謝世勇，黃俊歆

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000;2.湖南工學(xué)院 安全與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

1 礦井概況

茶山礦隸屬于南星銻業(yè)有限公司，始建于1975年，位于南丹市車河鎮(zhèn)西南3.5 km處。全區(qū)地質(zhì)礦量269.5萬t，生產(chǎn)正常期年產(chǎn)礦石量10～15萬t，其中南礦段為 6～9萬 t，北礦段為 4～6萬 t，年均工業(yè)總產(chǎn)值約5000～6000萬元，屬于小型礦山。

礦區(qū)有兩種類型的礦床，一種為夕卡巖型鋅銅礦床，多呈礦化，僅局部呈層間小礦體，由北向南逐漸減弱。一種為熱液充填石英脈型銻鎢礦床，即28號脈，伴生有銀、鉛、鋅、銅、金和瑩石等，由若干條呈側(cè)幕排列的脈組成，北段開采的為28號脈。采用留頂、底柱和間柱的普通淺孔留礦法進(jìn)行開采，目前使用自然通風(fēng)方式，井下通風(fēng)狀況較差。

2 通風(fēng)系統(tǒng)改造的必要性

茶山礦屬于小型礦山，當(dāng)前的采掘作業(yè)區(qū)，多為堅硬的塊狀體，礦體頂?shù)装宓膸r石主要為泥灰?guī)r，巖性比較堅硬、結(jié)構(gòu)中等穩(wěn)固。目前已開拓形成355、310、290、260、230、190、170、150、120、100、70 中段，其中170以上的中段已開采完畢，相鄰各中段有人行通風(fēng)井作為應(yīng)急出口，采用斜井絞車提升。礦井采用自然通風(fēng)，原設(shè)計新鮮風(fēng)流由斜井坑口（井口標(biāo)高+444.68 m）和淺部斜井（原五一窿平巷，井口標(biāo)高+444.68 m）經(jīng)各級斜井進(jìn)入各個開采中段的各個采場，再經(jīng)各中段回風(fēng)天井進(jìn)入上中段的回風(fēng)巷，從三岔河坑口（井口標(biāo)高+474.704 m）和六廟坑口（井口標(biāo)高+442 m）排出地表?，F(xiàn)階段通風(fēng)系統(tǒng)圖見圖1。

但實際上，由于自然風(fēng)壓隨氣候、季節(jié)的變化而變化，而且礦井開采已轉(zhuǎn)入深部，通風(fēng)問題日益突出，已經(jīng)成為制約茶山礦安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”。目前南礦段存在的問題如下：

（1）礦井風(fēng)量小，風(fēng)壓低。南礦段現(xiàn)有四個坑口：深部斜井、三岔河坑口、淺部斜井、六廟坑口，每個坑口均有提升運(yùn)輸和行人?，F(xiàn)有的進(jìn)風(fēng)井有深部斜井、淺部斜井等處，風(fēng)量分別為3.85 m3/s和1.28 m3/s，風(fēng)速分別為0.35 m/s和0.41 m/s。出風(fēng)井有三岔河、六廟坑口，出風(fēng)量分別為8.73 m3/s和3.95 m3/s，風(fēng)速分別為1.36 m/s和0.38 m/s，進(jìn)、回風(fēng)井的自然風(fēng)壓為87 Pa。由于礦井總進(jìn)風(fēng)量很小，風(fēng)壓低，造成井下工作環(huán)境極為惡劣，有的采掘工作面基本上無風(fēng)，嚴(yán)重缺氧，所有指標(biāo)均不符合規(guī)范[1]，現(xiàn)有的自然通風(fēng)不能滿足礦井通風(fēng)要求。

（2）井下溫度高，濕度大。我國現(xiàn)行評價礦井氣候的指標(biāo)是干球溫度，金屬礦山最高允許的干球溫度為28°[1]，而井下測試的溫度絕大部分都在此值以上，有的超過37°，并且濕度高達(dá)100%。

圖1 茶山礦南礦段現(xiàn)階段通風(fēng)系統(tǒng)

（3）通風(fēng)系統(tǒng)紊亂，漏風(fēng)嚴(yán)重。通過對南礦段通風(fēng)現(xiàn)狀進(jìn)行現(xiàn)場勘察及測試，發(fā)現(xiàn)井下無任何通風(fēng)設(shè)施及通風(fēng)構(gòu)筑物，導(dǎo)致風(fēng)流亂串，漏風(fēng)嚴(yán)重；且有多處與老塘相通，對已廢棄巷道或采場未采取封閉措施或封閉不嚴(yán)，許多中段巷道受地壓破壞，漏風(fēng)嚴(yán)重，有效風(fēng)量嚴(yán)重不足[1]，有效風(fēng)量率僅為46.9%。

（4）事故隱患多。據(jù)統(tǒng)計，茶山礦自建礦以來，發(fā)生過多起傷亡事故，從事故發(fā)生的時間看，主要集中在每年的4～7月份。其原因主要是在這一段時間雨水多，空氣濕度大，天氣變化無常，井下空氣質(zhì)量差，作業(yè)環(huán)境十分惡劣，采場工人容易疲勞困乏，事故隱患增加。

綜上所述，茶山礦目前的通風(fēng)狀況已嚴(yán)重制約礦井的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高，已到了非改不可的地步。小型礦山合理開采服務(wù)年限為30年，礦井按照設(shè)計開采了10余年，按提交的儲量情況尚可服務(wù)近20年。因此，改造設(shè)計和優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)，對于茶山礦的安全生產(chǎn)和礦井的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

3 通風(fēng)阻力測定與分析

3.1 通風(fēng)阻力的測定

采用氣壓計逐點測定法進(jìn)行礦井通風(fēng)阻力測定。選定1條主要測風(fēng)路線，基點定在進(jìn)風(fēng)斜井井口。將2臺同型號的精密氣壓計放置在基點處，同時讀取絕對壓力值后，一臺氣壓計留在基點，每隔5 min記錄一次氣壓計變化值；另一臺氣壓計用于井下沿預(yù)定測定路線逐點測壓，記錄測壓時間、讀取壓力變化值并測量其他通風(fēng)相關(guān)參數(shù)。待全部測定完畢，重新回到基點，再校對氣壓計的讀數(shù)[2～4]。

礦井其他次要巷道通風(fēng)阻力以及局部通風(fēng)阻力采用膠皮管－壓差計測定方法。測定過程中，測點選擇要求風(fēng)流沒有分風(fēng)或匯風(fēng)流，且風(fēng)流穩(wěn)定、巷道斷面比較規(guī)整，測站擺放在節(jié)點上下側(cè)5～7 m的位置。

表1 測點位置說明

3.2 測定結(jié)果分析

測定后，對通風(fēng)阻力分布情況、礦井有效風(fēng)量率等測定結(jié)果進(jìn)行了分析。

（1）通風(fēng)阻力分布情況。礦井通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)路可分為進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段。所測定路線上通風(fēng)阻力分布比例為 1∶1.05∶8.94，見表 2。

一般礦井的進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段阻力分配比例為3∶3∶4[4-5]，從茶山礦南礦段實際測量結(jié)果看出，測試通風(fēng)路線上，回風(fēng)段通風(fēng)阻力所占比例過大。

表2 礦井主要通風(fēng)路線阻力分布情況

（2）礦井有效風(fēng)量率。礦井有效風(fēng)量是指風(fēng)流通過井下各工作地點，包括獨(dú)立采礦工作面、掘進(jìn)工作面、硐室和其他用風(fēng)地點的實際風(fēng)量的總和。

通過現(xiàn)場實際測量，礦井總風(fēng)量為8.73 m3/s，礦井有效風(fēng)量為4.09 m3/s。因此礦井有效風(fēng)量率為：

不符合規(guī)范中礦井有效風(fēng)量率不低于60%的規(guī)定[1]。

4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案

4.1 通風(fēng)系統(tǒng)的選擇

根據(jù)28號礦體在礦區(qū)的分布范圍、現(xiàn)有礦井開拓方法、井巷的布置、采準(zhǔn)布置形式、采空區(qū)和老塘的位置、大小以及它們和地表的溝通程度，茶山礦的通風(fēng)系統(tǒng)從技術(shù)上考慮可采用集中通風(fēng)系統(tǒng)和分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)兩種。但從經(jīng)濟(jì)上分析，構(gòu)成集中通風(fēng)系統(tǒng)較理想，但由于28號礦體在第2和第16勘探線尖滅，兩勘探線之間無礦體，相距有700 m，且在此范圍內(nèi)無任何可作通風(fēng)用的巷道。采用集中通風(fēng)方式要增加大量的通風(fēng)工程，這對于一個小型礦山來說在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。因此，選取分區(qū)通風(fēng)較為合理，即選擇分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)[6-10]。

采用分區(qū)通風(fēng)則具有下列優(yōu)點：

（1）風(fēng)路短，阻力小，通風(fēng)網(wǎng)路簡單，通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠性高。

（2）風(fēng)流容易控制，風(fēng)量易分配，滿足生產(chǎn)需要，漏風(fēng)少。

（3）通風(fēng)構(gòu)筑物少，便于維護(hù)管理。

（4）專用通風(fēng)井巷工程量少，施工方便。

（5）通風(fēng)動力消耗少，通風(fēng)費(fèi)用低。

4.2 風(fēng)量計算

4.2.1 風(fēng)量計算原則

根據(jù)規(guī)范要求，礦井需風(fēng)量須按下列要求分別計算，并取其中最大值[1]。

（1）按井下同時工作的最多人數(shù)計算，每人供給風(fēng)量不得少于4m3/min。

（2）按分項計算風(fēng)量法進(jìn)行計算。

4.2.2 礦井需風(fēng)量的計算

（1）回采工作面風(fēng)量計算。按通風(fēng)排塵風(fēng)量、排塵風(fēng)速（峒室型采場最低風(fēng)速）不應(yīng)小于0.15 m/s。

采場和掘進(jìn)巷道不應(yīng)小于0.25 m/s、排除炮煙計算，取其最大值作為回采工作面風(fēng)量，每個回采工作面風(fēng)量為2.5 m3/s。

（2）備用工作面風(fēng)量計算。考慮茶山礦生產(chǎn)管理的具體情況并結(jié)合井下采場布置，備用工作面不設(shè)計臨時密閉措施，故每個備用工作面風(fēng)量設(shè)計取1.5 m3/s。

（3）掘進(jìn)工作面風(fēng)量計算。掘進(jìn)工作面的分布和數(shù)量由礦井采掘比大致確定。按現(xiàn)有開拓采準(zhǔn)巷道斷面，每個掘進(jìn)工作面風(fēng)量設(shè)計取1.5 m3/s。

（4）硐室風(fēng)量。硐室不單獨(dú)占用風(fēng)量，與礦井進(jìn)風(fēng)巷道串聯(lián)，對主風(fēng)流無污染，不計全礦風(fēng)量。

（5）分項計算總風(fēng)量：Q=32.4 m3/s。

4.3 通風(fēng)總阻力計算

4.3.1 風(fēng)量分配的基本原則

（1）采掘工作面、井下硐室等需風(fēng)點應(yīng)按照各工作面所需風(fēng)量和采掘進(jìn)度計劃的要求分配風(fēng)量。

（2）風(fēng)量分配應(yīng)符合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中巷道阻力條件，否則應(yīng)采取措施進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）各需風(fēng)點、井巷的風(fēng)速必須符合規(guī)程規(guī)定。

4.3.2 主扇安裝位置的選擇

從南礦段通風(fēng)實測的礦井總出風(fēng)量大于實測進(jìn)風(fēng)量的結(jié)果，結(jié)合礦井的具體開采情況可以了解到回風(fēng)段存在嚴(yán)重漏風(fēng)現(xiàn)象。由于170以上的中段基本上已采完，有些已廢采場和巷道并沒有得到有效的封閉，并且從120中段到六廟坑口的通風(fēng)路線很長，達(dá)千余米，如果將主扇安裝在六廟坑口，回風(fēng)段密閉工程量勢必相當(dāng)大，難度也會很大，稍有密閉不嚴(yán)，很可能在回風(fēng)段造成風(fēng)流短路，新風(fēng)到不了工作面，污風(fēng)排不出。所以為了提高礦井有效風(fēng)量率，減小井下密閉工程，降低礦井的通風(fēng)阻力，確定將主扇安裝在坑內(nèi)。

主扇安裝在坑內(nèi)的優(yōu)點是：主扇裝置的漏風(fēng)較少；主扇靠近工作面，礦井有效風(fēng)量率較高；可以同時利用多井巷進(jìn)風(fēng)和多井巷回風(fēng)，因而降低礦井通風(fēng)阻力并節(jié)省大量密閉工程。

其缺點是：安裝供電檢修維護(hù)不方便；容易遭受井下大爆破或其他災(zāi)害的破壞。

考慮到六廟工區(qū)深部盲斜井與北120中段貫通處，比較靠近工作面，較少受爆破沖擊波的影響，沒有地壓及其他自然災(zāi)害的影響，進(jìn)風(fēng)風(fēng)路和回風(fēng)風(fēng)路易于嚴(yán)密隔絕，主扇運(yùn)輸?shù)桨惭b地點要方便，供電方便，電源可靠，選擇在六廟工區(qū)深部盲斜井與北120中段貫通40 m處安裝主扇。

4.3.3 礦井通風(fēng)總阻力計算

在主扇的服務(wù)期內(nèi)，隨著采掘工作面及中段接替的變化，通風(fēng)系統(tǒng)的總阻力也將因之變化。為了使主扇在整個服務(wù)期限都能滿足需要，而且有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，按照礦井開拓布局和采掘工作面接替安排，對主扇服務(wù)期內(nèi)不同時期的系統(tǒng)總阻力的變化進(jìn)行分析，將礦井通風(fēng)劃分為兩個時期：通風(fēng)容易時期和困難時期。然后，根據(jù)風(fēng)量和巷道參數(shù)計算出最大總阻力。沿著通風(fēng)容易和困難時期的風(fēng)流路線，依次計算各段摩擦阻力，然后分別累計得出容易和困難時期的總摩擦阻力。

通風(fēng)容易時期的總阻力 hme=1.15h1=1823 Pa

通風(fēng)困難時期的總阻力 hmd=1.15h2=2352 Pa

4.4 風(fēng)機(jī)選型

（1）計算風(fēng)機(jī)風(fēng)量 Qf。

式中：Qf為主要風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量，m3/s；Qm為礦井需風(fēng)量，m3/s；k為漏風(fēng)損失系數(shù)，取k=1.1。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得：Qf=35.64 m3/s

（2）計算風(fēng)機(jī)風(fēng)壓。

風(fēng)壓計算式為：Htd=hm+hd+hvd±HN

容易時期：Htd=hm+hd+hvd-HN

困難時期：Htd=hm+hd+hvd+HN

式中：Htd為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；HN為礦井自然風(fēng)壓，Pa；hm為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的總阻力，Pa；hd為通風(fēng)機(jī)附屬裝置的阻力，Pa；hvd為擴(kuò)散器出口動能損失，Pa。

對于軸流式風(fēng)機(jī)，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得風(fēng)機(jī)的最小、最大風(fēng)壓為：

根據(jù)通風(fēng)機(jī)的工況點參數(shù)對初選的通風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全性比較，最后確定通風(fēng)機(jī)的型號為DK62―No16 和轉(zhuǎn)速 n=960 r/min，安裝角 2.5°，風(fēng)量為 20 m3/s～62 m3/s，風(fēng)阻為 960 Pa～2960 Pa，效率為80%，其性能曲線如圖2所示。

圖2 DK62―No16性能曲線

4.5 電動機(jī)選型

（1）通風(fēng)機(jī)輸入功率按通風(fēng)容易及困難時期，分別計算通風(fēng)機(jī)所需輸入功率Nmin、Nmax。

式中：ηs為通風(fēng)機(jī)靜壓效率，取 ηs=0.8；Nmin、Nmax分別為礦井通風(fēng)容易時期和通風(fēng)困難時期通風(fēng)機(jī)的輸入功率，kW。

經(jīng)計算，得：

（2）電動機(jī)的臺數(shù)及種類?？紤]到風(fēng)機(jī)動壓的損失（漏風(fēng)等損失）,取動壓系數(shù)為1.05。

式中：K為電機(jī)功率貯備系數(shù)，一般情況下取1.1～1.20,現(xiàn)取K=1.10；ηs為通風(fēng)機(jī)靜壓效率，取ηs=0.75；N為所需兩臺電機(jī)的總功率。

（3）設(shè)計選型。根據(jù)通風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)要求及礦井無爆炸性氣體、粉塵，設(shè)計選取普通型電機(jī)。

（4）備用電機(jī)。根據(jù)《金屬非金屬地下礦山安全規(guī)程》的規(guī)定：礦井每臺主扇必須具有相同型號和規(guī)格的備用電機(jī)。因此，設(shè)計選取備用電機(jī)一臺，電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)技術(shù)參數(shù)

5 通風(fēng)系統(tǒng)改造后的實測效果

茶山礦南礦段通風(fēng)系統(tǒng)改造完成后，選定了測點，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行了全面的測定，阻力測定工作采用基點氣壓法，實測數(shù)據(jù)見表4。

表4 南礦段各測點通風(fēng)參數(shù)測定記錄表

從表4可以看出，改造后的礦井通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)符合有關(guān)規(guī)范的規(guī)定[1，5]，井下溫度已經(jīng)全部降到27℃以下，而在改造前的溫度最高達(dá)37℃以上；礦井有效風(fēng)量達(dá)30.58 m3/s，而改造前僅有6.142m3/s；礦井有效風(fēng)量率為90.98%，已經(jīng)超過規(guī)范中不得小于60%的規(guī)定，而改造前礦井的有效風(fēng)量率僅為46.9%；外部漏風(fēng)量為3.03 m3/s，外部漏風(fēng)率僅為9%，小于15%，而改造前礦井外部漏風(fēng)率為29.5%，井下新鮮風(fēng)流大大增加，工作環(huán)境大大改善，已經(jīng)達(dá)到設(shè)計要求。

6 結(jié)論

（1）在對改造前的茶山礦南礦段通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)阻力測定的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了通風(fēng)系統(tǒng)的特點和存在的問題，應(yīng)當(dāng)改造成機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，并增加必要的通風(fēng)構(gòu)筑物。

（2）根據(jù)茶山礦南礦段的生產(chǎn)部署及需風(fēng)量情況，選擇南礦段和北礦段分別采用獨(dú)立通風(fēng)方式的方案進(jìn)行改造。

（3）通風(fēng)系統(tǒng)的改造調(diào)整，要對井下作業(yè)環(huán)境進(jìn)行實際測定，并進(jìn)行充分的必要性論證、嚴(yán)密的組織工作、周密完善的安全技術(shù)措施，最終保證工作的順利實施。

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