我國金屬礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)評述

吳冷峻 周 偉 賈敏濤 居偉偉

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

礦井通風(fēng)是地下礦山采礦安全和井下作業(yè)人員職業(yè)健康的重要保障。在國家政府部門、高校及科研院所以及礦山企業(yè)的共同努力下，我國礦井通風(fēng)理論和技術(shù)經(jīng)過60多年的發(fā)展取得了顯著進步[1-3]。近20 a來，我國生產(chǎn)安全情況發(fā)生了巨大變化，國內(nèi)安全生產(chǎn)形勢發(fā)生了根本性好轉(zhuǎn)，但我國礦山安全形勢仍然不容樂觀，由于各種因素的存在，相當(dāng)一部分礦山的井下通風(fēng)系統(tǒng)仍然存在一些技術(shù)和管理方面的問題，礦井通風(fēng)安全隱患突出，安全生產(chǎn)事故頻發(fā)[4-6]。本研究結(jié)合國內(nèi)金屬礦山礦井通風(fēng)工程實例，分別對金屬礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計、施工建設(shè)以及安全管理階段存在的問題進行梳理和論述，并對相應(yīng)的改進策略進行探討。

1 設(shè)計階段

礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計的一般過程為：①根據(jù)礦井開拓系統(tǒng)和采準工程布置確定通風(fēng)系統(tǒng)布置方式和初步通風(fēng)系統(tǒng)方案；②設(shè)計通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖或通風(fēng)系統(tǒng)圖；③礦井總風(fēng)量計算；④通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)各分支、節(jié)點參數(shù)確定；⑤系統(tǒng)通風(fēng)阻力或機站風(fēng)機風(fēng)壓計算，并對分風(fēng)效果、風(fēng)量調(diào)控措施、通風(fēng)工程設(shè)置及其規(guī)格的合理性進行分析和調(diào)整，一般需要采用專業(yè)通風(fēng)軟件進行多次模擬解算，并對模擬解算得出的技術(shù)經(jīng)濟指標進行分析；⑥風(fēng)機選型，包括系統(tǒng)風(fēng)機、采區(qū)輔扇和局扇的規(guī)格型號確定；⑦通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控方案設(shè)計。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計過程中存在的主要問題為：①通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不健全，缺漏一些通風(fēng)工程，如斜坡道、采區(qū)電梯井、充填井或管纜井、溜破系統(tǒng)，忽略采空區(qū)的影響等；②礦井總風(fēng)量計算基本能夠按照相關(guān)規(guī)范進行，由于風(fēng)量備用系數(shù)需根據(jù)采掘生產(chǎn)系統(tǒng)及機站設(shè)置特點進行設(shè)計，實踐中由于相關(guān)技術(shù)人員對礦井采掘生產(chǎn)工藝不熟悉，往往導(dǎo)致該系數(shù)取值不合理；③通風(fēng)阻力計算時，摩擦阻力計算一般不會出現(xiàn)較大偏差，在考慮系統(tǒng)局部阻力及機站裝置局部阻力時，大多在摩擦阻力基礎(chǔ)上簡單地增加200 Pa或300 Pa或增加20%數(shù)值，并無詳細計算，導(dǎo)致設(shè)計的通風(fēng)系統(tǒng)阻力與真實值相差較大；④風(fēng)機選型不當(dāng)，由于風(fēng)量計算和通風(fēng)阻力計算產(chǎn)生的誤差，導(dǎo)致風(fēng)機選型往往偏小，或為了提升通風(fēng)系統(tǒng)能力而人為選擇的風(fēng)機能力富余量過大，該類設(shè)計方案實施后不僅達不到預(yù)期的通風(fēng)效果，而且會增加基建投資以及后續(xù)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整改造難度；⑤機站及通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置位置不合理，在礦井主要生產(chǎn)運輸巷道設(shè)置機站或風(fēng)門風(fēng)窗等通風(fēng)構(gòu)筑物，不僅會影響礦井正常生產(chǎn)，也增加了礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全管理難度，最終影響通風(fēng)效果。以下結(jié)合近10 a來國內(nèi)典型地下金屬礦山的通風(fēng)設(shè)計實例進行分析。

1.1 冬瓜山銅礦

冬瓜山銅礦為國內(nèi)千米深井330萬t/a生產(chǎn)規(guī)模銅礦，原初步通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案存在的問題有：①通風(fēng)系統(tǒng)須根據(jù)采礦方法的通風(fēng)安全要求進行設(shè)計，該礦采礦設(shè)計方案優(yōu)化后，由于盤區(qū)劃分、采場布置已經(jīng)發(fā)生變化，而相應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)方案未及時調(diào)整；②原設(shè)計中回風(fēng)井總回風(fēng)量為528 m3/s，-850 m 回風(fēng)機站要求的風(fēng)壓為1 300 Pa，而設(shè)計選用的風(fēng)機總回風(fēng)量為468 m3/s，欠缺60 m3/s，-850 m 風(fēng)機風(fēng)壓1 155 Pa也無法滿足通風(fēng)系統(tǒng)要求，因此，設(shè)計選用的總回風(fēng)機站的風(fēng)機能力達不到系統(tǒng)總風(fēng)量要求；③機站局部阻力未考慮，設(shè)計中錯誤地將風(fēng)機風(fēng)壓視為機站風(fēng)壓，使得系統(tǒng)總風(fēng)壓短缺30%左右；④該礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計未考慮原有井巷的存在，僅簡單地用風(fēng)門將其隔開；⑤設(shè)計選擇的風(fēng)機型號過多(15種)，必然造成礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理、維護、檢修困難，風(fēng)機備品備件增多[7]；⑥主井、輔助井不宜回風(fēng)，2個井筒回風(fēng)必然影響井口電器設(shè)施安全運行，存在嚴重的安全隱患；⑦多級機站通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計采用三級機站，均有風(fēng)墻形式，其中二級采區(qū)回風(fēng)機站設(shè)置影響了采區(qū)車輛和人員通行；⑧一級進風(fēng)機站中的1個機站設(shè)置于-875 m冬瓜山副井石門，通過增加繞道解決設(shè)備和人員通行不合理問題。

1.2 司家營鐵礦

司家營鐵礦原1 500萬t/a工程通風(fēng)系統(tǒng)初步設(shè)計方案存在的問題有[7]：①礦井總風(fēng)量偏小，南礦段出礦量1 300萬t/a，大賈莊礦段出礦量200萬t/a，設(shè)計的分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)中礦井通風(fēng)量分別為772.59，184.53 m3/s，合計957.12 m3/s，各類型工作面需風(fēng)量取值偏小，達不到安全生產(chǎn)的排塵、排煙和無軌設(shè)備尾氣稀釋及通風(fēng)降溫的要求，礦井總風(fēng)量嚴重欠缺，總風(fēng)量應(yīng)達到1 800～2 000 m3/s較合理；②通風(fēng)系統(tǒng)進、回風(fēng)井筒斷面偏小，導(dǎo)致進、回風(fēng)能力不足，南礦段1#、2#副井和北進風(fēng)井進風(fēng)，斷面面積為86.74 m2，允許最大進風(fēng)量為904.86 m3/s，南風(fēng)井、西北回風(fēng)井、東北回風(fēng)井排風(fēng)，斷面面積為73.86 m2，允許最大回風(fēng)量為1 107.9 m3/s；大賈莊礦段由副井和進風(fēng)井進風(fēng)，斷面面積為35.33 m2，允許最大進風(fēng)量為332.13 m3/s，大賈莊回風(fēng)井排風(fēng)，斷面面積為15.90 m2，允許最大回風(fēng)量為238.5 m3/s，從滿足通風(fēng)安全要求及通風(fēng)系統(tǒng)高效節(jié)能運行方面考慮，南礦段回風(fēng)井筒斷面總面積應(yīng)達到104～130 m2(總風(fēng)量不小于1 550 m3/s，專用回風(fēng)井規(guī)程限值風(fēng)速為15 m/s，經(jīng)濟風(fēng)速不大于12 m/s)，專用進風(fēng)井?dāng)嗝婷娣e應(yīng)達到70 m2以上(副井安全風(fēng)速和專用進風(fēng)井限值風(fēng)速應(yīng)分別小于8，15 m/s)，大賈莊礦段回風(fēng)井筒斷面面積應(yīng)不小于21 m2(總風(fēng)量不小于250 m3/s)；③南礦段和大賈莊礦段多處副井石門設(shè)置Ⅰ級進風(fēng)機站，不可靠，副井石門為人員和材料進出通道，設(shè)置Ⅰ級進風(fēng)機站存在安全隱患，且無法進行有效管理；④通風(fēng)系統(tǒng)方案未考慮網(wǎng)絡(luò)分支局部阻力和機站局部阻力，使得通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)壓短缺至少1/3以上，導(dǎo)致系統(tǒng)總風(fēng)量達不到設(shè)計值；⑤通風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計時未采用通風(fēng)軟件進行計算機模擬解算，極易出現(xiàn)系統(tǒng)總風(fēng)量不足、風(fēng)量分配及風(fēng)機選型不合理等問題；⑥通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計選取的風(fēng)機型號過多(南礦段10余種，大賈莊礦段5種)，且大量備用，必然造成管理維護及檢修困難，并且在通風(fēng)系統(tǒng)運行時各風(fēng)機性能匹配不可避免地會存在問題，最終將導(dǎo)致通風(fēng)效果大打折扣；⑦設(shè)計方案未考慮主井溜破系統(tǒng)通風(fēng)；⑧設(shè)計的南礦段和大賈莊礦段通風(fēng)系統(tǒng)進、回風(fēng)量無法對應(yīng)，且與設(shè)計的礦井總風(fēng)量不一致[7]。

1.3 蘭尖鐵礦

蘭尖鐵礦尖山掛幫礦轉(zhuǎn)地下工程原200萬t/a工程通風(fēng)系統(tǒng)初步設(shè)計方案存在的問題有：①通風(fēng)方式及通風(fēng)指標(如機站總風(fēng)壓、總軸功率、風(fēng)機總效率)等選取存在問題，噸礦通風(fēng)電耗計算值(0.82度)偏?。虎谒x用的風(fēng)機采用變頻調(diào)速控制方式，葉片安裝角度為20°或26°，風(fēng)機選型及應(yīng)用存在問題；③3臺同型號風(fēng)機并聯(lián)安裝于地表不妥，存在機站局部阻力增大、地表工程量加大、噪聲污染環(huán)境及增加人員值班看護成本等問題；④缺乏系統(tǒng)的進風(fēng)控制及采區(qū)風(fēng)量調(diào)控措施；⑤前期掛幫礦150萬t/a生產(chǎn)規(guī)模通風(fēng)系統(tǒng)方案中1 380，1 300 m中段回風(fēng)機站與地表總回風(fēng)機站重復(fù)設(shè)置。

1.4 三山島金礦

三山島金礦原8 000 t/d工程通風(fēng)系統(tǒng)初步設(shè)計方案存在的問題有：①通風(fēng)方式為中央對角兩翼抽出式主輔扇聯(lián)合通風(fēng)系統(tǒng)，非多級機站通風(fēng)系統(tǒng)；②三山島礦區(qū)未充分考慮-600 m上部通風(fēng)系統(tǒng)的影響，僅對深部開采部分進行了通風(fēng)設(shè)計；③礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用Ventsim通風(fēng)軟件進行模擬解算，但未充分考慮通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)局部阻力和各機站設(shè)置的局部阻力；④新立礦區(qū)-165 m中段西風(fēng)井回風(fēng)石門總回風(fēng)機站6臺主扇采用2組串聯(lián)每組3臺風(fēng)機并聯(lián)方式使得該機站運行不可靠，效率降低，檢修維護難度大；⑤通風(fēng)系統(tǒng)方案所選風(fēng)機型號規(guī)格偏小，無法取得預(yù)期的通風(fēng)效果。

1.5 馬城鐵礦

馬城鐵礦2 200萬t/a工程通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案存在的問題有：①通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)井布置應(yīng)考慮地區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向，預(yù)防回風(fēng)井污風(fēng)對生產(chǎn)區(qū)域和生活區(qū)域造成二次污染；②連通地表的主斜坡道出風(fēng)方案不妥(最大需風(fēng)量為18 m3/s，主斜坡道硐口回風(fēng)量為20 m3/s)，主斜坡道為車輛及人員進出通道，一般為進風(fēng)通道，供排塵排煙及排除柴油設(shè)備尾氣所需，有必要單獨設(shè)計回風(fēng)通道將主斜坡道污風(fēng)排入主回風(fēng)系統(tǒng)，避免污風(fēng)進入作業(yè)采區(qū)；③副井進風(fēng)風(fēng)速偏高，宜新增1條專用進風(fēng)井，3條副井需進風(fēng)803.10 m3/s或780 m3/s，平均進風(fēng)風(fēng)速為7.5 m/s 或7.29 m/s，考慮安全因素和相關(guān)實踐經(jīng)驗，建議副井風(fēng)速保持在5～6 m/s，3條主回風(fēng)井平均風(fēng)速為14 m/s不經(jīng)濟，宜增加回風(fēng)井工程；④系統(tǒng)Ⅰ級進風(fēng)機站、Ⅲ級回風(fēng)機站分別布置于下盤和上盤-480，-540，-840，-900 m水平石門，主要風(fēng)量由上述中段下盤直接傳輸至上盤，其余作業(yè)分段或中段風(fēng)量調(diào)控困難；⑤-440～-480 m水平砂石制備站和混凝土制備站的進、回風(fēng)均位于-480 m水平，-440 m翻卸硐室以及-460 m砂石制備硐室的通風(fēng)效果無法保證；⑥主斜坡道和采區(qū)斜坡道與各分段水平聯(lián)絡(luò)巷設(shè)置了大量自動風(fēng)門，現(xiàn)場管理維護困難，通風(fēng)效果無法保證，主要運輸、行人通道宜盡可能少設(shè)或不設(shè)風(fēng)門風(fēng)窗等通風(fēng)構(gòu)筑物，減小對礦井正常生產(chǎn)的影響；⑦通風(fēng)系統(tǒng)方案未充分考慮網(wǎng)絡(luò)分支局部阻力和機站局部阻力，使得整個通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)壓短缺，易導(dǎo)致系統(tǒng)總風(fēng)量達不到設(shè)計值；⑧通風(fēng)系統(tǒng)方案所選取的風(fēng)機型號較多(上部采區(qū)9種，深部采區(qū)6種)，易造成管理維護及檢修困難、備品備件增多以及整個通風(fēng)系統(tǒng)各類風(fēng)機性能匹配出現(xiàn)問題，最終會影響通風(fēng)效果；⑨通風(fēng)系統(tǒng)裝機容量為18 231.5 kW，偏高，參照司家營鐵礦南區(qū)2 000萬t/a 工程的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，馬城鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)的裝機容量宜設(shè)計為12 170 kW。

1.6 蒼山鐵礦

蒼山鐵礦200萬t/a工程通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案存在的問題有[8]：①礦井總進風(fēng)量與總回風(fēng)量不一致，總回風(fēng)量大于總進風(fēng)量96 m3/s，并且井下系統(tǒng)無通往地表塌陷區(qū)或明顯的短路漏風(fēng)通道；②系統(tǒng)風(fēng)量分配不合理，隨著礦區(qū)基建及探礦工作的開展，西區(qū)礦量僅占總礦量的1/3～1/4，東區(qū)礦量占總礦量的2/3～3/4，而原通風(fēng)設(shè)計方案中東區(qū)、西區(qū)進回風(fēng)量完全一致，這與采場實際生產(chǎn)需風(fēng)要求不符；③系統(tǒng)通風(fēng)阻力依據(jù)井筒和采區(qū)的進、回風(fēng)風(fēng)量經(jīng)人工計算所得，未充分考慮系統(tǒng)局部阻力(占系統(tǒng)總阻力的30%～40%)和各機站局部阻力(占系統(tǒng)總阻力的20%～55%)；④主斜坡道進風(fēng)量偏大，通往地表的主斜坡道為無軌設(shè)備上下通道，其本身即為需風(fēng)點，通風(fēng)量(67 m3/s)偏大，經(jīng)過斜坡道的風(fēng)流已被污染，故而應(yīng)在進入井下采區(qū)前及時排至回風(fēng)井，否則會污染采區(qū)；⑤各井筒及主要采區(qū)的風(fēng)量分配僅靠人工計算，未進行通風(fēng)網(wǎng)路計算機解算，故而計算結(jié)果與實際情況誤差較大，導(dǎo)致實際通風(fēng)效果與預(yù)期效果嚴重不符；⑥通風(fēng)系統(tǒng)方案為三級機站，所選風(fēng)機共有4種型號，原設(shè)計方案中未考慮各型號風(fēng)機相互影響及匹配問題，勢必會造成整個通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量短缺和風(fēng)量分配不合理[8]。

1.7 劉塘坊鐵礦

劉塘坊鐵礦150萬t/a工程通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案存在的問題有：①礦體賦存條件變化導(dǎo)致采礦方法及主要生產(chǎn)中段發(fā)生變化，通風(fēng)方式也應(yīng)隨之改變，初步設(shè)計的通風(fēng)方案無法滿足已有的2個中段的通風(fēng)需求，故需對系統(tǒng)總風(fēng)量、各井筒及主要采區(qū)的風(fēng)量分配、系統(tǒng)通風(fēng)阻力和通風(fēng)設(shè)備選型等進行重新核算和優(yōu)化；②在1#副井石門、2#副井石門設(shè)置Ⅰ級進風(fēng)機站，不可靠，是因為副井中段石門為人員和材料的進出通道，設(shè)置Ⅰ級進風(fēng)機站會存在安全隱患，不僅影響車輛和人員同行，而且無法進行有效管理[7]；③通風(fēng)系統(tǒng)方案中主井溜破系統(tǒng)的通風(fēng)方式不符合相關(guān)安全規(guī)程要求，通風(fēng)量及其與整個通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)系需要進一步論證；④井下通風(fēng)系統(tǒng)未進行遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，導(dǎo)致無法及時了解井下風(fēng)機的運行狀態(tài)、主要回風(fēng)巷道風(fēng)流參數(shù)，更無法遠程控制風(fēng)機啟停、變頻調(diào)速以及相關(guān)安全規(guī)程要求的及時反風(fēng)；⑤劉塘坊鐵礦根據(jù)現(xiàn)場基建條件，未按原設(shè)計方案施工-500 m專用進風(fēng)巷，通風(fēng)系統(tǒng)初步研究表明，-400，-500 m中段同時生產(chǎn)可以不必施工-500 m專用進風(fēng)巷及進風(fēng)機站，如此可節(jié)約通風(fēng)工程經(jīng)費、通風(fēng)設(shè)備經(jīng)費約150萬元。

1.8 沙溪銅礦

沙溪銅礦300萬t/a開采工程通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案存在的問題有：①礦井掘進工作面、充填工作面的需風(fēng)量計算結(jié)果偏小，風(fēng)量備用系數(shù)取值(1.21)偏?。虎邙P臺山采區(qū)產(chǎn)量約占礦區(qū)總產(chǎn)量的1/3，回風(fēng)井直徑設(shè)計為4.5 m，能夠滿足該采區(qū)回風(fēng)量要求，而銅泉山采區(qū)產(chǎn)量約占礦區(qū)總產(chǎn)量的2/3，回風(fēng)井直徑設(shè)計為4.5 m，則無法滿足該采區(qū)回風(fēng)量要求；③通風(fēng)系統(tǒng)完全依靠1條副井(直徑8.6 m)進風(fēng)，風(fēng)速接近8 m/s，存在安全隱患；④通風(fēng)系統(tǒng)宜采用分區(qū)通風(fēng)方式，北部鳳臺山采區(qū)建議增加1條進風(fēng)井，井筒直徑5～5.5 m；⑤各井筒、中段風(fēng)量分配及機站風(fēng)機選型須通過計算機網(wǎng)絡(luò)解算，并充分考慮系統(tǒng)局部阻力和機站局部阻力，在詳細分析比較計算機模擬解算結(jié)果的基礎(chǔ)上，方可最終確定通風(fēng)方案的技術(shù)經(jīng)濟指標。

2 施工建設(shè)階段

礦井通風(fēng)系統(tǒng)在工程施工過程中，由于礦區(qū)水文地質(zhì)條件變化、工程施工進度投資、施工技術(shù)方案變更等原因，通風(fēng)工程往往需要進行適當(dāng)變更。通風(fēng)工程的改變牽涉到整個通風(fēng)系統(tǒng)方案的變動，包括礦井風(fēng)量重新分配、系統(tǒng)阻力重新計算、主要通風(fēng)設(shè)備重新選型等。通風(fēng)工程若無法完全按照確定的設(shè)計方案施工，那么礦井通風(fēng)效果勢必會受到影響，通風(fēng)能耗可能加大，并且可能會給礦井采掘生產(chǎn)帶來安全隱患。

2.1 羅河鐵礦

根據(jù)羅河鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)初步設(shè)計方案，-455 m 水平為系統(tǒng)總回風(fēng)水平，4條回風(fēng)大巷斷面面積均為9 m2，系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)量為452 m3/s，4條大巷回風(fēng)斷面偏小。為確保通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定并降低通風(fēng)能耗[9]，優(yōu)化后的方案將-455 m水平的 4條回風(fēng)大巷斷面面積均刷大至15.49 m2。施工過程中由于工程驗收進度計劃的限制，未能完成其中1條主回風(fēng)巷約200 m長的擴幫工程。通風(fēng)系統(tǒng)建成運行后，該段巷道的回風(fēng)風(fēng)速達到13.12 m/s，使得通風(fēng)能耗大幅度增加，為預(yù)期的3.1倍，給后期生產(chǎn)擴能通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整留下了通風(fēng)能力不足的隱患。

2.2 冬瓜山銅礦

冬瓜山銅礦通風(fēng)系統(tǒng)方案經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，為滿足礦井總風(fēng)量要求，并降低通風(fēng)運行成本，使-790，-850 m水平的3條回風(fēng)巷通過的風(fēng)量和各回風(fēng)機站負擔(dān)的井巷通風(fēng)阻力基本均衡，回風(fēng)巷道斷面面積由初步設(shè)計施工完成的16 m2擴大至25.03 m2，-850 m總回風(fēng)巷斷面面積擴大至40 m2。-850 m右側(cè)回風(fēng)巷由于施工難度較大且影響系統(tǒng)整體施工進度等原因未能按照優(yōu)化設(shè)計方案將回風(fēng)巷斷面面積擴大至25.03 m2。多級機站通風(fēng)系統(tǒng)建成后，通風(fēng)效果檢測表明，礦井總風(fēng)量達到600 m3/s，符合設(shè)計要求，但該段回風(fēng)巷實測風(fēng)速平均值為14.75 m/s，最高達到16.20 m/s，超過相關(guān)安全規(guī)程限制值。該段主回風(fēng)巷通風(fēng)能耗為擴幫后通風(fēng)能耗的4.71倍，回風(fēng)風(fēng)速的經(jīng)濟合理性較差。

2.3 蒼山鐵礦

蒼山鐵礦通風(fēng)優(yōu)化方案要求將東1回風(fēng)井?dāng)嗝婷娣e由12.56 m2擴大至28.26 m2。在施工設(shè)計中，由于該井筒通往地表有1段約50 m長的井筒采用了800 mm厚的混凝土支護，擴刷難度較大，故優(yōu)化設(shè)計方案選擇在東1回風(fēng)井附近新掘砌1條地表至7 m水平東1+回風(fēng)井，與原東1回風(fēng)井形成并聯(lián)回風(fēng)形式。東1+回風(fēng)井直徑為4.5 m，斷面面積為15.90 m2，井筒標高為136.5～7 m，工程量約2 059.05 m3。東1回風(fēng)井7～-40 m段暫不刷大，擬利用已開采完畢的采場風(fēng)井解決-40 m以下中段的回風(fēng)問題[8]。實際基建施工過程中因驗收工期緊未能實施新增的地表至7 m水平東1+段并聯(lián)回風(fēng)井工程，導(dǎo)致東區(qū)通風(fēng)效果不理想，且增加了東區(qū)中段采場風(fēng)量的調(diào)控難度。

3 運行管理階段

近年來盡管我國金屬礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸實現(xiàn)了自動化管理，大幅度降低了人工管理的非規(guī)范性誤差，但國內(nèi)金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)在運行管理階段的不足仍然較為明顯：①礦井通風(fēng)安全管理創(chuàng)新不足，我國礦井通風(fēng)技術(shù)經(jīng)過近60 a的發(fā)展雖然取得了重大進步，但國內(nèi)相當(dāng)一部分礦山企業(yè)在通風(fēng)安全管理方面缺乏創(chuàng)新，導(dǎo)致礦井通風(fēng)設(shè)備管理、通風(fēng)系統(tǒng)動態(tài)管理模式無法適應(yīng)礦井安全開采的動態(tài)要求，給井下安全生產(chǎn)帶來了嚴重的安全隱患，在很大程度上阻礙了礦山正常生產(chǎn)；②礦井通風(fēng)系統(tǒng)施工人員綜合素質(zhì)有待提高，礦山企業(yè)生產(chǎn)職工人數(shù)較多，相當(dāng)一部分通風(fēng)系統(tǒng)施工人員的開采技術(shù)水平和安全生產(chǎn)技術(shù)水平不高，易導(dǎo)致在施工過程中頻繁出現(xiàn)技術(shù)性問題，無法嚴格按照設(shè)計方案進行施工；③礦山企業(yè)負責(zé)人對于礦井通風(fēng)安全管理工作重視不足，部分礦山企業(yè)在礦井生產(chǎn)過程中，時常出于經(jīng)濟利益和生產(chǎn)進度的考慮，忽視了礦井通風(fēng)安全管理的重要性，從而給井下安全生產(chǎn)埋下了安全隱患。

3.1 大紅山鐵礦

大紅山鐵礦設(shè)計采用多采區(qū)分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和通風(fēng)系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)分析，2013年該礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題有：

(1)礦井總風(fēng)量嚴重不足。系統(tǒng)總進風(fēng)量為721.03 m3/s，總回風(fēng)量為788.93 m3/s，系統(tǒng)外部漏風(fēng)量為67.90 m3/s，井下系統(tǒng)整體通風(fēng)效果較差。根據(jù)2013年出礦計劃909.9萬t(其中，Ⅰ#銅礦188.3萬t，Ⅲ#、Ⅳ#礦80萬t，400萬t采區(qū)626.6萬t，二期附產(chǎn)15萬t)，并考慮井下柴油設(shè)備的大量使用情況和深井高溫環(huán)境，現(xiàn)有的礦井總風(fēng)量嚴重欠缺。

(2)系統(tǒng)回風(fēng)風(fēng)速偏低。系統(tǒng)總進風(fēng)斷面面積為217.32 m2(其中，膠帶斜井13.24 m2、進風(fēng)斜井19.45 m2、新增主斜19.50 m2、主斜19.50 m2、Ⅰ#銅礦進風(fēng)豎井36.23 m2、Ⅲ#和Ⅳ#礦進風(fēng)井36.23 m2、720 m平硐16.15 m2、北部斜坡道19.5 m2、790 m進風(fēng)平硐13.77 m2和廢石豎井23.75 m2)，總回風(fēng)斷面面積為119.36 m2(其中，400萬t采區(qū)Ⅰ#回風(fēng)斜井22.19 m2、Ⅱ#回風(fēng)斜井22.19 m2，Ⅲ#和Ⅳ#礦體回風(fēng)斜井20.64 m2，Ⅰ#銅礦Ⅰ#回風(fēng)斜井20.64 m2、Ⅱ#回風(fēng)斜井20.64 m2，967 m頭部礦體回風(fēng)斜井13.06 m2)。安全規(guī)程專用的回風(fēng)井巷風(fēng)速不宜大于15 m/s，一般地下金屬礦山主要回風(fēng)井巷風(fēng)速為8～12 m/s，大紅山鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)井巷風(fēng)速為3.43～8.73 m/s，相對于規(guī)程允許值而言偏低。

(3)系統(tǒng)風(fēng)機選型及相互匹配不合理。Ⅳ級回風(fēng)機站共有11臺風(fēng)機，其中有7臺K40-8型號風(fēng)機，4臺K40-6型號風(fēng)機。大紅山鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)非常復(fù)雜，同時作業(yè)并相互貫通的礦區(qū)多，采掘生產(chǎn)量大，系統(tǒng)所需風(fēng)量大，系統(tǒng)通風(fēng)阻力大，現(xiàn)有的回風(fēng)機站風(fēng)機提供的風(fēng)機全壓偏低，導(dǎo)致系統(tǒng)總風(fēng)量不足，系統(tǒng)風(fēng)機平均運行效率僅為59%，未達到安全規(guī)程要求。通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機型號多達10余種，相互之間性能匹配不合理，導(dǎo)致能耗高、通風(fēng)效果無法保證，并且增加了備品備件數(shù)量。1#銅礦地表安裝的3臺K40-8-№26風(fēng)機無法正常使用。

(4)主斜坡道無獨立回風(fēng)通道，主斜坡道污風(fēng)直接進入各采區(qū)。由于斜坡道有大量無軌設(shè)備運行(每天超過500臺次重型卡車)，尾氣排放量大，路面揚塵問題突出，以主斜一平臺到四平臺之間最為嚴重。

(5)二期開拓工程與一期400萬t/a采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)存在污風(fēng)串聯(lián)問題。二期開拓未形成回風(fēng)系統(tǒng)，廢石豎井180 m中段進風(fēng)(77.98 m3/s)和箕斗豎井140 m中段進風(fēng)(81.16 m3/s)通過二期工程工作面后，經(jīng)主斜和溜井排至一期400萬t采區(qū)，污染了一期400萬t采區(qū)風(fēng)質(zhì)。該采區(qū)的新鮮進風(fēng)量僅為進風(fēng)斜井進入的65.17 m3/s和盲豎井進入的20.59 m3/s 風(fēng)量，其余風(fēng)量均由其他采區(qū)污風(fēng)串聯(lián)進入。按照2013年生產(chǎn)計劃，該采區(qū)的生產(chǎn)任務(wù)為626.6萬t，新鮮風(fēng)量遠遠無法滿足安全生產(chǎn)需要，故需考慮滿足該采區(qū)生產(chǎn)的獨立進風(fēng)要求。

(6)采區(qū)回風(fēng)井?dāng)嗝嫫。仫L(fēng)能力不足。400萬t采區(qū)H1、H2回風(fēng)井井筒直徑均為3 m，總回風(fēng)斷面面積為14.14 m2，導(dǎo)致該采區(qū)回風(fēng)井?dāng)嗝鎳乐夭蛔?，采區(qū)污風(fēng)無法及時排出。Ⅲ#、Ⅳ#礦僅有1條回風(fēng)井(380～-460 m分段，直徑3 m)與各分段相通，340～-460 m分段回風(fēng)斜井與各分段不相互貫通，導(dǎo)致Ⅲ#、Ⅳ#礦回風(fēng)井?dāng)嗝娌蛔恪?/p>

(7)部分檢測點的有毒有害氣體含量超標。井下各檢測點均未檢測出H2S等有毒有害氣體，CO、NO2和SO2含量分別為(0～52)×10-6、(0～4.9)×10-6和(0～8)×10-6。檢測時Ⅲ#、Ⅳ#礦400 m分段回采進路放炮，炮煙未能及時排出，導(dǎo)致該分段回風(fēng)井井口CO嚴重累積，含量達到157×10-6；二期開拓工程炮煙經(jīng)過溜井串風(fēng)，導(dǎo)致400萬t采區(qū)400 m 分段10#穿脈CO含量嚴重超標，達到68×10-6。礦井SO2超標地點為390 m分段北采區(qū)斜坡道聯(lián)道(含量為5.8×10-6)以及380 m中段10#穿脈溜井附近(含量為8.0×10-6)。各測點CO2含量為(238～2 769)×10-6，未超標。

(8)超過半數(shù)檢測點的風(fēng)溫超標。井下各檢測點的風(fēng)溫檢測值為22.2～31.5 ℃，205個檢測點的風(fēng)溫超過安全規(guī)程標準限值(28 ℃)的有109個，檢測合格率僅為46.83%。

(9)Ⅰ#銅礦480 m炸藥庫缺乏回風(fēng)風(fēng)機，導(dǎo)致炸藥庫回風(fēng)道從回風(fēng)斜井反風(fēng)，不符合安全規(guī)程要求。

(10)井下通風(fēng)構(gòu)筑物監(jiān)管不到位。Ⅱ、Ⅲ級有風(fēng)墻機站的風(fēng)機附近均未安裝風(fēng)門，導(dǎo)致機站風(fēng)流循環(huán)，降低了機站運行效率。

3.2 玲瓏金礦

根據(jù)2016年8月現(xiàn)場調(diào)查和檢測數(shù)據(jù)分析，玲瓏金礦九曲分礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題如下：

(1)礦山回風(fēng)井工程欠缺。九曲分礦通往地表的回風(fēng)井施工受到多種因素影響，井筒內(nèi)不同程度的發(fā)生塌陷或被填充掩埋，礦山無穩(wěn)定可靠的回風(fēng)井，不符合“通風(fēng)系統(tǒng)至少有1個可靠的進風(fēng)井和1個可靠的回風(fēng)井”的基本原則[10]。此外，九曲礦段-520～-370 m中段缺少中段回風(fēng)井，深部污風(fēng)無法沿九曲礦段回風(fēng)路線排出。

(2)礦井總風(fēng)量不足。九曲分礦通風(fēng)系統(tǒng)總進風(fēng)量為31.22 m3/s，其中，東豎井(280豎井)進風(fēng)量為14.60 m3/s，技改井(255豎井)進風(fēng)量為16.62 m3/s。按照《山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司2016年生產(chǎn)作業(yè)計劃》，九曲分礦2016年采掘總量為190.699 5萬t，-70 m以下為主要生產(chǎn)區(qū)域，采掘作業(yè)面共68個，根據(jù)排塵風(fēng)速計算，礦井總風(fēng)量應(yīng)達到150～200 m3/s，可見現(xiàn)有系統(tǒng)的礦井總風(fēng)量明顯不足。

(3)采空區(qū)漏風(fēng)嚴重。井下均不同程度的存在采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象，采空區(qū)透口漏風(fēng)量隨季節(jié)性變化以及早晚氣溫差異而變化，使得井下通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性較差，部分巷道無風(fēng)或風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，嚴重影響了礦井安全生產(chǎn)[11]。部分采空區(qū)透口(九曲礦段-270 m 中段)位于回風(fēng)井附近，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)直接進入回風(fēng)系統(tǒng)。

(4)通風(fēng)系統(tǒng)污風(fēng)循環(huán)問題。九曲分礦通風(fēng)系統(tǒng)總進風(fēng)量為31.22 m3/s，總回風(fēng)量為50.34 m3/s，約有20 m3/s污風(fēng)在進、回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，導(dǎo)致進風(fēng)風(fēng)質(zhì)受到污染。

(5)作業(yè)區(qū)域回風(fēng)困難，深部中段回風(fēng)量小。井下作業(yè)區(qū)域一般采用原采場溜井、充填井作為回風(fēng)井使用，井筒斷面小，倒段線路長，井筒聯(lián)巷封堵嚴重，有效過風(fēng)斷面小，通風(fēng)線路阻力較大，且部分中段(九曲礦段-620 m中段)回風(fēng)井位置不合理，導(dǎo)致新風(fēng)短路。九曲礦段-320 m中段以下回風(fēng)量為11.98 m3/s，大開頭礦段-320 m中段以下回風(fēng)量為2.75 m3/s。

(6)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機數(shù)量偏多，且多風(fēng)機聯(lián)合運行未從系統(tǒng)角度考慮其合理性。井下共設(shè)置有20臺風(fēng)機通風(fēng)，總裝機功率為939 kW，風(fēng)機數(shù)量多，安裝位置分散，裝機總?cè)萘看?，通風(fēng)系統(tǒng)能耗高，管理難度大。

(7)進風(fēng)井進風(fēng)不暢，構(gòu)筑物設(shè)置不合理，風(fēng)流紊亂。東豎井(-70 m盲豎井)中段石門巷均設(shè)有1道或2道風(fēng)門，部分處于常閉狀態(tài)，部分中段(-420 m 中段)風(fēng)流流向-70 m盲豎井，造成新風(fēng)和污風(fēng)循環(huán)。

(8)深部開拓掘進區(qū)域未形成有效通風(fēng)風(fēng)路，且未設(shè)置局扇輔助通風(fēng)，部分作業(yè)點風(fēng)溫達到32 ℃，高溫、高濕及有害氣體累積問題較嚴重。

(9)通風(fēng)構(gòu)筑物管理存在難度，井下部分(九曲礦段-70 m水平22#線北穿以北風(fēng)門)風(fēng)流存在短路現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1)礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計在運用先進的礦井通風(fēng)三維建模計算技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)對通風(fēng)基本理論特別是通風(fēng)阻力、礦井采礦工藝和礦山采掘計劃、通風(fēng)設(shè)備性能等進行深入細致的分析研究，設(shè)計過程中應(yīng)積極征求礦山生產(chǎn)及安全管理人員的意見和建議，設(shè)計方案須經(jīng)過通風(fēng)軟件進行計算機模擬解算并進行詳細的技術(shù)經(jīng)濟指標對比分析后方可確定。

(2)礦井通風(fēng)系統(tǒng)施工過程中的主要問題為通風(fēng)工程，包括系統(tǒng)通風(fēng)工程和采區(qū)中段通風(fēng)工程時常由于地質(zhì)條件或施工進度原因而無法達到設(shè)計方案的要求，生產(chǎn)過程中的通風(fēng)工程也往往滯后于安全生產(chǎn)進度要求甚至欠缺，造成通風(fēng)效果無法有效保障，且通風(fēng)能耗增加，并給礦井采掘生產(chǎn)造成安全隱患。

(3)對于國內(nèi)金屬礦山現(xiàn)有的生產(chǎn)條件來講，礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全管理是一個比較復(fù)雜的問題，應(yīng)建立系統(tǒng)的礦井通風(fēng)動態(tài)安全管理機制，應(yīng)對井下通風(fēng)管理工作與安全生產(chǎn)工作進行同等對待，不斷加強礦井作業(yè)人員的職業(yè)健康保護意識，通過開展相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，不斷提升礦山施工人員特別是通風(fēng)系統(tǒng)施工人員的綜合素質(zhì)。

(4)盡管我國金屬礦山礦井通風(fēng)管理智能化水平得到了大幅提升，但要構(gòu)建真正意義上的集礦井通風(fēng)系統(tǒng)模擬與優(yōu)化、實時監(jiān)測監(jiān)控、實時控制與管理功能于一體的智能型礦井通風(fēng)決策系統(tǒng)，仍需要進一步探索和實踐。

參 考 文 獻

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