中關鐵礦通風系統優化技術研究

胡樹軍連歡超張明峰吳冷峻周 偉

（1.河鋼礦業集團有限公司；2.河鋼集團沙河中關鐵礦有限公司；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司;4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室）

河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦床位于透水性強的奧陶紀灰巖分布范圍內，礦山周圍被小煤礦包圍，水文地質條件復雜、礦坑涌水量較大。礦山設計采用地下開采，空場嗣后充填法采礦，生產鐵礦石200萬t/a。通風采用中央副井進風，南北兩翼回風井回風的對角抽出式通風系統，新鮮風流由副井、中段平巷、天井等進入井下各工作面，清洗工作面后的污風通過4條采區回風天井和-110 m水平回風巷及南北回風井排出地表［1-2］。中關鐵礦于2010年開始基建，2020年試運行，在建設和試運行過程中，存在采區回風天井變更、溜破系統通風不完善、主風機運行頻率未理論計算等導致礦井總風量不足，溜破系統通風效果不佳以及回風機站并聯風機運行參數不合理等問題。為此，對該礦通風系統進行了優化調整技術研究與實踐［3］，達到了預期效果。

1 礦山概況

中關鐵礦設計生產規模200萬t/a，采用豎井+采區斜坡道聯合開拓，根據礦體賦存和地下水帷幕注漿條件，沿礦體走向分區開采，先開采南區，后開采北區。南區礦體分期開采，一期開采-350 m以上的礦體，二期開采-350 m以下的礦體；一期生產中段劃分為-230 m以上和-230～-350 m2個區段，先采-230 m以上區段，后采-230～-350 m區段；區段內生產中段自下而上開采，一期生產中段總體開采順序為-230 m→-170 m→-110 m→-350 m→-290 m。

開拓工程：①主井凈直徑5.2 m，井口標高+222.5 m，井底標高-488 m，井深710.5 m，井下設礦石溜破裝載系統；②副井凈直徑7.0 m，井口標高+222.5 m，井底標高-436.3 m，井深659.8 m，副井在-409 m與破碎機硐室相通；③南北兩端分別布置南北回風井，井筒凈直徑均為4.0 m，北風井井口標高+222 m，井筒向下分段延深，上段井底標高-258.8 m，井深480.8 m，上段井筒在基建期施工，下段在生產期施工，井底標高-380 m，需延深120 m。南風井（前期）井口標高+238 m，基建期施工至-241.7 m水平，井深479.7 m，生產期根據需要向下延深至-290 m；后期開鑿的南風井井口標高+234 m，井底標高-110 m，井深344 m，在-110 m水平通過回風平巷與前期開鑿的南風井相通；④采區斜坡道從-170 m水平施工至-245 m水平，總長625 m，并與-170～-245 m各分段連通。

采礦方法：采用分段空場嗣后充填采礦法，中段高60 m，分段高15 m，礦塊寬18 m，礦塊長≤50 m，礦塊長為礦體厚。采用房柱采礦嗣后充填采礦方法，礦塊沿礦體走向布置，礦塊寬36 m，礦塊高15～25 m，礦塊長≤50 m。

2 通風系統設計方案及建設運行過程中的問題

2.1 通風系統設計方案

中關鐵礦設計采用兩翼對角抽出式通風系統，新鮮風流由副井、中段平巷、天井等進入井下各工作面，清洗工作面后的污風通過采區回風天井、回風巷道、兩翼風井排出地表。出礦巷道、穿孔鑿巖和巷道掘進工作面為獨頭作業，采用JK58-1No4型局扇輔助通風，污風經通風天井排至上部回風巷。井下破碎機硐室、皮帶道、粉礦回收巷、水泵硐室、變電硐室、炸藥庫等亦采用局扇和輔扇輔助通風，由端部回風天井排至-110 m回風巷。

系統回風機站風機設在井下靠近南、北風井的回風巷道中，地表集中控制。設計總風量為249.26 m3/s。初期-230 m中段生產時北風井通風阻力為2 528.70 Pa，南風井通風阻力為2 243.99 Pa；后期-350 m中段生產時北風井通風阻力為2 856.09 Pa，南風井通風阻力為2 659.32 Pa。南北回風井各選用2臺DK45-6-№19型軸流風機并聯安裝。選用34臺JK58-1No.4和7臺JK58-2No.4型局扇輔助通風。

2.2 建設和運行過程中存在的問題

礦山于2020年9月建成并試投產，經現場勘查檢測、設計資料分析及通風系統現狀檢測結果分析，通風系統存在的問題有：

（1）南、北風機站間及站內并聯安裝的對旋風機工況不合理。試運行時，南北回風井機站間及各自機站內的對旋風機共計有8臺同型號200 kW電機，其運行頻率未經理論計算，均不一致，性能不匹配、不合理，需要重新計算調整，在保證礦井總風量滿足需求的前提下協調合理運行。

（2）采區通風天井數量變少，需重新核算采區通風能力。該礦在基建過程中，對開拓通風系統井巷工程進行了部分變更，原設計-110～-245 m中段的5#、6#、7#、8#通風天井中，7#、8#通風天井施工完成，5#通風天井施工了-170～-245 m段，6#通風天井施工了-110～-170 m段，相當于減少了一條通風天井，礦井通風網路結構發生了改變，需要重新核算通風能力。

（3）溜破系統回風回路不順，通風效果有待改善。設計溜破系統新風從電梯井進入，沖洗溜破系統各水平后，污風從-488～-110 m人行回風天井回至北風井回風聯絡巷道，實際該人行回風天井在-260 m水平形成了倒段，且北風井-260 m石門巷道密閉不嚴，導致溜破系統回風效果差。

（4）-170 m炸藥庫通風問題。井下炸藥庫位于-170 m水平南翼，沒有通上部-110 m回風水平的回風天井，雖然-170 m本水平與南風井貫通，但其回風受到上部-110 m南回風機站風機出口正壓抑制。

3 通風系統優化調整方案

（1）優化調整技術路線。為解決中關鐵礦通風系統存在的問題，保障礦山正常安全生產，并滿足設計、安全驗收要求，公司專業技術人員與中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司專業人員對上述通風系統存在的問題進行了研究，通過現場調查、實測，對通風系統進行核定、分析與評價，運用通風系統三維動態模擬、通風網路優化、風量合理分配與調控及多風機工況協同調控等綜合技術研究［3-5］，從系統的角度提出通風系統技術改造方案和具體措施，改善礦井通風效果，確保礦井通風系統達到安全可靠、高效節能的工作狀態。

（2）機站風機性能評定及頻率協同優化。南北回風井均選用2臺FBCDZ-6-№19型軸流對旋風機，分2條回風機站巷并聯安裝，葉片角度45°/40°，變頻調控。在機站建成后試運行時，2個機站4臺風機8臺電機的運行頻率從25 Hz到35 Hz，均不相同，機站風機運行工況不匹配，風機運行效率偏低。為解決該問題，對南、北風井機站風機運行工況進行了理論計算，并結合現場實際檢測結果，確定8臺電機運行頻率均為30 Hz左右，可使其運行工況協同匹配，保證通風系統穩定可控、經濟高效運行［6-8］。

（3）礦井總風量及采區通風能力校核。通過核算，確認設計的礦井總風量249.26 m3/s，其中采區和運輸系統風量225.60 m3/s。原設計有4條采區回風天井，直徑均為3 m，由于施工過程遇到的地質斷層問題，實際完成了3條采區回風井。經回風能力驗算，3條采區回風天井亦能滿足采區通風要求。

（4）溜破系統通風調整完善。針對溜破系統回風風路曲折及通風量不足的問題，通過分析研究，采取以下措施理順溜破系統風路、完善系統、保證溜破系統通風除塵效果。①在-260 m溜破回風倒段聯巷增設1臺K40-6№14/30kW型輔扇，確保溜破系統回風量；②加強-260 m水平北風井底石門巷密閉，避免污風循環；③-260 m溜破系統倒段回風聯巷與副井石門巷之間設置風門，并留風窗。

（5）-170 m南翼炸藥庫通風。由于該炸藥庫沒有通上部-110 m回風水平的回風天井，根據已實施工程，在-170 m炸藥庫通南風井的回風聯巷設置1臺JK58-2No.4/11kW型局扇，接直徑0.6 m硬質阻燃風筒送入南風井，風筒出口高出-110 m回風巷5 m。

（6）通風優化方案模擬解算。通過建立通風網路模型，利用多級機站通風系統網路解算軟件，輸入網路分支節點參數、井巷風阻參數、機站通風參數、風機性能參數，根據系統通風要求，-170 m炸藥庫回風路線變通到-110 m南回風井進風側巷道。對調整的通風系統方案進行模擬解算，風量和風機運行工況解算結果見表1、表2。

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根據通風優化調整方案網路解算結果，礦井總風量達267.57 m3/s，滿足總風量設計要求。其中，-110 m北風井回風機站風量為138.67 m3/s（2臺并聯運行的對旋風機葉片角度均為最大值45°/40°，運行頻率30 Hz），南風井回風機站風量為128.90 m3/s（2臺并聯運行的對旋風機葉片角度也為最大值45°/40°，運行頻率30 Hz）；溜破系統回風量31.82 m3/s；炸藥庫回風量8.03 m3/s。

（7）優化調整方案實施效果。中關鐵礦按照優化方案對通風系統進行調整完善后，試運行期間對南北回風井-110 m水平回風機站風機進行了協同調試，并對調整效果進行了檢測，根據表3數據，風機運行頻率均調整為30 Hz左右，礦井總風量287.4 m3/s，南北回風機站4臺風機協調穩定運行，風機性能基本一致，實耗功率747.66 kW，4臺風機平均運行效率80.23%。各水平風量基本與設計一致，溜破系統回風量30.24 m3/s，炸藥庫回風量4.95 m3/s。結果見表3。

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4 結論

（1）中關鐵礦采用兩翼對角抽出式通風系統，新鮮風流由副井進入井下，南北兩翼回風井排出地表。建設及試運行過程中存在機站風機工況不合理、采區通風天井數量變少、溜破系統回風回路不順和-170 m炸藥庫通風受阻等問題。

（2）從系統的角度，提出了協同優化南北回風井8臺風機電機的運行頻率（統一至30 Hz左右）、校核礦井總風量及采區通風能力、調整完善溜破系統的通風、增強-170 m炸藥庫局扇通風的通風系統技術改造調整方案，并經過了網路解算驗證。

（3）優化調整實施后，礦井總風量達到267.57 m3/s，滿足設計要求（249.26 m3/s），南北回風機站風機運行平衡，實耗功率747.66 kW，4臺風機平均運行效率80.23%，采區風量分配合理，溜破系統和炸藥庫通風效果符合安全規程要求，通風系統運行效果達到預期目標。