改擴建高山礦井通風系統優化設計與研究

彭 斌

（1.長沙礦山研究院有限責任公司；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室）

高山礦一般采用平硐+斜坡道（斜井）的開拓方式，根據生產的需要，會在不同的中段開拓多個通達地表的平硐，以滿足生產的需要，形成多條不同高差的進風井口和回風井口，形成極其復雜的生產系統［1-2］。隨著開采的推進，高山礦井通風系統的管理工作也越來越困難。當環境溫度產生較大變化時，將會形成很大的自然風壓影響井下的通風［3-4］。特別是對于改擴建的老礦井，現有的通風系統已經無法適用改擴建后的生產通風需求，且通風問題頻出，影響生產作業安全。因此，對通風系統進行優化設計勢在必行［5］。

1 工程概況

1.1 通風系統現狀

湖南某高山礦井通風系統采用兩翼對角通風方式。現主要進風口為490 m紅旗大巷、490 m汽運大巷、518 m西部斜井、西北平巷和太平里巷，上部的620 m平硐和最低385 m水平有軌運輸平硐。

礦井主要的回風井口有586 m回風平硐、470 m回風平硐、490 m回風平硐和536 m回風平硐，東回風井已經停用（586 m回風平硐內未安裝主扇）。470 m回風平硐主要服務407～470 m水平。490 m回風平硐主要負責490 m水平西北部作業區域、放礦及上部水平部分下來的污風排放。470 m回風平硐和490 m回風平硐內各安裝1臺FKZ40-6-№.22型250 kW風機。536 m回風平硐主要負責536m水平西北部0#盤區作業區域污風排放，安裝1臺FKZ40-8-№.20型75 kW風機。

由于礦山長期采用分段鑿巖階段礦房法進行采礦且未進行充填，在470 m水平以上已經形成大量的采空區，嚴重影響礦井的通風安全。特別是在炎熱的夏季，地表和井下溫差較大，產生的自然風壓已經對通風系統產生嚴重影響，甚至在385 m有軌運輸平硐產生反風問題。

1.2 通風系統問題分析

礦山在改擴建后，整個通風系統產生了很大變化，特別是井下增加大量的作業面，現有通風系統已經無法滿足改擴建后的生產通風需求。通過對井下通風系統進行全面地測定與調查，礦井通風系統存在主要問題如下所述：

（1）通風系統無法滿足改擴建后的通風需求。經測定，礦井總回風量為243.6 m3/s，已經無法滿足改擴建后247.5萬t/a生產規模的通風需求。其主要原因為586 m回風平硐內未安裝主扇，導致礦井整體的回風量不足。

（2）采空區未充填，漏風、短路問題嚴重。由于礦山長期采用分段鑿巖階段礦房法回采礦石，未及時對采空區進行充填處理，導致470 m水平以上形成大量的采空區，且各采空區之間相互連通，導致井下出現風流短路、漏風、串聯風等問題，嚴重影響礦井生產作業通風安全。

（3）自然風壓影響大，深部平硐反風。礦山為高山礦，采用平硐+盲斜井開拓，最高的620 m平硐為進風平硐，最低385 m無軌運輸巷道也為進風平硐，各個井口高差大。在夏季時期，地表和井下形成較大的溫差，很容易形成大的自然風壓。現有風機的通風動力無法有效克服夏季嚴重的自然風壓動力，導致深部385 m無軌運輸巷道反風，反風量達到35 m3/s，甚至490 m的運輸大巷也出現反風現象，反風量為15 m3/s。

（4）東部和北部生產作業通風條件差。由于礦井北部缺少完善的中段通風井巷，490 m回風平硐風機無法服務北部的作業區域，導致北部作業區域的進回風困難。且東回風井586 m回風平硐內缺少主扇，東部作業區域無法有效回風，導致東部作業區域回風困難，作業區域通風條件差。

因此，針對本礦井通風系統存在的問題，進行優化設計已勢在必行。必須完善通風網絡、優化主通風設備和增設通風構筑物等措施，確保改擴建后的通風系統能滿足未來的正常生產通風需求。

2 礦井需風量復核

根據《金屬非金屬礦山安全規程》的要求，硐室型采場不小于0.15 m/s，巷道型采場和掘進巷道不小于0.25 m/s，電耙道和二次破碎巷道不小于0.5 m/s［6］。結合同時作業的不同工作面類型和數量，按排塵風速計算的各工作面需風量以及礦井總需風量。一般按采場、掘進作業面、鏟裝運作業面和各類需風硐室的排塵風速要求計算礦井總需風量。計算的具體結果詳見表1。

取內部漏風系數為1.15、外部漏風系數為1.10，則總漏風系數K≈1.27，確定礦井通風系統總需風量為329 m3/s，年產萬噸耗風量比為1.33 m3/s。

3 高山礦井通風系統優化設計

3.1 通風優化宏觀方案

針對礦井通風系統存在問題、通風現狀以及改擴建后長遠規劃，考慮采用中央多井進風、兩翼回風井回風的兩翼對角抽出式通風方式。利舊現有的進風井和回風井，并重新啟用586 m回風平硐進行回風。

礦山在改擴建后，主要解決礦井通風系統回風量不足、東部和北部生產作業通風條件差、內部漏風和風流短路以及自然風壓影響等問題。因此，在現有風機不變的情況下，考慮在586 m回風平硐內新增合適風機，增加礦井回風量，重新規劃通風線路，簡化通風網絡，設置通風構筑物等，設計采用嗣后充填法逐步對現有的采空區進行充填處理。

3.2 通風優化設計方案

基于上述通風優化宏觀方案，通過采用相應的優化設計措施，需達到增加回風量，控制新風短路、漏風和串聯風以及自然風壓等目標［7］。綜合礦井通風系統存在的問題和改擴建后長遠規劃，具體通風優化設計方案如下所述。

（1）完善通風網絡。根據開拓系統布置情況、開采現狀及采礦方法，采用中央多井進風、兩翼回風的兩翼對角抽出通風方式，并重新啟用586 m回風平硐進行回風。為完善井下局部區域的回風網絡，將470～385 m中段的3#措施井、4#管道井改造為深部中段進風井，縮短深部中段的進風線路。利舊主運輸斜坡道和385 m無軌運輸巷道作為470 m以下中段的輔助進風通道。為加強385 m中段東部放礦點的回風，東回風井延伸至385 m中段。為解決礦井北部的回風問題，將490 m中段以上北部的N2溜井、N4溜井進行擴刷，擴刷斷面尺寸均為2 m×2 m，將其改造為610～490 m中段北部作業區域的回風井，用于北部采區的回風。

（2）控制自然風壓。由于該礦的進風井和回風井井口存在很大的高差，當井下和地表存在較大溫差時，就會產生自然風壓［8］。該礦的最高平硐標高為620 m，最低平硐標高為385 m，且井下存在大量相互連通的采空區。礦區井下平均氣溫為17℃，最熱月最高氣溫35℃，最冷月平均氣溫4℃。自然風壓計算如下［8］：

式中，k為修正系數，k=1+（Z/10 000）；Z為由井口到井底最深處的深度，m；P0為井口氣壓，Pa；T1、T2為進、出風井的平均絕對溫度，K。

通過計算，夏季最熱月礦井的自然風壓值為-112.5 Pa，冬季最冷月礦井的自然風壓值為61.2 Pa。從計算結果可知，其夏季自然風壓不利于礦井通風，冬季自然風壓有助于礦井通風。況且在夏季炎熱時期，現有風機無法有效克服礦井的自然風壓的影響。

為解決自然風壓對礦井通風系統帶來的影響，結合本次改擴建采用的嗣后充填采礦法，將會對已形成的采空區進行處理規劃。因此，此次優化設計將對各個中段的采空區的聯絡巷采取設置永久密閉墻、風門或者臨時密閉的措施。為解決自然風壓對通風系統的影響，將對多個中段的采空區聯絡巷采取設置密閉墻、臨時密閉的措施。在未來的生產活動中還需合理規劃生產作業面，避免太多的采空區相連通，對控制自然風壓帶來不利影響。

（3）新增主扇，增加回風量。通風量不足是影響井下通風安全的重要因素，改擴建后現有的主扇已經無法滿足329 m3/s的生產通風需求，因此必須啟用已經停用的東回風井，并在東回風井的586 m回風平硐內安裝一臺主扇。基于東部區域的作業安排，對東回風井分配88 m3/s的回風量，最低服務中段為385 m中段。對風機選型時分別計算礦井困難和容易時期的通風總阻力（包含考慮自然風壓的影響）。經過計算，東回風井在困難時期和容易時期的通風總阻力分別為1 102和871.5 Pa。根據風量分配和通風總阻力計算結果，初步選定1臺FKZ40-6-№.22型250 kW風機，風機風量范圍為61.3～113.4 m3/s，風壓范圍為372～1 716 Pa。

（4）通風構筑物優化設計。為保證坑內風流暢通、合理分配，需在井下設置風門、調節風門、密閉等構筑物。在生產過程中，須靈活應用風門、風窗、風墻等通風設施調節風流，及時對開采完畢的中段的回風道進行封閉，確保新鮮風進入下部中段，以滿足安全生產需要。

4 礦井通風系統網絡解算

Ventsim是一款專業的多功能通風系統三維仿真軟件，適應性較廣，適用于復雜礦山通風系統以及多級機站通風系統的優化，可以快速選擇風機型號，科學合理地確定風機位置、風機的葉片安裝角和風機頻率等。可將通風網絡進行三維動態圖形展示和網絡模擬解算，從而驗證通風優化設計方案的合理性和預期效果［9］。

此次優化設計將對470 m回風平硐和490 m回風平硐內分別安裝的FKZ40-6-№.22型250 kW的風機、536 m回風平硐內的FKZ40-8-№.20型75 kW的風機和東回風井586 m回風平硐內新增的FKZ40-6-№.22型250 kW風機進行模擬解算。模擬后的風機工況詳見表2。

通過網絡解算（表3），礦井通風系統的總回風量為349.8 m3/s，總進風量為349.8 m3/s。

5 結語

（1）對改擴建礦井通風系統進行優化設計，必須要全面調查礦井通風系統現狀，掌握礦井通風系統主進風井、主回風井和主扇等主要通風工程的參數，以利于對通風系統進行科學、準確的優化設計。

（2）一般高山礦的進、回風井井口標高都存在很大的高差，從而形成較大自然風壓。特別是對于復雜的改擴建的高山礦，在對改擴建礦井通風系統進行優化設計時，必須簡化通風網絡，合理規劃通風線路，對井下的采空區和廢棄巷道等采取相應的封閉措施，并利用主扇動力克服自然風壓。

（3）采用Ventsim軟件對改擴建通風系統進行三維建模及網絡解算，將有助于對礦井系統的優化設計。通過對該礦通風系統進行網路解算，總進風量為349.8 m3/s。預期本次優化設計后的進風量可以滿足井下生產通風需求，控制井下自然風壓，解決平硐反風問題，改善作業環境。