深部開(kāi)采和殘礦回采復(fù)雜條件下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

彭斌，肖利民

(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 前言

目前，我國(guó)大部分金屬礦山開(kāi)采已經(jīng)進(jìn)入500～1000 m開(kāi)采深度。許多老礦山為維持企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保礦山有足夠的生產(chǎn)能力，不得不提產(chǎn)擴(kuò)能，且對(duì)早期淺部沒(méi)有進(jìn)行回采的殘礦進(jìn)行資源回收與利用[1]。在此形勢(shì)下，只有擴(kuò)大生產(chǎn)范圍及大量增加作業(yè)面，形成多中段同時(shí)開(kāi)采作業(yè)的局面。開(kāi)采深度的增加，導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)變得十分復(fù)雜，像這類(lèi)兼有深部開(kāi)采和多作業(yè)區(qū)域的礦井，往往存在通風(fēng)動(dòng)力與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不匹配、中段風(fēng)量分配不平衡、內(nèi)部漏風(fēng)和串風(fēng)嚴(yán)重、深部作業(yè)環(huán)境溫度較高、井下輔扇眾多等一系列通風(fēng)問(wèn)題[2]。

1 礦山概況

某金礦位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，該礦山年產(chǎn)規(guī)模為36萬(wàn)t，現(xiàn)階段有893～575 m之間的8個(gè)中段進(jìn)行開(kāi)采，893 m中段以上正準(zhǔn)備進(jìn)行殘采作業(yè)，而575 m中段以下正在開(kāi)拓掘進(jìn)。井下現(xiàn)采用兩翼的1000 m井、400 m井同時(shí)進(jìn)風(fēng)，中央600 m井回風(fēng)，形成兩翼進(jìn)風(fēng)、中央回風(fēng)的抽出式通風(fēng)系統(tǒng)。

目前，在600 m井井口房一側(cè)安裝有1臺(tái)型號(hào)為DK40-6-№21/2×200 kW對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)。在千米井礦區(qū)725，675，625 m中段石門(mén)內(nèi)各安裝有1臺(tái) K40-4-№.10/30 kW 型軸流式風(fēng)機(jī)。另外，在725，675，625，575 m等4個(gè)中段至盲風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)各安裝有1臺(tái)K40-4-№.10/30 kW型風(fēng)機(jī)。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定評(píng)價(jià)與問(wèn)題分析

2.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查與評(píng)價(jià)

目前，該礦山井下作業(yè)范圍在不斷地?cái)U(kuò)大，開(kāi)采不斷向深部延伸，作業(yè)點(diǎn)不斷地變化。由于893 m以上的老采區(qū)的殘礦品位較高，具有較高的可采價(jià)值，將對(duì) 893 m 上部的 934，974，1014 m 和 1054 m中段進(jìn)行殘礦回采，575 m中段以下的525，475 m和375 m中段正在進(jìn)行開(kāi)拓掘進(jìn)作業(yè)，因此將會(huì)形成 15個(gè)中段同時(shí)作業(yè)的局面，導(dǎo)致井下通風(fēng)問(wèn)題不斷凸顯。特別是地表600 m井口的DK40-6-№21/2×200 kW 對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足深部的作業(yè)通風(fēng)需求，因此，需對(duì)該礦井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面地調(diào)查測(cè)定分析，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定指標(biāo)統(tǒng)計(jì)[3]

由表1可知，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為63.9%，屬于不合格，且風(fēng)質(zhì)合格率、有效風(fēng)量率、風(fēng)量供需比等多項(xiàng)指標(biāo)不合格，說(shuō)明井下整體通風(fēng)系統(tǒng)存在較多的問(wèn)題。

2.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)問(wèn)題分析

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及測(cè)定結(jié)果看，礦井通風(fēng)系統(tǒng)目前主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）通風(fēng)系統(tǒng)綜合指標(biāo)C不合格，整體通風(fēng)能力偏弱。根據(jù)測(cè)定評(píng)價(jià)結(jié)果，該礦井通風(fēng)系統(tǒng)綜合指標(biāo)C為63.9%，屬于不合格，說(shuō)明該礦井通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足井下作業(yè)通風(fēng)要求。礦井風(fēng)量供需比不合格，說(shuō)明風(fēng)量的供需基本不平衡，而有效風(fēng)量率偏低，說(shuō)明漏風(fēng)嚴(yán)重，主要原因?yàn)橥L(fēng)阻力大且礦井內(nèi)部調(diào)控不到位。

（2）現(xiàn)有主扇風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量無(wú)法滿足井下生產(chǎn)需求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的結(jié)果可知，600 m井井口風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為81.7 m3/s，已經(jīng)不能滿足井下的99.7 m3/s的作業(yè)通風(fēng)需求。

（3）千米井礦區(qū)深部通風(fēng)阻力大，通風(fēng)困難，進(jìn)回風(fēng)段都裝有風(fēng)墻輔扇，不利于風(fēng)流調(diào)控。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，千米井礦區(qū)深部最長(zhǎng)通風(fēng)線路將近4000 m，深部通風(fēng)阻力大，通風(fēng)困難。

千米井礦區(qū) 1000 m 井的 725，675 m 和 625 m中段的石門(mén)和盲風(fēng)井的回風(fēng)道內(nèi)都安裝了K40-4-№.11/30 kW輔扇，并且都設(shè)置有風(fēng)門(mén)。在進(jìn)回風(fēng)道安裝帶風(fēng)門(mén)的輔扇，將增加系統(tǒng)通風(fēng)阻力，不利于井下風(fēng)流的調(diào)控。

（4）井下存在多個(gè)內(nèi)部循環(huán)、污風(fēng)串聯(lián)以及風(fēng)流短路等問(wèn)題。由于井下輔扇安裝較多，又設(shè)置在主運(yùn)輸巷道內(nèi)，管理困難，容易造成污風(fēng)內(nèi)部循環(huán)。575 m中段向1000 m井方向反風(fēng)，反風(fēng)量達(dá)到24.71 m3/s。且893 m中段以上存在多個(gè)空區(qū)漏風(fēng)，導(dǎo)致下部中段回風(fēng)量小。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

3.1 礦井總需風(fēng)量計(jì)算

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及測(cè)定井下的作業(yè)安排，礦井總風(fēng)量需要考慮漏風(fēng)、風(fēng)量不均衡和調(diào)整不及時(shí)等因素，在礦井需風(fēng)量的基礎(chǔ)上乘以一定的礦井漏風(fēng)備用系數(shù)K。由于該金礦井下開(kāi)拓系統(tǒng)比較復(fù)雜，作業(yè)面分布范圍廣，內(nèi)部風(fēng)流擴(kuò)散范圍大，經(jīng)綜合考慮后，取本礦井漏風(fēng)備用系數(shù)為 1.2。因此，本礦井總需風(fēng)量為：Qt=99.7 m3/s。773 m及以下需風(fēng)量為 68.4 m3/s，773 m 中段以上需風(fēng)量為 31.3 m3/s。

3.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

本文從系統(tǒng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)動(dòng)力以及通風(fēng)構(gòu)筑物等方面進(jìn)行優(yōu)化研究[4]。

3.2.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)宏觀方案構(gòu)建

根據(jù)井下的實(shí)際需求，綜合考慮利用現(xiàn)有的1000 m井和400 m井進(jìn)風(fēng)。考慮到整體通風(fēng)系統(tǒng)的線路長(zhǎng)阻力大，且需兼顧893 m中段以上區(qū)域的殘采通風(fēng)、525 m及以下的開(kāi)拓掘進(jìn)及生產(chǎn)作業(yè)通風(fēng)需求等，對(duì)該礦井下構(gòu)建主風(fēng)井兩級(jí)大主扇+構(gòu)筑物通風(fēng)調(diào)控方案，即考慮在773 m中段總回風(fēng)道（即深部總回風(fēng)道）設(shè)置大風(fēng)壓主扇負(fù)責(zé)深部的通風(fēng)，在600 m井井口新安裝1臺(tái)大風(fēng)量風(fēng)機(jī)接力深部回風(fēng)，并兼顧893 m中段以上的殘采回風(fēng)需求，從而形成兩級(jí)接力風(fēng)機(jī)機(jī)站回風(fēng)，整體通風(fēng)系統(tǒng)形成中央回風(fēng)、兩翼進(jìn)風(fēng)的中央對(duì)角式回風(fēng)系統(tǒng)。

3.2.2 地表主扇風(fēng)機(jī)的選擇與復(fù)核

通過(guò)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)主風(fēng)井兩級(jí)大主扇+構(gòu)筑物通風(fēng)調(diào)控方案，結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)需風(fēng)量計(jì)算，考慮將原600 m 井地表DK40-6-№21/2×200 kW 風(fēng)機(jī)搬遷至773 m總回風(fēng)道內(nèi)，并在600 m井井口增設(shè)1臺(tái)大風(fēng)量主扇。通過(guò)對(duì)整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的最長(zhǎng)通風(fēng)線路和最短通風(fēng)線路進(jìn)行阻力計(jì)算，在計(jì)算阻力過(guò)程中并考慮最熱月與最冷月自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)的影響。計(jì)算礦井通風(fēng)系統(tǒng)總阻力，對(duì)原風(fēng)機(jī)進(jìn)行復(fù)核以及對(duì)600 m井井口風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型。最終通風(fēng)阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 礦井通風(fēng)總阻力計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上述計(jì)算的通風(fēng)阻力，在考慮風(fēng)機(jī)備用系數(shù)以及風(fēng)阻局部阻力的情況下計(jì)算管網(wǎng)通風(fēng)阻力系數(shù)。初步確定 600 m 井井口安裝 1臺(tái) DK45-6-№.20型對(duì)旋軸流式風(fēng)機(jī)。并對(duì)新選定風(fēng)機(jī)及773 m總回風(fēng)道原風(fēng)機(jī)進(jìn)行校核。校核風(fēng)機(jī)工況特性曲線分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 600 m井井口風(fēng)機(jī)工況曲線

圖2 773 m總回風(fēng)道風(fēng)機(jī)工況曲線

通過(guò)校核上述主扇工況點(diǎn)特性曲線，得到各個(gè)風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)參數(shù)，見(jiàn)表3。由表3可知，各個(gè)風(fēng)機(jī)工況能滿足井下生產(chǎn)作業(yè)的通風(fēng)需求。

表3 主扇工況點(diǎn)參數(shù)

3.2.3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

在確定600 m井井口和773 m中段風(fēng)機(jī)的情況下，需對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行具體調(diào)控，使風(fēng)流能合理分配到各個(gè)中段且有效進(jìn)入到各個(gè)作業(yè)面，解決新風(fēng)短路、污風(fēng)循環(huán)等問(wèn)題，具體優(yōu)化調(diào)控措施如下。

（1）將原安裝在1000 m井各中段石門(mén)和盲回風(fēng)井回風(fēng)道的帶風(fēng)墻輔扇K40-4-№.10/30 kW風(fēng)機(jī)進(jìn)行停運(yùn)，在作業(yè)區(qū)域集中的地方采用通風(fēng)構(gòu)筑物和局扇進(jìn)行調(diào)控。

（2）采一礦區(qū)（934～773 m）采用400 m井進(jìn)風(fēng)，經(jīng)934 m中段主運(yùn)輸巷和中段斜坡道進(jìn)入下部 893 m、853 m 和 813 m 中段，最終通過(guò) 600 m井排出地表。

（3） 千米井礦區(qū)新掘回風(fēng)天井675 m與625 m中段主巷采用增阻引導(dǎo)調(diào)節(jié)方案。在725，675，625 m和575 m的回風(fēng)道內(nèi)設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，控制中段回風(fēng)量，在642 m中段西側(cè)掘進(jìn)回風(fēng)天井貫通至625 m中段回風(fēng)道（調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)內(nèi)側(cè)），通過(guò)中段回風(fēng)道增阻將風(fēng)流引導(dǎo)至作業(yè)分層； 934 m 以上區(qū)域，600 m井采用集中回風(fēng)+新增E10回風(fēng)天井方案；在934～1054 m各中段間E10線附近新增1條回風(fēng)天井，用于934 m以上殘采區(qū)域污風(fēng)匯集后回至934 m中段600 m井石門(mén)，再匯入600 m井內(nèi)，與934 m以下深部污風(fēng)匯合后，統(tǒng)一經(jīng)600 m井井口主扇抽排至地表。根據(jù)934～1054 m殘采區(qū)域的礦柱回采方案，E10回風(fēng)天井采取逐中段往上掘進(jìn)，以減少基建時(shí)間及基建投入。

（4）經(jīng)本次優(yōu)化后，井下總共增加了 3臺(tái)風(fēng)機(jī)，在 934 m 中段 600 m 風(fēng)井回風(fēng)道增設(shè) 1臺(tái)K40-6-№.12/15 kW 軸流風(fēng)機(jī)，853 m 和 813 m 中段600 m風(fēng)井回風(fēng)道內(nèi)分別增設(shè)1臺(tái)K40-6-№.11/7.5 kW軸流風(fēng)機(jī)。本礦井須新增手動(dòng)風(fēng)門(mén)10扇、自動(dòng)風(fēng)門(mén)3扇、調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)6扇，密閉墻4道。

4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)踐與分析

為確保優(yōu)化技術(shù)的可靠性，采用三維仿真模擬軟件進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算[5]，從網(wǎng)絡(luò)解算模擬優(yōu)化措施能否滿足井下的通風(fēng)需求[6]。由于現(xiàn)場(chǎng)情況的復(fù)雜性及不確定性，在優(yōu)化措施實(shí)踐過(guò)程中需不斷地進(jìn)行調(diào)試，使其進(jìn)一步完善，以達(dá)到最佳通風(fēng)狀態(tài)。通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算兩級(jí)風(fēng)機(jī)工況曲線見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 600 m井井口風(fēng)機(jī)工況曲線

圖4 773 m總回風(fēng)道風(fēng)機(jī)工況曲線

優(yōu)化措施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐完成后，對(duì)整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行一次完整的測(cè)定。并將測(cè)定結(jié)果與通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體比較結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 設(shè)計(jì)、解算與實(shí)測(cè)風(fēng)量對(duì)比

由表4可知，優(yōu)化措施實(shí)踐后，測(cè)定的通風(fēng)系統(tǒng)總進(jìn)風(fēng)量達(dá)到106.6 m3/s，能滿足設(shè)計(jì)的99.7 m3/s的生產(chǎn)通風(fēng)需求，說(shuō)明優(yōu)化措施達(dá)到了預(yù)期的效果，且各個(gè)中段的實(shí)際進(jìn)風(fēng)量與設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量基本持平。雖然個(gè)別中段的進(jìn)風(fēng)量略小于設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量，但設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量考慮了一定的備用系數(shù)，實(shí)際進(jìn)風(fēng)量能滿足通風(fēng)需求。實(shí)測(cè)風(fēng)量基本符合解算風(fēng)量的數(shù)據(jù)，說(shuō)明此次通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算的可行度較高，具有一定的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)性[7]。

5 結(jié)論

（1）隨著開(kāi)采深度的不斷延伸，通風(fēng)變得越來(lái)越復(fù)雜，特別是開(kāi)采多年的老礦山。礦山原有的通風(fēng)方式、通風(fēng)主扇以及調(diào)控措施等都無(wú)法滿足現(xiàn)有生產(chǎn)通風(fēng)需求，對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究勢(shì)在必行，也是保障井下安全生產(chǎn)的必然舉措。

（2）現(xiàn)有老礦山由于早期采選技術(shù)的不成熟，往往只開(kāi)采富礦體。在如今具有更為先進(jìn)的采選技術(shù)趨勢(shì)下，對(duì)老采區(qū)的殘礦進(jìn)行回采是保障資源高效利用的重要舉措。在此形勢(shì)下，勢(shì)必造成礦山全面作業(yè)的趨勢(shì)，保障殘采區(qū)域的有效通風(fēng)也是重中之重。

（3）對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，首先需對(duì)礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查測(cè)定，找出存在的問(wèn)題以及產(chǎn)生問(wèn)題的原因。通過(guò)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化理論與優(yōu)化技術(shù)展開(kāi)研究，確定合理的優(yōu)化措施，建立通風(fēng)系統(tǒng)三維仿真模型進(jìn)行解算，以及對(duì)系統(tǒng)的不斷調(diào)試是確保優(yōu)化技術(shù)安全可靠的重要技術(shù)支撐。