冬瓜山銅礦老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造研究

董世華

（銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦）

金屬非金屬礦山采用多中段同時(shí)進(jìn)行開采時(shí)，井下作業(yè)面布置較為分散，生產(chǎn)區(qū)域隨時(shí)間變化較快，若通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整不及時(shí)，將導(dǎo)致井下通風(fēng)工程缺失、通風(fēng)設(shè)備設(shè)施調(diào)配滯后，使局部區(qū)域通風(fēng)效果較差［1-3］。冬瓜山銅礦老區(qū)在開采過程中，由于采礦范圍變化、產(chǎn)量減小、通風(fēng)工程調(diào)整等因素，礦山現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足將來生產(chǎn)需求。本研究針對該礦山通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上結(jié)合礦山生產(chǎn)規(guī)劃，從通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量合理分配角度提出通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造研究技術(shù)方案，優(yōu)化各機(jī)站設(shè)置，合理選擇通風(fēng)線路，為礦山下一步生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)，改善礦山未來一段時(shí)間內(nèi)的通風(fēng)質(zhì)量。

1 礦山及通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

冬瓜山銅礦地處安徽省銅陵市，東接滬杭鐵路，西臨長江通道，北靠寧蕪公路、寧銅鐵路，地理位置優(yōu)越，交通十分便捷。

1.1 礦山開拓工程

冬瓜山銅礦老區(qū)為豎井開拓，主要開拓工程包括冬瓜山主井、冬瓜山副井、冬瓜山進(jìn)風(fēng)井、大團(tuán)山副井、老鴉嶺措施井、老鴉嶺（花樹坡）倒段回風(fēng)井及大團(tuán)山倒段回風(fēng)井。各井筒的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

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1.2 礦山生產(chǎn)情況

礦山多中段同時(shí)進(jìn)行回采，各采區(qū)探礦、掘進(jìn)、充填等作業(yè)點(diǎn)分散。經(jīng)過多年開采，礦山主要生產(chǎn)區(qū)域及產(chǎn)量與之前相比有較大變化：生產(chǎn)作業(yè)面均轉(zhuǎn)向-520 m 中段以下，淺部只存在少數(shù)充填作業(yè)面需要一定的新鮮風(fēng)流；井下-730 m 中段以上產(chǎn)量逐年減少，預(yù)計(jì)2 a 后-730 m 中段以上花樹坡采區(qū)回采作業(yè)基本結(jié)束，只存在少量充填作業(yè)面，大團(tuán)山（包括團(tuán)山頂沿）采區(qū)產(chǎn)量也將逐步減少。

1.3 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦山采用兩翼對角抽出式通風(fēng)，一部分新鮮風(fēng)流通過大團(tuán)山副井進(jìn)入井下，其他風(fēng)流通過冬瓜山副井和冬瓜山進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入井下，然后從各中段車場及石門巷分別進(jìn)入大團(tuán)山、團(tuán)山頂巖和花樹坡各礦段作業(yè)面，沖洗工作面后污風(fēng)經(jīng)采場天井回到上水平回風(fēng)側(cè)或直接通過本水平回風(fēng)大巷進(jìn)入本水平端部的倒段回風(fēng)井，最終沿西部花樹坡倒段回風(fēng)井、東部團(tuán)山倒段回風(fēng)井排至地表。該礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀見圖1。

礦山通風(fēng)系統(tǒng)主要進(jìn)、回風(fēng)機(jī)站的風(fēng)機(jī)型號、數(shù)量、工作方式等見表2。

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1.4 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀評價(jià)

經(jīng)現(xiàn)場檢測通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)及分析相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)冬瓜山銅礦老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)主要存在的問題有以下幾項(xiàng)。

（1）回風(fēng)線路發(fā)生較大變化。花樹坡采區(qū)的污風(fēng)由花樹坡倒段風(fēng)井經(jīng)上部老鴉嶺風(fēng)井排出地表。由于老鴉嶺采區(qū)尚有較多的小采空區(qū)未進(jìn)行充填，存在安全風(fēng)險(xiǎn)及跑風(fēng)漏風(fēng)現(xiàn)象，需要對其進(jìn)行充填治理。但老鴉嶺-280 m 中段以上已閉坑多年，存在著老鴉嶺風(fēng)井一側(cè)的封閉墻多且施工材料和人員難以到達(dá)現(xiàn)場的難題，施工難度極大。因此，老鴉嶺回風(fēng)井（-390 m 水平以上）將隨老鴉嶺采空區(qū)同時(shí)充填，導(dǎo)致井下花樹坡采區(qū)污風(fēng)無法繼續(xù)通過老鴉嶺回風(fēng)井排至地表。因此，進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究時(shí)，要充分考慮老鴉嶺回風(fēng)井充填后礦山的整體通風(fēng)線路。

（2）通風(fēng)設(shè)施設(shè)備損壞。井下部分主扇及輔扇風(fēng)機(jī)（如-460 m 團(tuán)山回風(fēng)機(jī)站等）因使用年限較長，風(fēng)機(jī)外殼已經(jīng)發(fā)生腐蝕變形，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率較低，風(fēng)機(jī)性能已經(jīng)不滿足礦山通風(fēng)需要。部分區(qū)域（如-580 m 大團(tuán)山采區(qū)）未根據(jù)生產(chǎn)變動(dòng)及時(shí)增加風(fēng)門等構(gòu)筑物，導(dǎo)致井下局部區(qū)域風(fēng)量不足或風(fēng)流線路不合理。

（3）局部區(qū)域通風(fēng)較差。由于井下通風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，部分通風(fēng)構(gòu)筑物管理不及時(shí)，導(dǎo)致井下局部區(qū)域（如-520 m 大團(tuán)山采區(qū)）存在污風(fēng)循環(huán)現(xiàn)象，該區(qū)域通風(fēng)效果較差。

由于礦山生產(chǎn)情況的變化，需對礦山通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，根據(jù)礦山各采區(qū)的實(shí)際產(chǎn)量及需風(fēng)位置的變化，重新核算井下需風(fēng)量，并對已有回風(fēng)機(jī)站進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量滿足現(xiàn)有生產(chǎn)需求，各采區(qū)及各水平風(fēng)量合理分配。

2 通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)控制技術(shù)

2.1 優(yōu)化思路

由于礦山開采位置向深部轉(zhuǎn)移、-730 m 中段以上產(chǎn)量逐年減少，礦山目前的通風(fēng)系統(tǒng)不完全滿足生產(chǎn)現(xiàn)狀。另一方面，老鴉嶺回風(fēng)井將隨上部空區(qū)一起充填，導(dǎo)致花樹坡采區(qū)通風(fēng)線路發(fā)生較大變化。針對上述問題，主要從以下幾個(gè)方面對該礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

（1）從通風(fēng)系統(tǒng)整體角度考慮，選擇合適的通風(fēng)線路，將花樹坡采區(qū)污風(fēng)引至大團(tuán)山采區(qū)，通過團(tuán)山回風(fēng)井排至地表。

（2）根據(jù)目前生產(chǎn)情況核算礦井總風(fēng)量，調(diào)節(jié)各生產(chǎn)區(qū)域回風(fēng)主輔扇，取消部分回風(fēng)輔扇，減少通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)耗功率，降低通風(fēng)能耗。

2.2 總風(fēng)量核算

礦井總風(fēng)量應(yīng)取各種風(fēng)量計(jì)算方法中的較大值，對比各計(jì)算結(jié)果可知，該礦山按排塵風(fēng)速計(jì)算的需風(fēng)量最大，即為該礦山礦井總需風(fēng)量。計(jì)算方法為

式中，Qp為按排塵風(fēng)速計(jì)算的作業(yè)面需風(fēng)量，m3/s；v為各類型作業(yè)面要求的排塵風(fēng)速，m/s；S為作業(yè)地點(diǎn)實(shí)際井巷斷面積，m2。

根據(jù)礦山實(shí)際生產(chǎn)規(guī)劃，按排塵風(fēng)速計(jì)算各工作面所需的風(fēng)量，結(jié)果見表3。

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根據(jù)表3，冬瓜山銅礦老區(qū)礦井總需風(fēng)量Qp=102.57 m3/s。礦井總風(fēng)量等于礦井需風(fēng)量與礦井風(fēng)量備用系數(shù)Kb的乘積，Kb的取值范圍為1.20～1.45。

該礦山采用充填法進(jìn)行開采，考慮到礦山不存在外部漏風(fēng)通道、井下無軌設(shè)備較少、通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量分配較容易等情況，確定該礦山通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量備用系數(shù)Kb值取為1.2，則礦井總風(fēng)量Qz=122.57 m3/s，取整數(shù)為123 m3/s。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案

根據(jù)上述研究思路，該礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造研究主要對以下3個(gè)方案進(jìn)行比較。

（1）方案一?；淦虏蓞^(qū)-390 m 水平以下回風(fēng)線路不變，花樹坡采區(qū)污風(fēng)回至-390 m 水平后，將污風(fēng)沿-390 m 通風(fēng)巷引至大團(tuán)山采區(qū)-390 m 回風(fēng)側(cè)，通過-390～-460 m 團(tuán)山倒段回風(fēng)井進(jìn)入-460 m 團(tuán)山回風(fēng)側(cè)，在-460 m 大團(tuán)山采區(qū)回風(fēng)主扇作用下，污風(fēng)進(jìn)入大團(tuán)山采區(qū)回風(fēng)井，在地表回風(fēng)機(jī)站作用下將污風(fēng)排至地表。

（2）方案二?；淦虏蓞^(qū)-390 m 水平以下回風(fēng)線路不變，花樹坡采區(qū)污風(fēng)回至-390 m 水平后，通過-390～-430 m倒段風(fēng)井（新設(shè)計(jì)）進(jìn)入-430 m水平；污風(fēng)沿著-430 m 大巷進(jìn)入大團(tuán)山采區(qū)回風(fēng)側(cè)，通過-430～-460 m 團(tuán)山倒段回風(fēng)井進(jìn)入-460 m 團(tuán)山回風(fēng)側(cè)，在-460 m 大團(tuán)山采區(qū)回風(fēng)主扇作用下，進(jìn)入大團(tuán)山采區(qū)回風(fēng)井，在地表回風(fēng)機(jī)站作用下將污風(fēng)排至地表。

（3）方案三?；淦虏蓞^(qū)-390 m 水平以下回風(fēng)線路不變，花樹坡采區(qū)污風(fēng)回至-390 m 水平后，通過花樹坡26 線-390～-460 m 倒段風(fēng)井進(jìn)入-460 m 水平；污風(fēng)沿著-460 m 大巷進(jìn)入大團(tuán)山采區(qū)回風(fēng)側(cè)，在-460 m大團(tuán)山采區(qū)回風(fēng)主扇作用下，進(jìn)入大團(tuán)山采區(qū)回風(fēng)井，在地表回風(fēng)機(jī)站作用下將污風(fēng)排至地表。

對上述3 個(gè)優(yōu)化改造方案進(jìn)行綜合比較（表4）。雖然方案二通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量能滿足計(jì)算的礦井總風(fēng)量，系統(tǒng)阻力適中，但是方案二需要新施工一條通風(fēng)井巷，現(xiàn)場不具備作業(yè)條件，所以該方案實(shí)施難度較大，故不采用方案二。方案三通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量最大，阻力較小，風(fēng)機(jī)能耗最低，但是將-460 m 作為回風(fēng)水平，則該水平?jīng)]有新鮮風(fēng)進(jìn)入，將對后期-460 m 團(tuán)山頂巖回采造成較大影響，不利于安全生產(chǎn)；且該方案通風(fēng)系統(tǒng)存在較多通風(fēng)構(gòu)筑物，通風(fēng)系統(tǒng)管理工作難度大，故不采用方案三。相比于其他2 個(gè)方案，方案一實(shí)施難度最小，且對礦山通風(fēng)系統(tǒng)影響最小，能夠在不影響生產(chǎn)及安全的前提下進(jìn)行施工，保證通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造平穩(wěn)過渡。經(jīng)過綜合考慮，冬瓜山銅礦老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造選擇方案一作為最終方案。優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

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2.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算

Ventsim 是一款專用的通風(fēng)系統(tǒng)三維仿真軟件，能將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果通過三維動(dòng)態(tài)圖形展示，從而便于驗(yàn)證通風(fēng)方案的合理性與預(yù)期效果［4-5］。通風(fēng)系統(tǒng)仿真模擬的一般步驟：建立三維通風(fēng)系統(tǒng)圖→調(diào)整模型中各節(jié)點(diǎn)、分支、風(fēng)路，使通風(fēng)模型現(xiàn)場實(shí)際一致→設(shè)置主要風(fēng)路的斷面參數(shù)、阻力參數(shù)以及風(fēng)機(jī)參數(shù)等→進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)三維仿真模擬。對冬瓜山銅礦老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果見表5、表6。

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根據(jù)解算結(jié)果，冬瓜山銅礦老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量將達(dá)到125.05 m3/s，滿足計(jì)算的礦井總風(fēng)量（123 m3/s），各機(jī)站風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較高，能有效克服通風(fēng)系統(tǒng)各段阻力。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案實(shí)施后，通風(fēng)系統(tǒng)裝機(jī)功率最低減少275.5 kW，年通風(fēng)能耗節(jié)省約163.6萬元，節(jié)能效果顯著。

3 結(jié) 語

綜合考慮通風(fēng)系統(tǒng)存在問題及回風(fēng)線路變化，選擇合適的通風(fēng)線路將花樹坡采區(qū)污風(fēng)引至大團(tuán)山采區(qū)，通過團(tuán)山回風(fēng)進(jìn)排至地表。礦山通風(fēng)系統(tǒng)主要通風(fēng)線路經(jīng)過多次倒段后，通風(fēng)系統(tǒng)總阻力將明顯增大，采用多級通風(fēng)機(jī)站進(jìn)行接力通風(fēng)，不僅能有效克服系統(tǒng)通風(fēng)阻力，而且容易實(shí)現(xiàn)礦井風(fēng)量合理分配。在選擇各級通風(fēng)機(jī)站的風(fēng)機(jī)時(shí)，不僅要考慮風(fēng)機(jī)風(fēng)壓是否能克服較大通風(fēng)阻力，還要保證該機(jī)站附近區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免發(fā)生局部區(qū)域風(fēng)流循環(huán)、短路現(xiàn)象發(fā)生。