某金屬礦山多級(jí)機(jī)站通風(fēng)技術(shù)研究

陶樹銀，范富泉

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

近年來(lái)，我國(guó)采礦工業(yè)發(fā)展迅速，金屬礦山的開采規(guī)模逐漸增大，采礦工程不斷往深部推進(jìn)，導(dǎo)致礦井內(nèi)出現(xiàn)作業(yè)面多而分散、通風(fēng)線路較長(zhǎng)、風(fēng)流合理分配困難等問(wèn)題[1-2]。大部分金屬礦山通常采用主輔扇聯(lián)合的通風(fēng)方式，其中一主多輔的通風(fēng)模式較為普遍。在進(jìn)行礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇的主扇往往很難適應(yīng)礦山實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中復(fù)雜開采條件的動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致裝置效率不高、礦井有效風(fēng)量率低，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處于低效率區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)，能耗較高[3-4]。隨著國(guó)家對(duì)礦山安全生產(chǎn)和降低能耗越來(lái)越重視，多風(fēng)機(jī)多級(jí)機(jī)站技術(shù)在一些礦山逐漸得到了應(yīng)用[5]。多級(jí)機(jī)站通風(fēng)技術(shù)具有合理分配工作面風(fēng)量，減少漏風(fēng)，提高有效風(fēng)量率，降低通風(fēng)能耗等優(yōu)點(diǎn)。本文以國(guó)內(nèi)某大型金屬礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造為例，對(duì)多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)方案進(jìn)行研究探討。

1 概況

該礦山是一個(gè)已投產(chǎn)多年的大型鐵礦床，礦床分東西兩個(gè)礦帶。東礦帶礦體總體走向38°，礦體控制長(zhǎng)度為2 350 m，主礦體賦存標(biāo)高為-240～-870 m，厚度為1.4～30.3 m，平均厚度為9.5 m，其厚度由南向北逐漸變薄。西礦帶礦體形態(tài)為似層狀，礦體總體走向36°，礦體控制長(zhǎng)度約為2 000 m，主礦體賦存標(biāo)高為-180～-950 m，礦體厚度為 1.1～25.2 m，平均厚度為10 m，其厚度沿走向向南北兩側(cè)逐漸變小，向深部逐漸變薄。

礦山實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)3 000～3 500 kt/a，井下采用主副井中央開拓，采礦方法主要為大直徑深孔階段礦房法，局部地段采用普通分段空?qǐng)龇āＶ卸伟?0 m 高度劃分為-1#、-2#、-3#、-4#、-5#、-6#、-7#、-8#、-9#、-10#等，其中-4#中段為當(dāng)前生產(chǎn)水平，-5#和-6#中段為開拓水平。礦井總需風(fēng)量為320 m3/s 左右。通風(fēng)系統(tǒng)采用分區(qū)通風(fēng)方式：西礦帶主要由輔助進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，東風(fēng)井回風(fēng)；東礦帶主要由副井進(jìn)風(fēng)，西風(fēng)井回風(fēng)。東、西風(fēng)井井口地表處均安裝了型號(hào)為DK62-8-NO.25（功率為 2×280 kW）的主扇。

2 存在的主要問(wèn)題

通過(guò)對(duì)該鐵礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定與分析，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)主要存在以下問(wèn)題。

1）主扇服務(wù)時(shí)間已久，局部銹蝕較為嚴(yán)重，且供風(fēng)量不足，裝置效率僅為45%左右。這與風(fēng)機(jī)的設(shè)置和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)匹配不夠合理有很大關(guān)系。礦區(qū)東西走向較長(zhǎng)，通風(fēng)阻力較大，且井下采用大爆破作業(yè)，生產(chǎn)中段設(shè)置通風(fēng)構(gòu)筑物困難。部分圍巖不穩(wěn)定區(qū)域的空區(qū)未及時(shí)進(jìn)行封閉，受爆破影響，已塌落至無(wú)法封閉，井下風(fēng)流短路現(xiàn)象嚴(yán)重，漏風(fēng)量較大。

2）風(fēng)質(zhì)合格率偏低。井下大多選用大型無(wú)軌柴油設(shè)備作業(yè)，產(chǎn)生的尾氣直接污染運(yùn)輸巷道中的新鮮風(fēng)流，使得進(jìn)入需風(fēng)作業(yè)面的風(fēng)質(zhì)下降。此外，-4#中段卸礦點(diǎn)裝卸礦時(shí)，產(chǎn)生大量的沖擊粉塵，污染新鮮風(fēng)流。

3）礦山生產(chǎn)規(guī)模大，需風(fēng)作業(yè)面較多，且分布比較分散，在局部廢舊巷道不能及時(shí)封閉、風(fēng)流控制設(shè)施不完善以及未嚴(yán)格遵循合理的回采順序等條件下，坑內(nèi)風(fēng)量分配不合理，風(fēng)流循環(huán)情況較嚴(yán)重。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 多級(jí)機(jī)站通風(fēng)設(shè)計(jì)

根據(jù)礦體賦存條件，該礦區(qū)東西走向較長(zhǎng)，礦體埋藏較深，賦存高差較大，因此礦山生產(chǎn)能力和需風(fēng)量也較大。隨著作業(yè)面往深部推進(jìn)，井下形成的生產(chǎn)區(qū)域面積將更加廣泛，作業(yè)點(diǎn)分散，通風(fēng)線路長(zhǎng)，污風(fēng)循環(huán)、風(fēng)流紊亂、風(fēng)量分配不合理等問(wèn)題將變得愈發(fā)嚴(yán)重。為優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)通風(fēng)和節(jié)能效果，擬將通風(fēng)系統(tǒng)改造為多級(jí)機(jī)站通風(fēng)方式。

多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)4 級(jí)機(jī)站，Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)機(jī)站壓入，Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)機(jī)站抽出。Ⅰ級(jí)機(jī)站設(shè)在副井車場(chǎng)和輔助進(jìn)風(fēng)井聯(lián)絡(luò)道及通風(fēng)天井與穿脈的聯(lián)絡(luò)道中；Ⅱ級(jí)機(jī)站設(shè)在出礦水平、 鑿巖水平等巷道與天井的聯(lián)絡(luò)道中；Ⅲ級(jí)機(jī)站設(shè)在-1#中段天井聯(lián)絡(luò)道中；Ⅳ級(jí)機(jī)站設(shè)在靠近東、西風(fēng)井的回風(fēng)平巷中。由于容易受到采場(chǎng)爆破沖擊影響，Ⅱ、Ⅲ級(jí)機(jī)站內(nèi)風(fēng)機(jī)采用無(wú)風(fēng)墻設(shè)置，同一機(jī)站內(nèi)風(fēng)機(jī)盡可能型號(hào)統(tǒng)一[6]。

Ⅰ級(jí)機(jī)站將地表新鮮風(fēng)流送至需風(fēng)中段，Ⅱ級(jí)機(jī)站將各中段水平的新鮮風(fēng)流分配至作業(yè)面，Ⅲ級(jí)機(jī)站將通風(fēng)天井中的風(fēng)流送至-1#中段回風(fēng)巷，Ⅳ級(jí)機(jī)站將各作業(yè)面的風(fēng)流送至東、西風(fēng)井，最終將污風(fēng)排出地表。

3.2 網(wǎng)絡(luò)軟件分析

由于無(wú)法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用效果比較，僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手工計(jì)算與分析，其工程量太大，不夠全面，可靠性較低，必須借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維仿真與網(wǎng)絡(luò)解算。Ventsim 軟件是一款具有較強(qiáng)實(shí)用性和通用性的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析軟件，它能夠滿足井下通風(fēng)環(huán)境的模擬、網(wǎng)絡(luò)解算、風(fēng)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等需求，為2 個(gè)通風(fēng)方案的設(shè)置提供計(jì)算依據(jù)[7]，具體模擬優(yōu)化過(guò)程如圖1。

圖1 Ventsim 軟件模擬優(yōu)化過(guò)程

Ventsim 軟件網(wǎng)絡(luò)解算功能的實(shí)現(xiàn)是在已構(gòu)建的三維模型基礎(chǔ)上，首先根據(jù)該礦實(shí)際通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)建立通風(fēng)系統(tǒng)三維仿真模型，相對(duì)應(yīng)地賦予其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和其他參數(shù)，主要包括巷道長(zhǎng)度、摩擦阻力系數(shù)、斷面形狀、斷面尺寸、進(jìn)風(fēng)口大氣壓、風(fēng)機(jī)位置等。在風(fēng)流模擬的同時(shí)，可從風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇合適的風(fēng)機(jī)，不斷地進(jìn)行優(yōu)化，直至達(dá)到最佳通風(fēng)效果，計(jì)算得出各風(fēng)路風(fēng)阻和需風(fēng)量[8]。該金屬礦山的主要風(fēng)路解算結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 主要風(fēng)路解算結(jié)果

3.3 方案優(yōu)選

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果，初步確定各級(jí)機(jī)站風(fēng)機(jī)的數(shù)量、型號(hào)、連接方式等（所有風(fēng)機(jī)均為節(jié)能型軸流風(fēng)機(jī)），然后重新調(diào)整通風(fēng)模型的各項(xiàng)參數(shù)，繼續(xù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算，通過(guò)不斷地優(yōu)化處理，直至系統(tǒng)達(dá)到最佳通風(fēng)效果，多級(jí)機(jī)站風(fēng)機(jī)布置方案詳見(jiàn)表2。

為了充分體現(xiàn)多級(jí)機(jī)站通風(fēng)技術(shù)在該礦通風(fēng)系統(tǒng)中的優(yōu)越性，將多級(jí)機(jī)站通風(fēng)方案與大主扇通風(fēng)優(yōu)化方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。其中，大主扇通風(fēng)優(yōu)化方案主要包括對(duì)礦山原主扇進(jìn)行更換、增設(shè)輔扇、優(yōu)化通風(fēng)構(gòu)筑物等措施，兩種方案的比較結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表2 多級(jí)機(jī)站風(fēng)機(jī)布置方案

表3 通風(fēng)方案比較結(jié)果

由表3 可以看出：雖然多級(jí)機(jī)站方案與大主扇方案相比，前期投入較大，購(gòu)置風(fēng)機(jī)數(shù)較多，開挖硐室、堆砌風(fēng)墻等工程量較多，但是多級(jí)機(jī)站方案的總裝機(jī)容量較小，年通風(fēng)費(fèi)用較少，節(jié)能效果明顯。需要注意的是，考慮到在副井車場(chǎng)增設(shè)機(jī)站有一定難度，為不影響運(yùn)輸車輛通行，須增加較多巷道工程，建議采用空氣幕的形式替換風(fēng)機(jī)。此外，多級(jí)機(jī)站通風(fēng)必須重視機(jī)站管理，保證Ⅰ級(jí)機(jī)站和Ⅲ級(jí)機(jī)站風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，否則將影響系統(tǒng)的通風(fēng)效果。為降低前期投資，暫不考慮智能化設(shè)備投入，生產(chǎn)中可適時(shí)考慮采用智能化管理措施。

4 結(jié)論

1）結(jié)合礦體賦存條件和開采工藝，礦山采用多級(jí)機(jī)站通風(fēng)技術(shù)，可取得良好的通風(fēng)效果和經(jīng)濟(jì)效益?？紤]到Ⅰ級(jí)機(jī)站對(duì)于靈活性的要求較低，為了降低施工難度，減少聯(lián)絡(luò)道工程量，同時(shí)不影響礦石運(yùn)輸和行人交通，可研究使用空氣幕代替部分Ⅰ級(jí)機(jī)站內(nèi)風(fēng)機(jī)。

2）在Ventsim 軟件對(duì)該金屬礦山多級(jí)機(jī)站通風(fēng)方案進(jìn)行的三維建模、動(dòng)態(tài)仿真和網(wǎng)絡(luò)解算的基礎(chǔ)上，完成了對(duì)該礦山通風(fēng)技術(shù)方案的優(yōu)選和通風(fēng)信息的科學(xué)管理，通風(fēng)決策的準(zhǔn)確性和反應(yīng)速度顯著提高，且操作簡(jiǎn)單，可視化效果好，但是關(guān)于機(jī)站局阻的設(shè)置仍缺乏一定的計(jì)算依據(jù)。

3）隨著井下生產(chǎn)的推進(jìn)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)在時(shí)間和空間上不斷發(fā)生變化，礦山技術(shù)人員可借助Ventsim 軟件和多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)自身的優(yōu)越性實(shí)現(xiàn)在通風(fēng)管理工作上的長(zhǎng)期維護(hù)，必要時(shí)，可采用智能化技術(shù)對(duì)多級(jí)機(jī)站風(fēng)機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，保障礦山生產(chǎn)穩(wěn)定、風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和工人勞動(dòng)安全。