高海拔礦山通風(fēng)系統(tǒng)改造方案優(yōu)選研究

姚銀佩，歐志成，李印洪，周英烈

(1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，長(zhǎng)沙 410014；2.四川鑫源礦業(yè)有限責(zé)任公司，四川 甘孜 626000；3.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410014)

四川鑫源礦業(yè)有限責(zé)任公司呷村銀多金屬礦是一座資源較豐富、品位高、易開(kāi)采、難分選、工藝流程較復(fù)雜的銀、銅、鉛、鋅、金等多金屬礦山采選企業(yè)。礦山采用平硐開(kāi)拓，主平硐設(shè)在3 886 m。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，井巷縱橫交錯(cuò)，錯(cuò)綜復(fù)雜，現(xiàn)井下有8個(gè)中段，其中4 200 m中段以上均已采完，采掘作業(yè)面主要分布在4 160 m、4 100 m、4 050 m、4 000 m、3 886 m等5個(gè)中段。礦山計(jì)劃生產(chǎn)能力逐年提高，年產(chǎn)礦石量從50萬(wàn)t/a逐漸提升至100萬(wàn)t/a。

盡管近幾年礦山對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整，但效果不佳，由于呷村礦區(qū)地表塌陷形成“天窗”，造成井下通風(fēng)系統(tǒng)短路漏風(fēng)；同時(shí)礦山地處高海拔地區(qū)，屬于高山采礦通風(fēng)類型，空氣含氧量低，尤其是井下開(kāi)采新鮮空氣需氧量大，并且地表氣溫變化大，致使礦井通風(fēng)系統(tǒng)受自然風(fēng)壓影響較大，風(fēng)流方向隨季節(jié)而變化，寒冷季節(jié)主要進(jìn)風(fēng)平硐口面臨結(jié)冰等問(wèn)題，造成礦山井下需風(fēng)量不足，污風(fēng)串聯(lián)嚴(yán)重，炮煙難以較快排出地表，影響井下正常的安全生產(chǎn)。所以，對(duì)呷村銀多金屬礦當(dāng)前井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查測(cè)定，并結(jié)合深部資源開(kāi)采進(jìn)行研究分析，以滿足礦山井下生產(chǎn)通風(fēng)需求，確保安全生產(chǎn)[1]。

1 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

呷村銀多金屬礦井下的通風(fēng)現(xiàn)狀為單翼對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)。進(jìn)風(fēng)從4 200 m、4 160 m、4 100 m、4 050 m、3 886 m中段平硐+斜井進(jìn)入井下各中段生產(chǎn)區(qū)域，回風(fēng)利用位于0線、7線回風(fēng)井，分別由安裝在4 250 m中段兩個(gè)出口的兩臺(tái)K45-6NO.18-160 kW主扇抽出地表。井巷掘進(jìn)工作面、各種硐室、裝卸礦點(diǎn)以及采場(chǎng)工作面采用局扇或輔扇輔助通風(fēng)。

2 通風(fēng)系統(tǒng)存在問(wèn)題分析

根據(jù)呷村多金屬礦井下通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與測(cè)定[2]，分析目前礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)主要存在以下問(wèn)題：

1)通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)量小。0線風(fēng)井和7線風(fēng)井主扇安裝硐室檢修門(mén)變形損壞，風(fēng)流短路嚴(yán)重，兩臺(tái)主扇的回風(fēng)量之和為78.1 m3/s。若呷村多金屬礦產(chǎn)量增加至100 萬(wàn)t/a來(lái)計(jì)算，礦井需風(fēng)量應(yīng)為176 m3/s，而現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量?jī)H能夠滿足生產(chǎn)需求的44.3%。

2)上、下中段之間未形成良好的中段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，存在污風(fēng)串聯(lián)，污風(fēng)排出困難，致使通風(fēng)效果較差。

3)礦山地處高海拔地區(qū)，井下開(kāi)采使用單翼對(duì)角地表抽出式主扇通風(fēng)，與高海拔礦井通風(fēng)方式不匹配[3]。

4)0線回風(fēng)井位于礦體的中央下盤(pán)，距離礦體水平距離超過(guò)200 m，難以作為礦塊回采回風(fēng)井使用，僅宜作為溜井卸礦作業(yè)排塵使用。

5)7線回風(fēng)井?dāng)嗝嬉?guī)格為2.5 m×2.5 m，斷面積較小，不具備全礦統(tǒng)一通風(fēng)回風(fēng)能力。

6)井下開(kāi)采導(dǎo)致4 250 m中段0線、7線兩條通地表的主回風(fēng)平硐發(fā)生變形，并有增大的趨勢(shì)，需對(duì)井下空區(qū)及時(shí)治理，防止主回風(fēng)平硐破壞。

7)通風(fēng)系統(tǒng)目前使用的電熱設(shè)備預(yù)熱冬季進(jìn)風(fēng)，能耗高，預(yù)熱進(jìn)風(fēng)效果差，不能滿足冬季作業(yè)進(jìn)風(fēng)預(yù)熱需求。

8)礦山當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控手段單一。

9)礦山進(jìn)入深部開(kāi)采后，僅有3 886 m平硐和明斜井進(jìn)風(fēng)，斷面小，阻力大，不能滿足通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)需求。

3 通風(fēng)系統(tǒng)方案

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)方案的確定因素

呷村銀多金屬礦井下通風(fēng)系統(tǒng)方案的確定要考慮很多因素，主要有以下方面：

1)礦山開(kāi)采期限長(zhǎng)，開(kāi)采范圍廣，開(kāi)采中段多，井下開(kāi)拓系統(tǒng)比較復(fù)雜，復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)宜采用分區(qū)式多翼通風(fēng)方式。

2)呷村銀多金屬礦井下通風(fēng)系統(tǒng)中段之間的回風(fēng)井?dāng)嗝嫘?，通風(fēng)系統(tǒng)阻力大，主扇風(fēng)量小、風(fēng)壓偏低，通風(fēng)系統(tǒng)能力小，與井下生產(chǎn)系統(tǒng)不相匹配，需通風(fēng)增加進(jìn)回風(fēng)井?dāng)嗝?、增大主扇能力?lái)解決現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)能力不足的問(wèn)題。

3)呷村銀多金屬礦地處高原(海拔3 886～4 300 m)，低壓缺氧，對(duì)人和設(shè)備的工作效率具有不良影響，使用增壓通風(fēng)方式改善井下氧氣含量低的情況，提高井下環(huán)境舒適度[4]。高原地區(qū)電機(jī)效率偏低，高原主扇應(yīng)使用高原電機(jī)并考慮降效問(wèn)題[5]。

4)針對(duì)礦山冬季寒冷，低溫冰凍影響生產(chǎn)的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)使用的冬季進(jìn)風(fēng)電預(yù)熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用高，且預(yù)熱進(jìn)風(fēng)效果不佳，而礦山上部生產(chǎn)結(jié)束中段巷道位于地層恒溫帶或增溫帶，具有地溫預(yù)熱進(jìn)風(fēng)流的基礎(chǔ)條件[6-7]。

5)結(jié)合礦山實(shí)際生產(chǎn)條件，充分利用現(xiàn)有井巷工程和設(shè)備設(shè)施，滿足生產(chǎn)需求，確保系統(tǒng)安全可靠，力求技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)方案

3.2.1 通風(fēng)系統(tǒng)方案的提出

根據(jù)呷村銀多金屬礦井下開(kāi)采技術(shù)條件、井下通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際情況，結(jié)合有關(guān)規(guī)定，提出了兩個(gè)可行的通風(fēng)系統(tǒng)方案，并對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行論述及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

方案一：中央進(jìn)風(fēng)兩翼回風(fēng)對(duì)角抽壓混合式地溫預(yù)熱通風(fēng)系統(tǒng)方案；

方案二：?jiǎn)我磉M(jìn)風(fēng)對(duì)角抽出式電預(yù)熱通風(fēng)系統(tǒng)方案。

3.2.2 中央進(jìn)風(fēng)兩翼回風(fēng)對(duì)角抽壓混合式地溫預(yù)熱通風(fēng)系統(tǒng)方案(方案一)

1)進(jìn)風(fēng)路線

寒冷季節(jié)進(jìn)風(fēng)路線：新鮮空氣從4 200 m中段主平硐口進(jìn)入，4 200 m中段1線新掘進(jìn)風(fēng)井至3 886 m中段，并與4 160～3 886 m等中段連通，解決以上各中段進(jìn)風(fēng)，新鮮風(fēng)流經(jīng)中段下盤(pán)運(yùn)輸巷、穿脈到達(dá)各作業(yè)點(diǎn)。寒冷季節(jié)時(shí)安裝在4 200 m中段的壓入式主扇按工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，將新鮮風(fēng)流壓入井下各中段。在寒冷季節(jié)地表新鮮冷空氣經(jīng)過(guò)與4 200 m平巷、1線專用主進(jìn)風(fēng)井周圍巖溫預(yù)熱后進(jìn)入各中段，同時(shí)將6線(新掘)、7線抽出式主扇變頻降速運(yùn)轉(zhuǎn)，促使抽出式主扇風(fēng)量小于壓入式主扇風(fēng)量，預(yù)熱后的中段風(fēng)流少量風(fēng)量從 4 160～3 886 m等各平硐口及明斜井微速出風(fēng)，以解決寒冷時(shí)期的凍井問(wèn)題[8]。

炎熱季節(jié)進(jìn)風(fēng)路線：新鮮空氣從4 200 m中段主平硐口進(jìn)入，在4 200 m中段1線位置新掘?qū)Ｓ眠M(jìn)風(fēng)井通3 886 m中段，并與4 160～3 886 m等中段連通，解決以上各生產(chǎn)中段的進(jìn)風(fēng)，其新鮮風(fēng)流經(jīng)中段下盤(pán)運(yùn)輸巷、穿脈到達(dá)各作業(yè)點(diǎn)。在4 200 m中段1線以北入風(fēng)巷安裝壓入式主扇，并根據(jù)井下生產(chǎn)作業(yè)量對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)要求對(duì)該主扇進(jìn)行變頻降速調(diào)控，將安裝在4 200 m中段6線(新掘)、4 250 m中段7線抽出式主扇按工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，致使抽出式主扇風(fēng)量大于壓入式主扇風(fēng)量，促使4 160～3 886 m等各中段平硐口及明井進(jìn)風(fēng)。

2)回風(fēng)路線

在現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)中，各中段下盤(pán)運(yùn)輸?shù)兰仁切迈r風(fēng)流進(jìn)入通道，也是聯(lián)通主回風(fēng)井，收集污風(fēng)的排出通道，造成污風(fēng)串聯(lián)和漏風(fēng)現(xiàn)象，故對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)的污風(fēng)排出通道進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。將4 100～3 886 m等各中段礦體穿脈之間上盤(pán)連通，形成上盤(pán)回風(fēng)道，構(gòu)建平行雙巷式中段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，使各中段作業(yè)面污風(fēng)經(jīng)上盤(pán)回風(fēng)道匯集至6線北翼回風(fēng)井(新掘)和7線南翼回風(fēng)井，分別由4 200 m中段、4 250 m中段回風(fēng)平硐主扇排出地表。0線風(fēng)井作為溜井卸礦作業(yè)排塵使用，見(jiàn)圖1。

圖1 中央進(jìn)風(fēng)兩翼回風(fēng)對(duì)角抽壓混合式地溫預(yù)熱通風(fēng)系統(tǒng)方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of forced-exhaust diagonal ventilation scheme preheating by ground temperature with central intake and two wings return

3.2.3 單翼進(jìn)風(fēng)對(duì)角抽出式電預(yù)熱通風(fēng)系統(tǒng)方案(方案二)

1)進(jìn)風(fēng)路線

進(jìn)風(fēng)路線延續(xù)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)各中段平硐進(jìn)風(fēng)路線，夏季進(jìn)風(fēng)路線與寒冷季節(jié)進(jìn)風(fēng)線路相同，即由3 886 m主平硐、4 160、4 100、4 000、3 950 m等各中段平硐、4 100 m明斜井進(jìn)風(fēng)，經(jīng)中段下盤(pán)運(yùn)輸巷、穿脈到達(dá)各作業(yè)點(diǎn)。考慮到冬季平硐及部分作業(yè)點(diǎn)結(jié)冰影響生產(chǎn)，在各進(jìn)風(fēng)口設(shè)置電熱器，按照進(jìn)風(fēng)量的大小，分別安裝數(shù)臺(tái)50 kW的電熱器，對(duì)進(jìn)風(fēng)風(fēng)流進(jìn)行加熱，抑制或防止平硐口、下盤(pán)運(yùn)輸?shù)?、部分采?chǎng)結(jié)冰。同時(shí)，考慮到3 886 m以下深部中段開(kāi)采進(jìn)風(fēng)不足，仍需掘進(jìn)1線4 200 m至3 886 m專用進(jìn)風(fēng)井。

圖2 單翼進(jìn)風(fēng)對(duì)角抽出式電預(yù)熱通風(fēng)系統(tǒng)方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of single wing intake diagonal extraction ventilation scheme with electric preheating

2)回風(fēng)路線

回風(fēng)路線與方案一類似，在采礦過(guò)程中，將4 100～3 886 m等各中段礦體穿脈之間的上盤(pán)連通，形成上盤(pán)回風(fēng)道，構(gòu)建平行雙巷式中段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。不同于方案一的是，各中段作業(yè)面污風(fēng)經(jīng)上盤(pán)回風(fēng)道匯集后，污風(fēng)進(jìn)入南翼7線回風(fēng)井、13線回風(fēng)井(新掘)并聯(lián)回風(fēng)，經(jīng)由地表主扇排出。0線風(fēng)井作為溜井卸礦作業(yè)排塵使用(圖2)。

4 通風(fēng)系統(tǒng)方案優(yōu)選

1)方案技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

兩個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)方案技術(shù)比較表

2)方案費(fèi)用對(duì)比

方案費(fèi)用比選主要內(nèi)容包括工程費(fèi)、設(shè)備費(fèi)及運(yùn)行費(fèi)用等。

方案一主要工程為中央1線進(jìn)風(fēng)井、北翼6線回風(fēng)井等，工程費(fèi)用為813.11萬(wàn)元，方案二主要工程為中央1線進(jìn)風(fēng)井、13線回風(fēng)井等，工程費(fèi)用為813.83萬(wàn)元，兩個(gè)方案的工程費(fèi)用基本相同。

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)方案阻力計(jì)算，方案一通風(fēng)系統(tǒng)使用5臺(tái)主扇，需新購(gòu)風(fēng)機(jī)4臺(tái)，兩臺(tái)型號(hào)為K40-6-NO.21-200 kW，另兩臺(tái)型號(hào)為K45-6NO.19-200 kW，設(shè)備費(fèi)用為185.89萬(wàn)元。方案二使用3臺(tái)主扇，需新購(gòu)主扇2臺(tái)，型號(hào)K45-6-NO.21-250 kW，計(jì)188.64萬(wàn)元；冬季采用電熱器預(yù)熱進(jìn)，需50 kW礦用電熱器64個(gè)，計(jì)91萬(wàn)元，設(shè)備費(fèi)用為279.64萬(wàn)元。

方案一使用5臺(tái)主扇，額定功率為900 kW，通過(guò)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)功率約為700 kW，年耗電量為4 905 600 kW·h/a。

方案二使用4臺(tái)主扇及3 200 kW的電熱器，主扇功率660 kW，電預(yù)熱器全年平均攤?cè)?00 kW，年耗電量為11 086 656 kW·h/a。

按電費(fèi)0.5元/度計(jì)算，方案一年電費(fèi)為245.28萬(wàn)元，方案二年電費(fèi)為554.34萬(wàn)元， 所以，方案一較方案二運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約309.06萬(wàn)元/a。

兩個(gè)方案工程、設(shè)備及年運(yùn)行電費(fèi)使用情況見(jiàn)表2。

表2 方案費(fèi)用比較表

3)方案確定

通過(guò)兩個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)方案在技術(shù)方面的比較[9]，方案一的優(yōu)點(diǎn)顯著優(yōu)越于方案二，存在每年運(yùn)行費(fèi)用少、通風(fēng)調(diào)控靈活、能實(shí)現(xiàn)按炎熱季節(jié)和寒冷季節(jié)兩種運(yùn)轉(zhuǎn)方式通風(fēng)，特別是能解決寒冷季節(jié)進(jìn)風(fēng)平硐口結(jié)冰而停產(chǎn)的重大技術(shù)難題，較好地適應(yīng)呷村銀多金屬礦的井下生產(chǎn)調(diào)整。采用壓抽混合式通風(fēng)系統(tǒng)為高原礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)改善作業(yè)環(huán)境的首選方案。兩個(gè)方案工程費(fèi)用基本相同，方案二的設(shè)備費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)用較高。綜上所述，選擇方案一，即中央進(jìn)風(fēng)兩翼回風(fēng)對(duì)角抽壓混合式地溫預(yù)熱通風(fēng)系統(tǒng)方案作為呷村銀多金屬礦井下通風(fēng)系統(tǒng)方案。

4 結(jié)論

在呷村銀多金屬礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，提出了兩種礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從方案技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)、工程費(fèi)用、設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用等方面進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)選出中央進(jìn)風(fēng)兩翼回風(fēng)對(duì)角抽壓混合式地溫預(yù)熱通風(fēng)方案，該方案具有井下增壓效果和利用地溫預(yù)熱冷空氣防止冬季凍井的特點(diǎn)，可對(duì)類似高海拔礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造提供參考。