“倒梯形”采礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張繼維 陳吉祥 王瑞鵬

摘? 要：為有效解決某金屬礦井下多中段生產(chǎn)時(shí)存在污風(fēng)和新鮮風(fēng)串風(fēng)通風(fēng)問題，本設(shè)計(jì)以回風(fēng)井為回采中心，在礦體垂直方向上采用倒梯形的回采方式，建立Ventsim三維通風(fēng)模型。根據(jù)井下各工作面需風(fēng)量，計(jì)算礦井總需風(fēng)量，并模擬計(jì)算井下通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)壓，綜合考慮自然風(fēng)壓和高海拔因素，最終選取滿足井下合理通風(fēng)的主通風(fēng)機(jī)。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)? 多中段生產(chǎn)? 倒梯形? Ventsim? 高海拔

中圖分類號(hào)：TD745 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（c）-0039-04

Design of "Inverted Trapezoid" Mining Ventilation System

ZHANG Jiwei1? CHEN Jixiang1? WANG Ruipeng2*

（1. Jiuquan Steel （Group） Tiangong Mining Investment Co.， Ltd.， Jiayuguan， Gansu Province， 735100 China;

2. MCC Shen Kan Qinhuangdao General Engineering Design & Research Institute Corporation， Qinhuangdao， Hebei Province， 066004? China）

Abstract： In order to effectively solve the problem of waste air and fresh air cross ventilation in a metal mine， the design takes the return air shaft as the mining center， adopts the inverted trapezoidal mining method in the vertical direction of the ore body， and establishes the Ventsim three-dimensional ventilation model. According to the air demand of each working face in the mine， the total air demand of the mine is calculated， and the negative pressure of the ventilation system in the mine is simulated. Considering the natural wind pressure and high altitude factors， the main fan meeting the reasonable ventilation in the mine is finally selected.

Key Words： Ventilation; Multi section production; Inverted trapezoid; Ventsim; High altitude

金屬礦井下通風(fēng)是礦山生產(chǎn)的重要組成部分。通風(fēng)系統(tǒng)是制約井下工作環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度的主要因素。目前國內(nèi)井下生產(chǎn)礦山多采用單中段開采方式，解決井下通風(fēng)的方法主要有數(shù)值模擬和手工計(jì)算方法。通風(fēng)系統(tǒng)的合理建立既要考慮井下風(fēng)速的要求，又要考慮經(jīng)濟(jì)合理性。因此選擇較為貼合實(shí)際的通風(fēng)方式必須綜合考慮多種因素，主要考慮的因素為：自然風(fēng)壓、高海拔、風(fēng)速、風(fēng)量、阻力損失、成本、是否串風(fēng)等。

以往研究多數(shù)學(xué)者研究對(duì)象為單中段生產(chǎn)的通風(fēng)系統(tǒng)，本次研究為井下多中段生產(chǎn)的通風(fēng)系統(tǒng)。本研究以高海拔地區(qū)某金屬礦為研究背景，針對(duì)某金屬礦采礦權(quán)范圍內(nèi)3020～3225m之間礦體，規(guī)劃采礦回采順序形式采用倒梯形，建立集中機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)井下各工作面需風(fēng)量，計(jì)算礦井總需風(fēng)量，并模擬計(jì)算井下通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)壓，綜合考慮自然風(fēng)壓和高海拔因素，最終選取滿足井下合理通風(fēng)的主通風(fēng)機(jī)。

1? 工程概況

某金屬礦主要采用淺孔留礦法回采礦體，井下已形成3225m、3163m、3120m、3070m、3020m出礦中段和主平硐水平，目前礦山多中段、多區(qū)域、多礦房同時(shí)作業(yè)。3020m中段以上各中段礦石由2t電動(dòng)運(yùn)礦設(shè)備運(yùn)至礦石溜井，下放至主平硐水平，再由7t電機(jī)車牽引2m3側(cè)卸式礦車經(jīng)主平硐直接運(yùn)往選礦廠 ;各中段廢石由2t電動(dòng)運(yùn)礦設(shè)備運(yùn)至平硐口廢石場排棄。人員、材料及設(shè)備通過地表簡易公路經(jīng)各中段平硐到達(dá)工作面。

2? “倒梯形”回采方式

“倒梯形”回采方式是針對(duì)金屬礦山井下多中段生產(chǎn)。以回風(fēng)井為回采中心，上一中段超前下一中段生產(chǎn)，上中段已生產(chǎn)完區(qū)域的中段運(yùn)輸巷道作為下一中段的回風(fēng)巷道，下一中段的污風(fēng)和上一中段的新鮮風(fēng)沒有相互干擾[1-2]。“倒梯形”回采方式示意圖見圖1。

3? 通風(fēng)系統(tǒng)

該礦設(shè)計(jì)采用集中機(jī)械式通風(fēng)方式。在14號(hào)勘探線附近建立回風(fēng)井，井筒凈直徑2.5m，內(nèi)設(shè)梯子間，兼做安全出口。新鮮風(fēng)由各中段平硐進(jìn)入，經(jīng)中段運(yùn)輸巷道、天井聯(lián)絡(luò)道、礦塊天井進(jìn)入采場，清洗采場工作面后的污風(fēng)由礦塊內(nèi)另一側(cè)天井、回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道、回風(fēng)井、3225m中段北側(cè)平硐排至地表。該礦井下通風(fēng)系統(tǒng)三維模型見圖2。

3.1 風(fēng)量計(jì)算

井下需風(fēng)量主要按照采礦工作面、掘進(jìn)工作面和硐室等排塵所需最小風(fēng)速條件進(jìn)行計(jì)算，并按照井下同時(shí)工作的最大人數(shù)對(duì)井下需風(fēng)量進(jìn)行驗(yàn)證[3-6]。井下無柴油設(shè)備，本次設(shè)計(jì)不進(jìn)行柴油設(shè)備需風(fēng)量驗(yàn)證。

井下同時(shí)工作最多人數(shù)為44人，按供給新鮮風(fēng)量不得小于4m3/min·人，按井下同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算礦井風(fēng)量為2.93m3/s。按照采礦工作面、掘進(jìn)工作面、硐室等排塵風(fēng)速計(jì)算井下需風(fēng)量，經(jīng)計(jì)算，礦井總風(fēng)量為50.60m3/s。因此礦井總需風(fēng)量應(yīng)取50.60m3/s，萬噸耗風(fēng)量1.87m3/s。

3.2 負(fù)壓計(jì)算

該礦屬于高海拔礦山，井巷摩擦阻力系數(shù)與空氣重率成正比，則井巷風(fēng)阻也與空氣重率成正比，高原礦井風(fēng)阻應(yīng)按下式校正[7]。

R=R0γZ/γ0，或R=KγR0

式中：R—高山礦井巷道的風(fēng)阻，Kμ;

R0—海拔高度為0 m時(shí)的風(fēng)阻，Kμ。

Kγ=（1-Z/44300）4.256，0.72。

計(jì)算的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

設(shè)計(jì)采用Ventsim通風(fēng)軟件對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，并根據(jù)需要選擇井下生產(chǎn)所需風(fēng)機(jī)。在礦井通風(fēng)總阻力計(jì)算時(shí)，選擇一條阻力最大的風(fēng)路，該段風(fēng)路計(jì)算所得的通風(fēng)總阻力即為礦井總阻力。經(jīng)計(jì)算，礦井通風(fēng)最困難時(shí)期負(fù)壓值為323.50 Pa。

根據(jù)現(xiàn)有的氣象資料、參照類似礦山地下氣候條件計(jì)算，該礦的自然風(fēng)壓在-69.32～107.53Pa之間，見表2。

4? 風(fēng)機(jī)配置

設(shè)計(jì)充分考慮高海拔地區(qū)大氣壓、空氣在井下的摩擦阻力系數(shù)以及風(fēng)機(jī)特性，同時(shí)考慮風(fēng)機(jī)10%～15%的風(fēng)量損失以及150～200Pa的機(jī)站負(fù)壓損失，通風(fēng)系統(tǒng)考慮20%局部阻力[8-12]。

考慮到井下生產(chǎn)時(shí)自然風(fēng)壓較大，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓應(yīng)考慮自然風(fēng)壓的影響：H=473.50+69.3=542.8Pa（高海拔地區(qū)下，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓）;

考慮高原因素導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率的降低，由于風(fēng)機(jī)曲線是按標(biāo)準(zhǔn)大氣壓進(jìn)行繪制，因此風(fēng)機(jī)選型時(shí)對(duì)高原風(fēng)壓進(jìn)行換算：

H標(biāo)Pa（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓）

式中：H——高海拔地區(qū)下，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，單位Pa;

H標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，單位Pa;

ρ——高海拔地區(qū)的空氣密度，0.80 kg/m3。

經(jīng)計(jì)算，選用一臺(tái)K40-6-No.18型風(fēng)機(jī)可以滿足礦山通風(fēng)要求，電機(jī)功率為110kW，同時(shí)配備同型號(hào)電機(jī)1臺(tái)，3225m中段風(fēng)機(jī)硐室內(nèi)設(shè)置1臺(tái)起吊能力為1 t的手拉葫蘆，方便風(fēng)機(jī)檢修和電機(jī)更換。

礦山共需設(shè)置井下生產(chǎn)時(shí)共需JK55-1№5型局扇10臺(tái)，其中7臺(tái)工作，3臺(tái)備用;JK58-1№4型局扇17臺(tái)，其中13臺(tái)工作，4臺(tái)備用。

5? 結(jié)論

（1）本文采用倒梯形回采方案，可有效解決多中段生產(chǎn)串風(fēng)問題。

（2）本次設(shè)計(jì)考慮的因素為：自然風(fēng)壓、高海拔、風(fēng)速、風(fēng)量、動(dòng)阻損失、通風(fēng)成本等，與現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際較為貼近。

（3）可有效降低井下粉塵濃度，形成貫穿風(fēng)流，縮短炮煙消散時(shí)間，降低有毒有害氣體濃度。

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