金屬礦山井下開采局部通風類型及使用場所分析

李印洪

（湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南 長沙 410014）

金屬礦山井下局部通風的目的是為金屬礦山井下作業場所提供合格空氣，排出生產作業場所有毒有害物質，調節生產作業場所空氣環境，是井下通風系統的重要組成部分，貫穿于金屬礦山的整個井下生產周期。我國自1953年華銅銅礦建立第一個井下通風系統以來［1］，井下局部通風方法及設備研究進展迅速，根據《采礦手冊》（冶金工業出版社1988年版）的介紹，當時局部通風方法有總風壓通風、擴散通風、引射器通風、高壓風通風、局扇通風（壓入式通風、抽出式通風、混合式通風），之后由于礦山生產技術、建設工程施工技術的發展，局部通風出現了風庫通風、并聯通風、鉆孔通風、雙巷平行掘進通風［2］、智能局部通風技術及成套裝備［3］、局部可控循環風通風［4］，變頻局扇通風［5］等新的局部通風方法、局部通風設備、局部通風設備運行管理方法。隨著我國礦山開采事業的發展，原有探明的淺近地表資源所剩無幾，深部勘探及開采、超深部勘探及開采已經成為一個發展方向，同時大風量、高風壓主扇的開發和投入使用，井下主扇作業區域越來越大，由此產生了基建時期對遠距離局扇通風技術裝備的研究和大斷面局部通風方法研究。金屬礦山局部通風方法根據使用設備與否分為主風壓通風與局部設備通風兩個大項；在通風時期上，分為基建時期局部通風與礦山生產時期的局部通風；在局部通風方式上又可以根據設備相互作用的不同分成若干項。通風任務、通風方法均有不同。

1 不同局部通風方式簡介

目前金屬礦山使用的局部通風方式有多種，按時期分為礦山基建時期局部通風和礦山生產時期局部通風。

1.1 礦山基建時期局部通風

礦山基建建設時期，主要是指礦山開拓工程和輔助性生產設施的建設時期，通過基建建設形成礦山采選生產基本條件，如井下需形成開拓、運輸、供電、供氣、供水、排水、通風、充填八大系統。由于主通風系統尚未形成，局部通風負責將地面新鮮空氣送入作業面，同時排出井下污濁空氣，主要有高壓風通風、局扇通風及高壓風局扇混合通風三種類型。

1.1.1 高壓風局部通風法

在礦山基建施工中，鑿巖、鏟運等工序會使用風動設備，需要用到壓縮空氣，壓力為0.4～0.7 MPa，由空壓機設備提供，因作業點使用設備臺數的限制，壓縮空氣設備產能有富余，在局扇通風力不能及時，壓縮空氣能為作業面提供局部通風使用，高壓風局部通風在礦山生產過程中也經常使用，其通風方法如圖1所示。

根據礦山設備的使用要求，高壓風的壓力不同，但空壓機的出口壓力一般是額定數值為0.7～1.2 MPa，通過儲氣罐的出口壓力調節閥實現供風設備與用風設備的銜接。因高壓風壓力是常規空氣壓力的數倍，故其供風量的計算公式為：

式中：Q1為工作面風量／m3·s-1；A為高壓風壓力／MPa；Q2為高壓風風量／m3·min-1。

空壓機局部通風技術因供風壓力大，所以供風距離長，漏風率低，供風管徑小不影響生產布置，供風溫度低，能夠兼顧作業用風的優點，在解決礦山井下基建局部通風困難上得到廣泛運用，在某些井下生產偏僻場所也經常使用，以110 kW螺桿式空壓機為例，其供風量為21 m3／min（可以帶動7臺氣腿式鑿巖機作業），供風壓力為0.75 MPa，按照公式（1）的計算，能為作業面提供2.625 m3／s的風量，以0.2 m／s的排塵風速計算，僅能滿足13 m2井巷斷面掘進的局部通風需求，由此可以看出能耗高、風管鋪設費用大、時間長，是高壓風局部通風的缺點，故而限制了高壓風局部通風方法的使用范圍，一般作為局部通風的輔助手段。

1.1.2 局扇局部通風法

與生產時期局部通風法相同的是，基建時期局扇局部通風也分為壓入式、抽出式、混合式等幾種。其區別是壓入式通風新鮮風流由風管進入作業面，污風由掘進巷道排出；抽出式的新鮮風流由巷道進入，污風由風管排出；混合式通風主要是解決作業面爆破時容易崩壞抽出式局扇設備所使用的一種局部通風方法。其風流組織如圖2所示。

在局扇局部通風的三種模式中，有爆炸性氣體威脅的礦井（如煤礦）、有放射性粉塵危害的礦井（如氡子體）只能使用局扇壓入式局部通風方法。

圖2 局扇局部通風法示意圖

1.1.3 高壓風局扇混合局部通風法

高壓風局扇混合局部通風主要使用局扇局部通風，同時將高壓風作為局部通風新鮮風流的一部分考慮。

1.2 礦山生產時期局部通風

在礦山生產時期，礦山井下通風系統已經形成，局部通風的目的是從主進風風流中取得新鮮風流供應工作面生產需要，同時將工作面產生的有毒有害物質排入主回風風流中，擔負著調整改善工作面空氣質量，保障礦山作業人員安全的重要任務。工作面分布在礦山生產區域不同位置，距離礦井通風系統主風流遠近也存在差別，故而每個礦山根據自身實際情況衍生出了較多的局部通風方法，如風庫通風、并聯通風、鉆孔通風、雙巷平行掘進通風、智能局部通風技術及成套裝備、局部可控循環風通風、變頻局扇通風等新的局部通風方法，這其中智能局部通風技術及成套裝備主要是為滿足煤礦的通風需求，在非煤礦山的應用不多。

1.2.1 風庫局部通風法

風庫局部通風法最初在長距離巷道掘進中得到使用，風庫的作用是調節兩臺局扇的風量匹配，防止上一級局扇風量過大或不足，導致出現局部阻力過大或風筒抽癟的情況發生，從而形成長距離巷道掘進的穩定供風。后續發展為一臺大風量局扇供風，數臺小風量局扇接替為數個作業面供風的新型局部通風方式，較分風器相比，存在供風距離遠，壓力不累積，供應作業點數量可調的優點，風庫的形式多樣，可以是一段巷道，也可以是一個硐室，還可以是一個可以回收的鐵皮盒子，風庫局部通風法如圖3所示。風庫局部通風法在主要井筒基建完成后，進行中段運輸巷道開拓時有較多使用。

1.2.2 鉆孔局部通風法

圖3 風庫局部通風法示意圖

隨著井下規模生產的發展，井下大直徑鉆孔設備得到了廣泛的應用，如天井鉆機掘進、VCR爆破等，都需要深孔鉆機，當長距離巷道掘進時上一中段存在相應的巷道，可以考慮使用鉆孔局部通風法，為達到良好的通風效果，可以根據需要采用多個鉆孔。而使用吊罐法掘進天井時，鉆孔局部通風法為天井掘進主要的局部通風法。鉆孔局部通風法如圖4所示。鉆孔局部通風法的限制條件為：鉆孔長度不大于20 m，無排水影響。

圖4 鉆孔局部通風法示意圖

1.2.3 平行雙巷掘進局部通風法

當有兩條平行巷道進行長距離掘進時，可隔一段距離掘進貫通聯絡巷，在局扇的配合下，形成平行巷道掘進局部通風法，如圖5所示。

圖5 平行雙巷掘進局部通風法示意圖

1.2.4 可控循環風局部通風法

當作業面新鮮風流供應量小，可以使用部分風流循環使用的辦法來滿足臨時作業的局部通風需求，可控循環風局部通風法如圖6所示。

設作業面風量為Qf，新鮮風量為Qo，循環風量為Qc，三者之間的關系為：

循環風局部通風在礦山偏遠作業面有極大的經濟性，在主風流不能滿足作業面通風需求時，通過增加局扇風量的做法來滿足作業面通風風量需求，但是應該滿足一定的條件，即進入作業面的風流中有毒有害物質、溫度不能超過井下安全規程中的相關要求，故而需要對循環風流中有毒有害物質進行凈化，同時對風機風流中有毒有害物質濃度進行監控，確保作業面作業人員的安全。國外局部循環風通風的研究認為，當Qc／Qf（循環率）小于30%時，局部循環風通風是能夠被接受的。

圖6 可控循環風局部通風法示意圖

2 不同局部通風方式適用的場所簡介

由上述可知，我國近年來礦山井下開采生產實踐所采用的局部通風類型種類繁多，優缺點各有千秋，適用場所也有不同，見表1。

除表1所列局部通風方法，根據通風目的及使用設備組成的不同，尚有智能局部通風、制冷局部通風等獨特的局部通風方式，需要礦山生產單位根據自身情況，制定適合本單位的局部通風方式，達到經濟有效改善井下作業場所空氣環境，從而保障井下作業人員安全的目的。

表1 局部通風方式適用場所一覽表

3 總 結

礦山企業開采作業對象存在特殊性，即每個礦山礦體賦存條件、礦巖物理性質都具有特殊性，唯一性。故而同一種采礦方法在不同的礦山也表現多樣，存在不同的設計、參數、生產組織。同理，附屬于礦山生產而存在的局部通風方法也是多種多樣，可以依據作業面所處的環境、作業面本身的特征，選取合適的局部通風方法，當然也可以充分利用現有工程，或者根據通風設備及器材的進步，創新局部通風方法，引導礦山開采行業技術的不斷進步發展。