某金礦深部通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

丁文軍　李廣輝　丁志浩

(1.招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦；2.煙臺(tái)市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院)

?

某金礦深部通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

丁文軍1李廣輝1丁志浩2

(1.招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦；2.煙臺(tái)市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院)

摘要隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大及服務(wù)年限的延長(zhǎng)，某金礦井下回風(fēng)斷面小，工作面有效風(fēng)量小，溫度高，工人作業(yè)環(huán)境差，影響井下安全生產(chǎn)。通過對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)檢測(cè)，確定對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。投入300萬元、用時(shí)80 d全面完成了改造。經(jīng)檢測(cè)，風(fēng)量合格率、風(fēng)質(zhì)合格率及工作面溫度合格率均達(dá)到100%，且理順了風(fēng)流通道，工人工作條件得到明顯改善。

關(guān)鍵詞通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)質(zhì)風(fēng)量?jī)?yōu)化改造

通風(fēng)系統(tǒng)在礦山安全生產(chǎn)中起到至關(guān)重要的作用，是向井下各作業(yè)地點(diǎn)供給新鮮空氣、排出污染空氣的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和通風(fēng)動(dòng)力以及通風(fēng)控制設(shè)施等構(gòu)成的工程體系[1]。無論新舊礦井，都應(yīng)把建立和完善礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為保護(hù)工人健康、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的一項(xiàng)重要措施。

某金礦生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，開采朝著深部和周圍延伸。隨著作業(yè)面的增加，以及礦井作業(yè)面分布的變化，礦井總需風(fēng)量以及各中段分風(fēng)量不斷變化，礦井通風(fēng)阻力及其分布也不斷變化，導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，總供風(fēng)量不足，回風(fēng)斷面小[2]。加之風(fēng)流管理存在的問題，致使井下工作面有效風(fēng)量小，有毒有害物質(zhì)濃度高、溫度高，工人工作環(huán)境較差，給井下安全生產(chǎn)造成很大的不利因素。因此，急需對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

1　開采現(xiàn)況和通風(fēng)系統(tǒng)

1.1開采現(xiàn)況

該礦目前日產(chǎn)礦量800 t，采用上向水平分層充填采礦方法，最低開采深度-860 m，主井地表標(biāo)高30 m，采深達(dá)890 m，屬深井礦山。

1.2通風(fēng)系統(tǒng)

礦井采用兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)，主豎井和徐家疃豎井為主要進(jìn)風(fēng)井，南風(fēng)井為主要回風(fēng)井。

1.2.1主要進(jìn)風(fēng)路線

(1)徐家疃豎井進(jìn)風(fēng)風(fēng)流分為三部分:一部分直接進(jìn)入徐家疃深部采區(qū)，另一部分由-620 m水平大巷送至上莊礦區(qū)深部采區(qū)，剩余部分由303盲豎井和導(dǎo)段天井送至上莊礦區(qū)的中部采區(qū)。

(2)380主豎井新鮮風(fēng)經(jīng)由九中段導(dǎo)段進(jìn)入366盲豎井，再由366盲豎井送至-620 m水平，隨后進(jìn)入大巷與徐家疃新風(fēng)匯合，流至上莊礦區(qū)深部采區(qū)。

1.2.2主要回風(fēng)路線

上莊礦區(qū)深部采區(qū)污風(fēng)由401斜井送至-590 m 水平，再由各導(dǎo)段天井和351盲豎井送至-350 m水平;上莊礦區(qū)中部采區(qū)和徐家疃深部采區(qū)污風(fēng)經(jīng)由303盲豎井和導(dǎo)段天井送至-350 m水平。兩股污風(fēng)在-350 m水平匯合，分別經(jīng)由導(dǎo)段天井、輔助提升井、327盲豎井送至九中段再次匯合，由導(dǎo)段天井送至六中段，經(jīng)南風(fēng)井送至地表(見圖1)。

2　現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題

①隨著作業(yè)面的增加，總供風(fēng)量遠(yuǎn)低于生產(chǎn)能力需求；②深部采區(qū)工作面溫度高，沒有足夠風(fēng)量降低溫度；③回風(fēng)井巷斷面小，尤其是南風(fēng)井回風(fēng)量已接近極限風(fēng)速；④礦井進(jìn)、回風(fēng)巷道風(fēng)流紊亂，循環(huán)風(fēng)、漏風(fēng)嚴(yán)重。加之395盲豎井、401盲斜井將-590 m 水平與-620 m水平貫通，且未添加任何通風(fēng)構(gòu)筑物，導(dǎo)致污風(fēng)經(jīng)由395盲豎井再次進(jìn)入深部礦區(qū)，形成循環(huán)風(fēng)；⑤風(fēng)流路線長(zhǎng)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，通風(fēng)構(gòu)筑物不完善，以致風(fēng)流控制不好，污染井下作業(yè)環(huán)境和人員健康；⑥放置于南風(fēng)井處的風(fēng)機(jī)風(fēng)量較小，風(fēng)壓較大，風(fēng)機(jī)效率低，風(fēng)機(jī)性能得不到有效利用[3]，造成資源浪費(fèi)，增加了采礦成本，影響礦山效益；⑦同一分層前、后工作面污風(fēng)串聯(lián)，存在中毒窒息事故的隱患。

圖1　上莊礦區(qū)改造前通風(fēng)系統(tǒng)示意

2.1礦井總進(jìn)、回風(fēng)量評(píng)價(jià)

(1)經(jīng)計(jì)算，該礦所需總風(fēng)量為82.80 m3/s。而通風(fēng)系統(tǒng)總進(jìn)風(fēng)41.80 m3/s，總回風(fēng)47.62 m3/s，總供風(fēng)量遠(yuǎn)低于生產(chǎn)能力需求。

(2)該礦主要回風(fēng)井為南風(fēng)井和導(dǎo)段天井。其中南風(fēng)井井筒直徑為2.50 m，斷面面積為4.91 m2，風(fēng)速10.52 m/s；各導(dǎo)段天井規(guī)格為1.8 m×1.8 m，斷面面積為3.24 m2，風(fēng)速15.95 m/s。而礦山安全規(guī)程規(guī)定，專用回風(fēng)井風(fēng)速不得超過15.00 m/s。

(3)上莊礦區(qū)深部采區(qū)的部分新風(fēng)由徐家疃豎井經(jīng)-620 m水平大巷輸送，風(fēng)流路線過長(zhǎng)，導(dǎo)致大量損失，風(fēng)流溫度升高，無法達(dá)到深部通風(fēng)降溫的效果[4]。同時(shí)徐家疃深部采區(qū)缺少專用的回風(fēng)井巷，導(dǎo)致污風(fēng)進(jìn)入-620 m水平與新風(fēng)混合，污染送往上莊礦區(qū)的新鮮風(fēng)流，影響風(fēng)流風(fēng)質(zhì)。

2.2礦井主要風(fēng)機(jī)工作狀況評(píng)價(jià)

(1)按《金屬非金屬礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范》的要求，主力風(fēng)機(jī)的全壓效率要達(dá)到70%，南風(fēng)井風(fēng)機(jī)全壓效率最高為60%，靜壓效率為59%,達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)南風(fēng)井井底風(fēng)機(jī)型號(hào)為K40-6-No21，葉片安裝角35°，合理工作范圍內(nèi)的風(fēng)量為50～90 m3/s，風(fēng)壓為889～2 666 Pa。經(jīng)測(cè)定，本臺(tái)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)量為47.62 m3/s，風(fēng)壓2 775.8 Pa。由風(fēng)機(jī)特性曲線可知，這臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量較小，風(fēng)壓較大，風(fēng)機(jī)效率未能達(dá)到規(guī)范要求，風(fēng)機(jī)性能得不到有效利用。

3　通風(fēng)系統(tǒng)改造

該礦上莊礦區(qū)目前采用統(tǒng)一通風(fēng)系統(tǒng)，為了解決井下空氣溫度高和可靠性，將現(xiàn)有的統(tǒng)一通風(fēng)系統(tǒng)改造成兩個(gè)分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，即東采區(qū)分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)和西采區(qū)、中采區(qū)分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)。東部分區(qū)通風(fēng)重點(diǎn)解決井下空氣高溫和風(fēng)量不足問題，考慮到中部采區(qū)2～3 a即將結(jié)束，西、中部分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)暫不做大的變動(dòng)。

3.1風(fēng)量計(jì)算

由于東部采區(qū)采深已達(dá)到900 m，為深井開采，宜采取加大工作面風(fēng)速的方法實(shí)現(xiàn)降溫[5]。依據(jù)《金屬非金屬地下礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范》(通風(fēng)系統(tǒng))規(guī)定，東部采區(qū)采深最大，每個(gè)掘進(jìn)工作面風(fēng)速暫取1 m/s，每個(gè)采場(chǎng)風(fēng)量暫取7 m3/s；西部采區(qū)每個(gè)掘進(jìn)工作面風(fēng)速暫取0.5 m/s，每個(gè)采場(chǎng)風(fēng)量暫取5.5 m3/s；中部采區(qū)工作面深度不大，每個(gè)掘進(jìn)工作面風(fēng)速選取0.25 m/s，每個(gè)采場(chǎng)風(fēng)量取2 m3/s。

由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)是由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的動(dòng)態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)[6]，存在內(nèi)外漏風(fēng)、分風(fēng)不均衡等多種不可準(zhǔn)確估計(jì)的因素，優(yōu)化方案中風(fēng)量備用系數(shù)取1.1。經(jīng)計(jì)算:東部采區(qū)風(fēng)量合計(jì)55 m3/s；西部和中部采區(qū)風(fēng)量合計(jì)60 m3/s。

3.2通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

3.2.1東部采區(qū)

東部采區(qū)工作面新風(fēng)由380主豎井輸送至六中、九中，經(jīng)366盲豎井送至-620 m平巷，再經(jīng)395盲井送至工作面。污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)斜井送至-590 m平巷，經(jīng)導(dǎo)段天井到達(dá)-500 m平巷，再依次經(jīng)過351盲豎井、十三中平巷、輔助提升井、九中平巷、導(dǎo)段天井和主斜井，排至地表(圖2)。

圖2　東部采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)示意通風(fēng)線路為：1—2—3—5—6—7—8—9—10—11—12—13—14—15—16—17—18

3.2.2西部、中部采區(qū)

目前西部采區(qū)主要集中在290盲豎井深部，中部采場(chǎng)主要分布在-470，-500，-530，-560 m 4個(gè)中段，中部新鮮風(fēng)流由297豎井進(jìn)風(fēng)。在現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，為了不使西部采區(qū)的污風(fēng)污染中部各分段，設(shè)計(jì)風(fēng)路如下：

西部風(fēng)流由297豎井進(jìn)至-760 m水平后，由粉礦回收巷、290天井進(jìn)到西部各深部采區(qū)，污風(fēng)經(jīng)采場(chǎng)天井、-590 m水平巷道、303盲豎井、上部中段天井到達(dá)六中后，由南風(fēng)井送至地表。

中部采區(qū)的新鮮風(fēng)流由297豎井進(jìn)至-620 m大巷后，再經(jīng)中段天井到達(dá)-560，-530，-500，-470 m 各中段采場(chǎng)內(nèi)，污風(fēng)由-470 m大巷回至303盲豎井，最后由南風(fēng)井排出，其中-470 m工作面的新風(fēng)和污風(fēng)由局部通風(fēng)解決(見圖3)。

為了防止污風(fēng)串聯(lián)，上莊礦井各水平需進(jìn)行后退式開采，這對(duì)中部采區(qū)的-470，-500，-530，-560 m 水平開采更為重要，而且要保持上部水平的回采超前下部水平。為了解決-530 m水平的新風(fēng)供給問題，需將該水平的平巷掘通到316線的導(dǎo)段天井處。

3.3井巷風(fēng)速校核

根據(jù)通風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)量要求，凡風(fēng)速不合格的巷道均需擴(kuò)幫。

東部采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)井巷中-620 m平巷和九中至七中回風(fēng)天井井巷風(fēng)速不符合,需校核。西部及中部采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)井巷中南風(fēng)井六中聯(lián)絡(luò)巷處風(fēng)速正好處于極限風(fēng)速的邊緣，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)幫。

圖3　西部、中部通風(fēng)系統(tǒng)示意

第一條通風(fēng)線路風(fēng)流節(jié)點(diǎn)：1—3—4—5—6—12—13—19—20—21—22—23—24—25—26—27—28；第二條通風(fēng)線路風(fēng)流節(jié)點(diǎn)：1—2—10—14—15—16—17—18—19—20—21—22—23—24—25—26—27—28。

4　通風(fēng)系統(tǒng)改造

4.1工程量及費(fèi)用

東部采區(qū)，西部、中部采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)改造實(shí)際施工工程量及費(fèi)用見表1。

4.2通風(fēng)構(gòu)筑物

為了保證風(fēng)流沿設(shè)計(jì)路線流動(dòng)，需要添加相應(yīng)的通風(fēng)構(gòu)筑物[7]。由于主斜井出口段在工業(yè)區(qū)內(nèi)，應(yīng)采取密閉措施進(jìn)行高空排放。共需構(gòu)筑27個(gè)雙層風(fēng)門，7個(gè)單層風(fēng)門，43個(gè)風(fēng)門需要封閉(見圖4)。修建各種通風(fēng)構(gòu)筑物共需費(fèi)用20.6萬元。

表1　東部、西部、中部采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)工程量及費(fèi)用

5　改造后系統(tǒng)測(cè)評(píng)

5.1通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)施情況

優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分區(qū)通風(fēng)，西部和中部為一個(gè)分區(qū)，東部為一個(gè)分區(qū)。東部采區(qū)對(duì)-620 m 進(jìn)行了擴(kuò)幫，對(duì)部分回風(fēng)天井進(jìn)行疏通，并按照設(shè)計(jì)施工了通風(fēng)構(gòu)筑物。在9中安裝了一臺(tái)FDCZ(A)-6-No20 2×250 kW風(fēng)機(jī)。

(1)東部分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)。380主豎井進(jìn)風(fēng)，風(fēng)流經(jīng)六中和九中兩個(gè)水平進(jìn)入366盲豎井，經(jīng)-620 m水平至395盲豎井進(jìn)入-740和-780 m工作水平。污風(fēng)經(jīng)采場(chǎng)天井回至-590 m，經(jīng)導(dǎo)段天井進(jìn)入351盲井、341盲井，經(jīng)斜井排至地表。風(fēng)流按照設(shè)計(jì)有序流動(dòng)，尤其是366盲豎井由改造前回風(fēng)變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)，該處的溫度明顯降低，氣溫明顯改善。

(2)西部、中部分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)。西部風(fēng)流由徐家疃豎井進(jìn)至-760 m中段后，經(jīng)290天井進(jìn)到西部各深部采區(qū)，污風(fēng)經(jīng)采場(chǎng)天井、-590 m水平巷道、303盲豎井、上部中段天井到達(dá)六中、再經(jīng)風(fēng)機(jī)、南風(fēng)井送至地表。

圖4　上莊礦區(qū)改造后通風(fēng)系統(tǒng)示意

中部采區(qū)的新鮮空氣也由徐家疃豎井進(jìn)入，至-620 m大巷后，經(jīng)中段天井到達(dá)-560,-530,-500,-470 m各中段采場(chǎng)內(nèi)。污風(fēng)由-470 m水平大巷回至303盲豎井，與西部污風(fēng)匯合，最后再經(jīng)南風(fēng)井排出。

5.2通風(fēng)系統(tǒng)改造效果

(1)東部采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定。系統(tǒng)改造前366盲豎井回風(fēng)，東部通風(fēng)系統(tǒng)改造后366盲豎井變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)，則盲豎井提升和該井上、下部石門的行人都處于新鮮風(fēng)流中，避免了污風(fēng)的危害。

東部通風(fēng)系統(tǒng)改造前，-620 m水平的395石門的風(fēng)流主要來自徐家疃及-590 m循環(huán)風(fēng)，風(fēng)流溫度28.4 ℃，體感溫度高，人員舒適度差。系統(tǒng)改造后，流經(jīng)395石門的是新鮮風(fēng)流，其溫度降低為24.7 ℃，風(fēng)量也加大至22 m3/s，人員舒適度明顯改善。

系統(tǒng)改造前，-780 m水平395石門風(fēng)流溫度達(dá)到30.7 ℃。系統(tǒng)改造后，風(fēng)流溫度已經(jīng)降到26.5 ℃。

(2)西部和中部采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定。經(jīng)測(cè)定，西部、中部通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)質(zhì)合格率100%，氣溫合格率93.8%,均達(dá)到改造要求。

5.3系統(tǒng)分析與評(píng)價(jià)

(1)上莊礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)分為兩個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)，東部一個(gè)系統(tǒng)，西部和中部一個(gè)系統(tǒng)，不僅減少系統(tǒng)間相互干擾，而且便于通風(fēng)管理。

(2)風(fēng)流由東部井巷直接送到東部深井開采區(qū)域，不僅減少了風(fēng)流流經(jīng)的長(zhǎng)度，降低了供風(fēng)溫度，而且可以減小阻力，節(jié)能降耗。

(3)入風(fēng)風(fēng)流在-108 m和-198 m流經(jīng)長(zhǎng)度長(zhǎng)，雖然增大了阻力，但對(duì)調(diào)節(jié)風(fēng)流溫度有利。尤其是夏季氣溫高時(shí)，風(fēng)流通過該段巷道，可以降低入風(fēng)氣流溫度[8]。

(4)366豎井實(shí)現(xiàn)了進(jìn)風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)符合礦山安全規(guī)程要求。原有系統(tǒng)的風(fēng)流在-590～-620 m循環(huán)，致使進(jìn)入-780 m工作面風(fēng)流溫度高。改造后的系統(tǒng)，解決了該部分風(fēng)流循環(huán)問題，不僅風(fēng)量提高，而且工作面風(fēng)流溫度顯著降低，工人作業(yè)環(huán)境得到明顯改善，有利于保證工人健康和勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高。

6　存在問題及改進(jìn)方向

(1)礦山在進(jìn)行開拓設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮運(yùn)輸，還要兼顧通風(fēng)系統(tǒng)，巷道規(guī)格一定要全面論證，避免以后對(duì)巷道二次擴(kuò)幫。

(2)在日常通風(fēng)管理中加大通風(fēng)管理力度，對(duì)通風(fēng)構(gòu)筑物要制定專項(xiàng)的管理制度，減少漏風(fēng)及污風(fēng)循環(huán)的出現(xiàn)，提高有效風(fēng)量和風(fēng)質(zhì)。

(3)在東部采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)中，由于工期短，通風(fēng)阻力還是較大，將351盲豎井從十三中連接至九中(施工一條300 m的斜井)，再對(duì)-590 m水平擴(kuò)幫(由2.4 m×2.3 m擴(kuò)至3.8 m×2.7 m),東部采區(qū)通風(fēng)阻力則會(huì)降至2 758 Pa,則風(fēng)機(jī)功率從2×250 kW降到了2×110 kW,年可節(jié)約電費(fèi)100萬元,這是東部通風(fēng)系統(tǒng)下一步改造的問題。

(4)西、中部采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)沒做大的變動(dòng)，除增加必要的通風(fēng)通道和天井?dāng)U幫外，維持現(xiàn)有的主扇運(yùn)轉(zhuǎn)，相應(yīng)調(diào)整主扇工況，按現(xiàn)有主扇能力，理順通風(fēng)風(fēng)路，投入的工程較少。

(5)考慮到東部采區(qū)深部開采在未來4～5 a將延伸至-860 m水平以下，如果將來深部開采通風(fēng)不能滿足的情況下，一旦條件具備，應(yīng)將351盲豎井掘通至地表，取代主斜井回風(fēng)，形成東部較完善的分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]文永勝.金屬礦山地下開采通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的重要性影響因素[J].金屬世界，2009(2)：63-66.

[2]王運(yùn)敏.現(xiàn)代采礦手冊(cè)：下冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[3]孫廣福，張亞文.礦井通風(fēng)穩(wěn)定性影響因素淺析[J].山西焦煤科技，2010(4)：38-39.

[4]劉杰，謝賢平.多風(fēng)機(jī)多級(jí)機(jī)站通風(fēng)節(jié)能原理初探[J].有色金屬：礦山部分，2010，62(5)：71-74.

[5]劉玉蘭.礦井通風(fēng)設(shè)備的選型[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2008(21)：212-213.

[6]陳開巖.礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化理論及應(yīng)用[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

[7]古德生.地下金屬礦采礦科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].黃金，2004，25(1)：18-22.

[8]吳超.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2008.

(收稿日期2016-05-03)

丁文軍(1966—),男，高級(jí)工程師，265402 山東省招遠(yuǎn)市蠶莊鎮(zhèn)。