三山島金礦西山礦區通風系統優化

程 力 劉興全 張皓欽 尹延天

(山東黃金集團有限公司深井開采實驗室)

礦井通風系統是保證地下金屬礦床安全高效開采的重要環節，也是礦山工人職業健康的基礎保障[1-2]。通過對通風系統的綜合評價，了解礦山安全生產的薄弱環節，提出相關治理改善措施，從而有效預防和遏制安全事故的發生。三山島金礦是我國第一個地下開采的濱海礦床硬巖礦山，礦山下設西山、新立、平里店3個礦區。當前西山礦區已開拓至-960 m水平，在開采過程中F3斷層伴有水溫達42 ℃的涌水點。同時，隨著開采深度、采掘總量及深部機械化作業水平提升導致的機械設備散熱增加，井下作業環境更加惡劣。相關通風技術人員多次對井下通風參數進行現場實測，檢測到個別局部獨頭掘進作業面溫度達40 ℃，相對濕度為100%，礦山深部高溫高濕熱害日益凸顯。本研究通過對三山島金礦西山礦區通風系統進行技術改造，確保礦井安全生產[3]。

1 礦井通風系統現狀

西山礦區采用豎井+斜坡道開拓系統，主要采用上向進路充填采礦法和上向水平分層充填采礦法。礦區現階段采用主混合井、主斜坡道、進風井、輔助斜坡道進風，南、北兩翼回風井回風的通風方式。礦區南風井-330 m水平回風機站設置1臺DK46(CII)-8-№28風機，機站回風量為233.15 m3/s。北風井-150 m水平回風機站設置1臺DK46(CII)-8-№28對旋風機(主扇)，機站回風量為190 m3/s。

相關技術管理人員多次對礦山井下主要作業區域的通風情況進行了全面檢測。經現場勘查和分析，西山礦區通風系統存在以下幾個問題。

(1)通風系統可靠性較差，總風量不足，各作業區域風量分配不合理。

(2)回風系統工程欠缺。南翼南風井及老南風井(倒段風井)承擔深部總回風，-600～-780 m水平回風井凈斷面為23.63 m2，與-600 m水平以上回風斷面(32.55 m2)及-780 m水平以下回風斷面(32 m2)匹配性較差，出現卡脖現象，導致南翼回風系統阻力偏大。

(3)南翼-780 m水平接力回風風機性能下降明顯，深部回風量(90 m3/s)明顯不足，導致深部井下作業環境溫度、濕度偏高。

由于上述問題的存在，導致該礦井下通風效果較差，不符合《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423—2006)要求[4]。

2 通風系統優化調控

2.1 優化思路

西山礦區作為三山島金礦當前主要生產礦區，為本次通風系統優化的重點。為此，需要對系統總風量、通風方式、機站設置、風機選型、采區各中段風量合理分配和調控等內容進行改造研究[5-6]。首先，核定西山礦區總風量，在此基礎上提出符合井下生產實際的通風方式。其次，通過機站優化、新掘通風井巷工程及設置合理的通風構筑物，解決礦區風量不足以及風量分配不合理等問題。最后利用三維通風動態仿真模擬系統對該礦通風系統改造方案進行模擬解算，對方案進行修改和比較，使其更加符合現場實際。

2.2 總風量核定

礦山所需要的總風量為各工作面所需風量與需要獨立通風的硐室所需風量之和，礦井總風量一般按排塵風速計算[7]，即

Q=vS，

(1)

式中，Q為作業工作面所需風量，m3/s;v為作業工作面要求的排塵風速，0.15～0.5 m/s;S為采場作業地點的過風斷面，m2。

參照礦區采掘生產計劃，按排塵風速計算每個工作面所需的的風量，計算出總風量為420.2 m3/s，其中深部-780 m水平以下風量為337.22 m3/s。

2.3 通風系統進回風方式

結合西山礦區深部開拓工程的布置，西山礦區未來幾年仍將承擔約6 000 t/d的生產任務，因此，礦井通風系統總體上采用南、北兩翼分區通風方式，形成主輔扇聯合抽出式分區通風系統。

南翼通風方式為盲豎井(斷面積為23.75 m2)、1620線管纜井(斷面積為11.95 m2)主要進風、斜坡道輔助進風，南風井、老南風井(倒段)及新掘回風井回風。新掘回風井工程為-600～-870 m水平回風井，承擔-870 m水平及未來-1 140 m水平回風。

北翼通風方式為1860線管纜井主要進風、斜坡道輔助進風，北翼倒段風井回風。

主斜坡道通風方式為上部新鮮風從-600 m水平補充進入，下部新鮮風從-960 m盲豎井補充進入，污風從-720、-955 m水平分段斜坡道聯巷進入原南風井回風系統。

2.4 機站優化設置

2.4.1 主回風機站優化

由于現有南翼-330 m水平主回風機站回風量僅為233 m3/s，達不到設計要求(約330 m3/s)，因此，擬在-330 m水平現有回風機站巷道北側回風巷設一回風機站，與現有機站形成并聯通風方式。

北翼通風系統-150 m水平主回風機站位置及型號不變，前期仍運行1臺DK46(CII)-8-№28對旋風機(主扇)，電機功率2×400 kW，變頻控制。后續待南翼通風系統改造完成后與西嶺礦山通風設計統籌部署，機站設置及風機重新設計。

2.4.2 接力回風機站優化

(1)南翼接力回風機站。由于原南翼-780 m水平主接力回風機站風機性能下降，根據通風系統優化方案，接力主扇位置調整至-795 m水平，承擔南翼深部回風。

(2)北翼接力回風機站。北翼深部新增接力主扇設在-645 m水平回風井聯巷。

2.4.3 輔助通風機站

南翼主要生產區域，前期擬在-870～-915 m水平回風井及-870 m水平聯巷設二級接力回風輔扇，調控-915、-960 m水平回風量；后期擬在礦體南翼新掘-870～-960 m回風井工程，-870、-915及-960 m水平回風側均設回風輔扇。風機優選，變頻控制。

北翼主要生產區域，擬在-690、-735 m水平回風側設回風輔扇，調控各水平回風量，風機優選，變頻控制。

2.5 新增通風井巷工程

(1)-600 m至-870 m水平回風井工程。由于南翼-600～-780 m水平回風井斷面積為23.63 m2，與-600 m水平以上南翼回風井斷面積(32.55 m2)不匹配，因此，擬在老南風井附近新掘凈斷面為15～20 m2的回風井，改善南翼深部通風條件。經現場踏勘，可選擇將-600～-615 m水平1340線回風井(2 m×2 m)擴刷，并將該井倒段延深至-870 m水平。

(2)-870 m水平南風井回風巷工程。由于-780～-825 m回風工程為斜井，斷面積為10.96 m2，與南翼-600～-780 m水平回風井斷面積(23.63 m2)不匹配，因此建議在南端新掘-870 m水平南風井回風巷工程(斷面規格為3.6 m×3.6 m)與南盲回風井(斷面積為23.76 m2)貫通銜接，目前該回風巷已施工完成。

2.6 通風構筑物設置

通風構筑物是礦井通風系統的3大組成部分之一，構筑物的數量與質量對井下生產、安全有直接影響，通過設置風門、風墻等對風量進行調節，以確保井下通風效果。通過現場調查與分析，西山礦區通風構筑物設置見表1。

表1 通風構筑物設置

3 通風系統優化方案網絡解算

通風系統優化方案基本確定后，需建立三維通風網絡模型，利用三維通風軟件Ventsim對方案進行系統通風動態仿真模擬解算[8-10]，根據結果對方案進行調整修改使最終確定的實施方案達到預期效果。

針對優化方案所設置的通風系統回風機站，將風機型號帶入創建的三維通風模型進行動態仿真模擬，風機優選方案計算機網絡解算結果見表2。

表2 主要風機優選方案網絡解算結果

風機優選方案通風網絡計算機模擬解算結果見表3。

表3 通風系統網絡解算結果

方案實施后，西山礦區礦井總風量為666.78 m3/s(含西嶺礦區南翼回風量)，較現有風量提高240 m3/s。南翼深部回風量為294.78 m3/s，較現有風量提高150 m3/s。北翼深部回風量為91.12 m3/s，較優化之前風量提高50 m3/s。經輔扇調節后，各水平風量合理分配，采掘工程按需通風，井下作業環境得到明顯改善。

4 結 語

針對三山島金礦西山礦區通風系統存在的問題，結合礦山實際情況，計算了西山礦區所需風量，通過在南翼-330 m水平主回風機站并聯運行2臺DK46(CII)-8-№28風機、調整南翼接力回風機站位置、新掘通風井巷工程及設置合理的通風構筑物等措施，經三維通風軟件模擬解算，確定了最優通風系統優化方案。優化后系統總風量提高至666.78 m3/s，機站風機效率達到80.8%，可有效解決該礦井下通風系統總風量不足以及通風阻力過大等問題。