供給新鮮空氣，排出污濁空氣的通風網(wǎng)絡、通風動力和通風控制設施的總稱。礦井通風系統(tǒng)與井下各作業(yè)地點緊密相聯(lián)，對全礦井的通風安全狀況具有全局性影響，是搞好井下通風防塵工作和保護職工身體健康的基礎及前提，也直接關系到井下安全生產(chǎn)及勞動生產(chǎn)率提高。因此，建立一個安全可靠、經(jīng)濟技術合理的礦井通風系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義[5-7]。

錫鐵山鉛鋅礦屬于高原礦井，面臨著低壓缺氧、溫度低、濕度低、凍土層及陽光輻射強等一系列問題，礦井設計必須建立在妥善解決這些問題的基礎上。綜合上述條件，結合礦山井下實際生產(chǎn)情況，提出3個可行性方案。

1）方案一：3 142 m（千米副井）、3 055 m平硐及斜坡道進風38勘探線、03勘探線、035勘探線風井回風地表抽出式通風方案。

2）方案二：多路進風單翼回風通風方案。

3）方案三：單翼對角式通風方案。

3.1 方案一

礦區(qū)地處西北，冬季最低氣溫為-19.7 ℃，千米副井存在冰凍隱患，故在礦區(qū)進風路線需分冬夏兩季進行設計。

根據(jù)礦區(qū)的開采計劃，將通風系統(tǒng)劃分為東、西、中3個區(qū)域，即東部為03勘探線—035勘探線（深部為015勘探線），西部為03勘探線—38勘探線（深部為31勘探線），中部為斜坡道至03勘探線風井。具體方案如下。

3.1.1東 部

1）進風線路。夏季新鮮風流從3 142 m平硐口進入井下，經(jīng)千米副井下到深部各中段，再經(jīng)中段運輸平巷、穿脈平巷、采場人行天井等進入采場的工作面。冬季新鮮風流由3 142 m環(huán)道平硐進入，經(jīng)3 142 m平巷及3 062～3 142 m預熱天井預熱后，進入3 062 m運輸主巷，預熱后的風流經(jīng)3 055 m平巷進入千米副井，部分從千米副井口排出，大部分新鮮風流從千米副井進入深部各中段，再經(jīng)中段的運輸平巷、穿脈平巷、采場人行天井等進入采場工作面。

2）回風線路。根據(jù)錫鐵山鉛鋅礦的開采情況，東部的回風線路以2 642 m中段為界，上部分區(qū)包括2 702 m、2 762 m等未與035勘探線風井貫通的中段，污風由各個工作面，經(jīng)回風巷進入03勘探線風井抽出地表;深部分區(qū)至2 642 m及其以下各中段，污風由各個工作面，經(jīng)回風巷進入035勘探線風井抽出地表。

3.1.2 中 部

中部即斜坡道的通風。礦山斜坡道坡度為10 %， 由2 222～3 065 m水平共843 m，為礦區(qū)主要無軌運輸通道，有線路長、阻力大、通風困難等特點，特別是夏季。

新鮮風流由3 065 m平硐進入斜坡道，經(jīng) 2 522～ 2 882 m通風措施井在斜坡道的石門進入措施風井，后經(jīng)2 882 m平巷進入03勘探線風井排出地表;2 522 m 以下均經(jīng)石門進入03勘探線風井排出地表。

3.1.3 西 部

新鮮風流從3 055 m平硐進入井下，經(jīng)盲豎井、人行天井等各類井巷進入各個中段石門，后經(jīng)中段運輸平巷、穿脈平巷分風到西部和中部各作業(yè)面。

污風由中段采場及各個作業(yè)面進入各中段回風巷，經(jīng)38勘探線風井排出地表。

3.2 方案二

1）通風系統(tǒng)進風。礦區(qū)地處西北，冬季最低氣溫為-19.7 ℃，千米副井及3 065 m斜坡道口存在冰凍隱患，故礦區(qū)進風路線需分炎熱及寒冷時期進行分別設計。①炎熱時期。新鮮風流由3 142 m平硐（千米副井）、3 055 m平硐及斜坡道進入井下，經(jīng)盲豎井及其他井巷進入各個中段石門，后經(jīng)中段運輸平巷、穿脈平巷、采場人行措施井等進入工作面。②寒冷時期。千米副井新鮮風流由3 142 m環(huán)道平硐進入，經(jīng)3 142 m平巷及3 062～3 142 m預熱天井預熱后，進入3 062 m運輸主巷，預熱后的風流經(jīng)3 055 m平巷進入千米副井，部分從千米副井口排出，大部分新鮮風流從千米副井進入深部各中段，再經(jīng)中段的運輸平巷、穿脈平巷、采場人行天井等進入采場工作面。其余新鮮風流由3 055 m平硐及斜坡道直接進入井下，經(jīng)中段的運輸平巷、穿脈平巷、采場人行天井等進入采場工作面。

2）通風系統(tǒng)回風。由于38勘探線風井堵塞嚴重，考慮污風由掘進面、采場通風井等匯集進入中段回風平巷，后由03勘探線、035勘探線風井排出地表。

3.3 方案三

1）通風系統(tǒng)進風。礦區(qū)地處西北，且海拔超過3 000 m， 冬夏季節(jié)差異性大，地表自然風壓差異性大，故將井下通風系統(tǒng)的進風分為炎熱與寒冷2個時期。①炎熱時期。新鮮風流由地表從西部空區(qū)、千米副井、3 055 m平硐、斜坡道口進入各中段，經(jīng)中段運輸平巷、穿脈平巷到達作業(yè)面。其中，西部空區(qū)、3 055 m 平硐及斜坡道主要負擔上部中段的通風， 千米副井負擔下部2 522 m、2 462 m、2 402 m及2 342 m中段的通風。 ②寒冷時期。新鮮風流由東部035勘探線豎井、西部空區(qū)、斜坡道預熱平巷等進入井下，部分風流向上對千米副井、3 055 m平硐、斜坡道口進行預熱，大部分風流經(jīng)盲豎井、千米副井、斜坡道等井巷進入各個中段，后經(jīng)中段運輸平巷、穿脈平巷到達作業(yè)面。其中，盲豎井及斜坡道主要負擔上部中段的通風，千米副井負擔下部2 522 m、2 462 m、2 402 m及2 342 m中段的通風。

2）通風系統(tǒng)回風。根據(jù)系統(tǒng)進風特點，同樣將系統(tǒng)回風分為炎熱及寒冷2個時期。①炎熱時期。污風由各個中段經(jīng)中段回風主巷，進入035勘探線風井，經(jīng)由地表的風機回至地表。03勘探線風井主要針對斜坡道的回風，同時根據(jù)具體情況，負擔部分中段的回風。②寒冷時期。污風由各個中段經(jīng)中段回風主巷，進入38勘探線及51勘探線風井，經(jīng)由地表的風機回至地表。03勘探線風井主要針對斜坡道的回風，同時根據(jù)具體情況，負擔部分中段的回風。

3.4 技術方案比選

根據(jù)井下開采的特點，提出的3個通風技術方案，都有較大的可操作性，各有優(yōu)劣。為從中選出經(jīng)濟合理的技術方案，對方案進行比較，得出最適合井下通風系統(tǒng)的方案。 由于礦區(qū)規(guī)劃對范圍內(nèi)的空區(qū)進行處理，方案三采用空區(qū)進風，則可將方案三排除。

針對方案一、方案二，分別從通風阻力、通風設備費用和工程量3個參數(shù)進行計算比較，結果見表3。

針對礦區(qū)特點制定的方案，均可滿足礦區(qū)實際生產(chǎn)通風需求，但為了追求效果的最佳化，從方案的技術、管理、運行等角度對其進行綜合比較，見表4。綜合比較，選擇3 142 m（千米副井）、3 055 m平硐及斜坡道進風38勘探線、03勘探線、035勘探線風井回風地表抽出式通風方案為本次通風系統(tǒng)優(yōu)化改造的方案。

4 工程應用

根據(jù)通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案，針對錫鐵山鉛鋅礦井下通風系統(tǒng)存在的問題，自2017年年底開始，進行了通風系統(tǒng)優(yōu)化工程，歷時2年多的施工與調(diào)試，取得了顯著的成效，具體有以下幾個方面：

1）重新規(guī)劃各開拓巷道的功能。3 142 m（千米副井）、3 055 m平硐、斜坡道為進風井巷，38勘探線風井負擔西部作業(yè)區(qū)域回風，03勘探線風井負擔斜坡道回風，035勘探線風井負擔東部作業(yè)區(qū)域回風。38勘探線回風系統(tǒng)3 002～3 062 m 井堵塞工程的治理，重新掘進了1條回風井，施工了3 062 m、3 002 m、 2 882 m、2 762 m、2 702 m部分密閉構筑物，38勘 探線回風系統(tǒng)風量由47 m3/s 提高至71.15 m3/s，2 702 m中段 38勘探線回風平巷測得回風量為51 m3/s，西部通風分區(qū)作業(yè)環(huán)境得到明顯改善。

2）03勘探線風井2 882 m以上設置了密閉風墻，03勘探線回風系統(tǒng)2 522～2 822 m措施井排放尾氣工程施工完畢，風機安裝完畢，并試運行，風量達到39.39 m3/s，基本達到設計狀態(tài)，2 882 m密閉工程及調(diào)節(jié)風窗施工到位。與2017年通風測定時，斜坡道運礦汽車通過時便攜式有毒氣體檢測儀就報警的情況相比，目前汽車經(jīng)過時有毒氣體檢測儀沒有發(fā)出報警聲。

3）地表各主扇風機運行正常，現(xiàn)場實測38勘探線西部主扇運轉(zhuǎn)回風量71.15 m3/s;03勘探線主扇風機運轉(zhuǎn)回風量105.60 m3/s;035勘探線東部主扇風井工頻運轉(zhuǎn)回風量106.33 m3/s，實測總回風量共計283.03 m3/s，達到設計礦井總回風量271 m3/s的要求。

4）盲豎井2 762～3 002 m石門基本完成密閉。

5）考慮到冬季千米豎井進風過大，為防止凍井影響生產(chǎn)，設計了3 065～3 142 m入風預熱工程。

5 結 語

錫鐵山鉛鋅礦井下通風系統(tǒng)優(yōu)化改造工作正在有序進行，與改造之前對比，改造后井下通風系統(tǒng)

地表風機新鮮風入風量、污風排出量大增，井下作業(yè)區(qū)域空氣質(zhì)量得到改善，主扇裝置綜合效率高，斜坡道整體為進風通道，污風抽排基本滿足要求，新增了井下通風系統(tǒng)風量調(diào)控措施。

總體來看，錫鐵山鉛鋅礦通風系統(tǒng)優(yōu)化改造歷經(jīng)2年多的設計施工與調(diào)試，取得了顯著的成效，提高了井下通風效果，改善了井下作業(yè)條件，為礦山帶來了十分可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，同時也為其他有通風難題的礦山提供了寶貴的經(jīng)驗。

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Optimization of the ventilation system in Xitieshan Lead-Zinc Mine and its application

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（ 1.Western Mining Co. ，Ltd.;2.Xitieshan Branch of Western Mining Co. ，Ltd.;

3.Changchun Gold Research Institute Co. ，Ltd. ）

Abstract： The paper takes the ventilation system optimization project of Xitieshan Lead-Zinc Mine as the research subject，and optimizes the mine ventilation system.Based on field investigation，survey and analysis，3 ventilation system optimization plans are put forward.With comprehensive consideration of ventilation resistance，installation design cost and construction workload，the ventilation system optimization plan is decided to be the surface extraction type ventilation system plan where the air intakes are 3 142 m，3 055 m adits and ramp，air flow is extracted from the No.38，03 and 035 exploration line air shafts.Actual ventilation parameters are measured after the project is completed，showing that the ventilation system is significantly improved，the air volume meets the design criteria，and the underground working conditions are improved.The project creates considerable economic and social benefits for the mine，and at the same time provides valuable experience to the other mines confronting ventilation problems.

Keywords： ventilation system;plateau mine;ventilation resistance;extraction type;multiple intakes