盧海珠，譚浪浪，李亞俊

（1.中金嶺南凡口鉛鋅礦，廣東仁化 512300；2.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410014）

·采 選·

凡口鉛鋅礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)漏風(fēng)原因分析及控制方法研究

盧海珠1，譚浪浪2，李亞俊2

（1.中金嶺南凡口鉛鋅礦，廣東仁化 512300；2.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410014）

凡口鉛鋅礦伴隨開(kāi)采深度的增加，開(kāi)采中段不斷增多，通風(fēng)系統(tǒng)趨于復(fù)雜化，主扇與工作面的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，導(dǎo)致地表主扇的控制力降低，必須在井下安裝風(fēng)機(jī)。井下安裝風(fēng)機(jī)將導(dǎo)致出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)流，為提高通風(fēng)效率，主要需控制循環(huán)風(fēng)式漏風(fēng)問(wèn)題。通過(guò)分析循環(huán)風(fēng)的形成，應(yīng)用軟件Vent-NetLab對(duì)有效的控制措施進(jìn)行分析，并對(duì)凡口鉛鋅礦復(fù)雜的井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，為礦山下一步進(jìn)行井下通風(fēng)系統(tǒng)的控制方案研究及制定提供重要的基礎(chǔ)資料。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)漏風(fēng)；內(nèi)部循環(huán)風(fēng)流；通風(fēng)效率

凡口鉛鋅礦隨著礦井開(kāi)采深度的持續(xù)增加，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)變得愈加復(fù)雜，采掘工作面離主扇工作的位置越來(lái)越遠(yuǎn)，其結(jié)果是風(fēng)流路線增長(zhǎng)、系統(tǒng)漏風(fēng)增加。通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)嚴(yán)重導(dǎo)致風(fēng)機(jī)對(duì)深部通風(fēng)的控制力減弱，深部工作面供風(fēng)量嚴(yán)重不足，深井通風(fēng)的漏風(fēng)問(wèn)題是深井開(kāi)采面臨的重大問(wèn)題［1～3］。

1 漏風(fēng)方式分析

礦井漏風(fēng)分為外部漏風(fēng)和內(nèi)部漏風(fēng)兩種。深井通風(fēng)漏風(fēng)主要為內(nèi)部漏風(fēng)，內(nèi)部漏風(fēng)的本質(zhì)是通風(fēng)系統(tǒng)中存在兩種循環(huán)風(fēng)流。一種是當(dāng)風(fēng)機(jī)安裝在地表時(shí)，空氣自地表進(jìn)入礦井后，未流經(jīng)作業(yè)面，從進(jìn)風(fēng)部分直接漏入回風(fēng)部分的循環(huán)風(fēng)流。另一種則是當(dāng)風(fēng)機(jī)安裝在井下時(shí)，回風(fēng)道的部分風(fēng)流未流出地表，從某些漏風(fēng)通道混入進(jìn)風(fēng)通道而形成的循環(huán)風(fēng)流［4～6］。

因此，內(nèi)部漏風(fēng)的漏風(fēng)方式主要分為三種：一種是井下各種通風(fēng)構(gòu)筑物的漏風(fēng)；第二種是風(fēng)流未經(jīng)作業(yè)面，從短路通道直接流入回風(fēng)道的漏風(fēng)。兩種漏風(fēng)的基本特點(diǎn)是漏風(fēng)風(fēng)流在礦井自身系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)并最終排出礦井。第三種是通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)風(fēng)，其本質(zhì)為通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部漏風(fēng)［7］。

1.1 通風(fēng)構(gòu)筑物的漏風(fēng)

通風(fēng)構(gòu)筑物主要起引導(dǎo)、隔斷和控制風(fēng)流的作用，保證風(fēng)流按照需要，定向定量的流動(dòng)。通風(fēng)構(gòu)筑物按其作用不同主要分為兩類：（1）用于隔斷風(fēng)流的構(gòu)筑物，如采空區(qū)密閉、擋風(fēng)墻和風(fēng)門(mén)等，其要求結(jié)構(gòu)嚴(yán)密、堅(jiān)固、漏風(fēng)?。唬?）用于引導(dǎo)通過(guò)風(fēng)流的通風(fēng)構(gòu)筑物，如風(fēng)橋、風(fēng)障、風(fēng)筒和調(diào)節(jié)風(fēng)窗等。礦井通常所說(shuō)的構(gòu)筑物漏風(fēng)主要是指密閉墻或風(fēng)門(mén)等處的漏風(fēng)。由于密閉墻構(gòu)筑位置、結(jié)構(gòu)不合理或由于密閉年久失修的原因，致使密閉不“密”［8］。風(fēng)門(mén)漏風(fēng)則導(dǎo)致局部風(fēng)流短路，工作面有效風(fēng)量減少。

1.2 短路風(fēng)流

當(dāng)風(fēng)機(jī)安裝在地表時(shí)，空氣自地表進(jìn)入礦井后，未流經(jīng)作業(yè)面，從進(jìn)風(fēng)部分直接漏入回風(fēng)部分的漏風(fēng)風(fēng)流。

如圖1所示為某一簡(jiǎn)單通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)各分支風(fēng)阻見(jiàn)表1，其中e4、e7為作業(yè)面，e10為回風(fēng)井，e1為進(jìn)風(fēng)井。

如果風(fēng)機(jī)安裝在e10作抽出式通風(fēng)或風(fēng)機(jī)安裝在e1作壓入式通風(fēng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生第二種漏風(fēng)風(fēng)流，其中風(fēng)流e1→e3→e6→e9→e10、e1→e2→e5→e8→e10未經(jīng)過(guò)作業(yè)面而直接排出地表，形成與地表組成的漏風(fēng)風(fēng)流。

如將風(fēng)機(jī)安裝在e10風(fēng)路，采用抽出式通風(fēng)，其中各風(fēng)路風(fēng)量見(jiàn)表1中風(fēng)量1。由表1可知，兩個(gè)工作面有效風(fēng)量總量為4.92 m3／s，漏風(fēng)量達(dá)25.08 m3／s，循環(huán)回路e1→e3→e6→e9→e10→e1中風(fēng)量最小的風(fēng)路為e3，風(fēng)量為12.43 m3／s，另一循環(huán)回路e1→e2→e5→e8→e10→e1風(fēng)量最小的風(fēng)路為e8，風(fēng)量為12.65 m3／s。e3、e8風(fēng)量總和為25.08 m3／s，此為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部漏風(fēng)總量。

圖1 短路風(fēng)流簡(jiǎn)單通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖

表1 短路風(fēng)流風(fēng)路風(fēng)阻與風(fēng)路風(fēng)量變化

1.3 內(nèi)部循環(huán)風(fēng)流

如果風(fēng)機(jī)安裝在井下，例如e2或e9中，則會(huì)出現(xiàn)第二種循環(huán)風(fēng)流。e3或e8會(huì)反向?qū)е卵h(huán)回路的形成，成為漏風(fēng)通道。如圖2所示，將風(fēng)機(jī)安裝在e9風(fēng)路，各風(fēng)路風(fēng)量值見(jiàn)表2中風(fēng)量1。由風(fēng)量1可知風(fēng)機(jī)安裝在井下后，風(fēng)路e5、e8風(fēng)流方向發(fā)生了變化，形成e9→e8→e7→e9、e9→e8→e5→e4→e6→e9兩個(gè)第二種循環(huán)風(fēng)流，系統(tǒng)還存在第一種循環(huán)風(fēng)流e1→e3→e6→e9→e10→e1。

由循環(huán)回路e9→e8→e7→e9可知e7作業(yè)面雖然獲得15.4 m3／s的風(fēng)量，但是風(fēng)量均是經(jīng)e8循環(huán)所得，因此有效風(fēng)量為0。e4作業(yè)面風(fēng)量雖然為7.25 m3／s，但只有從e2進(jìn)入作業(yè)面的風(fēng)流才是新鮮風(fēng)流，因此有效風(fēng)量為5.13 m3／s。

循環(huán)回路e9→e8→e5→e4→e6→e9中最小風(fēng)量是2.12 m3／s。循環(huán)回路e9→e8→e7→e9最小風(fēng)量是15.4 m3／s，循環(huán)回路e1→e3→e6→e9→e10→e1中最小風(fēng)量是7.35 m3／s。因此，該系統(tǒng)內(nèi)部漏風(fēng)總量為24.87 m3／s。由此可知作業(yè)面有效風(fēng)量也為5.13 m3／s。

圖2 內(nèi)部循環(huán)風(fēng)流簡(jiǎn)單通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖

表2 內(nèi)部循環(huán)風(fēng)流風(fēng)路風(fēng)阻與風(fēng)路風(fēng)量變化

經(jīng)研究，內(nèi)部漏風(fēng)的實(shí)質(zhì)是通風(fēng)系統(tǒng)中存在循環(huán)回路。實(shí)現(xiàn)內(nèi)部漏風(fēng)的控制就要控制通風(fēng)系統(tǒng)中存在的循環(huán)回路。因此，首先要確定系統(tǒng)中存在的循環(huán)回路，并明確循環(huán)回路的位置。

如圖1所示，將風(fēng)機(jī)安裝在e9，則e8必定反向形成循環(huán)風(fēng)流。而e5方向則由其風(fēng)阻與其它風(fēng)路風(fēng)阻確定。由于圖1、圖2為簡(jiǎn)單通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中循環(huán)風(fēng)流較為直觀，可以通過(guò)人工計(jì)算分析來(lái)確定系統(tǒng)中循環(huán)回路的位置。

實(shí)際生產(chǎn)中的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是極其復(fù)雜的，是一種非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。目前理論上并沒(méi)有通用的方法來(lái)確定循環(huán)回路的存在與否，更無(wú)法明確循環(huán)回路存在時(shí)其所在具體位置。但對(duì)于具體的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)數(shù)字試驗(yàn)的方法來(lái)確定其循環(huán)回路的實(shí)際情況。為此，開(kāi)發(fā)了一款通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析軟件—VentNetLab，稱之為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。其運(yùn)行的基本思路是，先進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，確定各分支的風(fēng)流方向，再對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深度搜索以確定出循環(huán)回路位置。

2 凡口礦漏風(fēng)原因分析

凡口礦礦井下需要通風(fēng)的中段有20多個(gè)，井筒最大深度近900 m，較長(zhǎng)中段的巷道走向長(zhǎng)度超過(guò)2 000 m，同時(shí)作業(yè)的采掘作業(yè)面約120個(gè)，其通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度非常大。圖3為該礦通風(fēng)系統(tǒng)的東南等軸視圖，從中可以看出其錯(cuò)綜復(fù)雜的空間關(guān)系［9］。

圖3 礦井東南視圖（各個(gè)中段空間位置圖）

凡口礦由安裝在地表的三臺(tái)主扇進(jìn)行抽出式通風(fēng)，每個(gè)主扇都控制其對(duì)應(yīng)的中段，各開(kāi)采中段風(fēng)量變化關(guān)系如圖4所示。三個(gè)回風(fēng)井風(fēng)量相當(dāng)，分別為197.03 m3／s、198.42 m3／s、212.8 m3／s，平均每個(gè)中段需風(fēng)量為27.64 m3／s。三臺(tái)主扇通風(fēng)總功耗達(dá)1 755 kW，通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部漏風(fēng)率高達(dá)30%，導(dǎo)致深部通風(fēng)效果并不理想，－680、－710、－750中段風(fēng)量分別僅為0.66 m3／s、4.06 m3／s、2.18 m3／s，如圖4風(fēng)量1所示，風(fēng)量根本無(wú)法達(dá)到礦山安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

為解決深部工作面供風(fēng)量不足的問(wèn)題，保證－680、－710、－750中段供風(fēng)量符合安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，采用增加三臺(tái)主扇風(fēng)量和風(fēng)壓的方法，使得三個(gè)回風(fēng)井的回風(fēng)量均為400 m3／s，暫且不考慮回風(fēng)井風(fēng)速超標(biāo)的問(wèn)題，礦井通風(fēng)壓力將大幅度增加，三臺(tái)主扇通風(fēng)總功耗高達(dá)7 442 kW。然而，其中深部中段風(fēng)量增加甚微，－680、－710、－750中段風(fēng)量仍然僅為2.54 m3／s、7.86 m3／s、4.88 m3／s。風(fēng)量變化曲線圖如圖4風(fēng)量2所示。

單純依靠增加三臺(tái)主扇風(fēng)量和風(fēng)壓的方法無(wú)法解決深部供風(fēng)不足的問(wèn)題，因此，必須采用井下安裝風(fēng)機(jī)的方法。井下安裝風(fēng)機(jī)往往都是根據(jù)用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量由里向外進(jìn)行風(fēng)量分配。因此，需要在系統(tǒng)中確認(rèn)哪些巷道是用風(fēng)點(diǎn)，并通過(guò)需風(fēng)點(diǎn)計(jì)算原則，計(jì)算其需風(fēng)量。由于生產(chǎn)需要，井下風(fēng)機(jī)基本安裝在進(jìn)、回風(fēng)井石門(mén)處。需要計(jì)算各風(fēng)機(jī)安裝位置處需風(fēng)量，然后固定風(fēng)機(jī)風(fēng)量，完成在這些需風(fēng)點(diǎn)環(huán)境下整個(gè)礦井的風(fēng)量分配。

圖4 各開(kāi)采中段風(fēng)量變化關(guān)系

風(fēng)機(jī)安裝在需風(fēng)點(diǎn)后，由于安裝位置以及風(fēng)量的分配不合理，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)里出現(xiàn)循環(huán)回路數(shù)較多。較之于簡(jiǎn)單通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)由于其風(fēng)道多、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜等原因，只能借助于通風(fēng)仿真軟件對(duì)循環(huán)回路所在位置以及產(chǎn)生原因等進(jìn)行分析。

凡口礦目前深部開(kāi)采工作面主要分布在－500 m，－550 m，－600 m，－650 m，獅嶺南采場(chǎng)分布在－400 m，－450 m，淺部位－280 m，－320 m，－360 m，東區(qū)采場(chǎng)主要分布在淺部－240 m，－280 m，－320 m，南盤(pán)區(qū)采場(chǎng)主要分布在－360 m，－400 m等中段。根據(jù)礦山開(kāi)采現(xiàn)狀以及需風(fēng)量計(jì)算原則進(jìn)行計(jì)算，初步設(shè)置需風(fēng)點(diǎn)17個(gè)，各中段需風(fēng)量確定后，應(yīng)用VentNetLab通風(fēng)模擬軟件設(shè)置需風(fēng)點(diǎn)，基本設(shè)置在各個(gè)中段總回風(fēng)道處，控制各個(gè)中段的風(fēng)量。

需風(fēng)點(diǎn)設(shè)置完成后，應(yīng)用VentNetLab通風(fēng)模擬軟件進(jìn)行數(shù)字化模擬，使用軟件的風(fēng)量計(jì)算、查找循環(huán)回路以及統(tǒng)計(jì)等功能，并應(yīng)用軟件的查找功能對(duì)循環(huán)回路進(jìn)行查找，如圖5所示為網(wǎng)絡(luò)里某個(gè)循環(huán)風(fēng)流。

圖5 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的某循環(huán)風(fēng)流

在上述需風(fēng)點(diǎn)設(shè)置環(huán)境下，總需風(fēng)量為590 m3／s，風(fēng)機(jī)總功耗為1 535.33 kW，然而各需風(fēng)點(diǎn)總有效風(fēng)量卻只有36.94 m3／s，系統(tǒng)中存在的循環(huán)回路數(shù)多達(dá)總計(jì)564個(gè)。此時(shí)的調(diào)節(jié)效率僅為：

式中：η為調(diào)節(jié)效率；∑Q有為需風(fēng)點(diǎn)有效風(fēng)量／m3·s－1；∑HiQi為通風(fēng)總功耗／kW。

由該調(diào)節(jié)效率得知，大部分風(fēng)流在井下形成循環(huán)風(fēng)，內(nèi)部漏風(fēng)極其嚴(yán)重，漏風(fēng)風(fēng)流未能從地表排出，導(dǎo)致井下有效風(fēng)量大大減少。

3 漏風(fēng)的控制方法研究

如圖5所示的循環(huán)體中，對(duì)天井進(jìn)行密閉處理，應(yīng)用VentNetLab通風(fēng)模擬軟件進(jìn)行查找，該循環(huán)回路消除了。將系統(tǒng)中存在的循環(huán)回路查找出來(lái)，對(duì)相應(yīng)巷道進(jìn)行密閉處理，共計(jì)密閉30處，包含上部閉坑中段的石門(mén)、回風(fēng)巷，以及部分主巷、天井等，使得各需風(fēng)點(diǎn)總有效風(fēng)量達(dá)到78.9 m3／s。此時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)效率為：

在滿足需風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量以及各中段風(fēng)量的前提下，模擬增設(shè)了16處控風(fēng)點(diǎn)，分別設(shè)置在各中段回風(fēng)石門(mén)處，使得漏風(fēng)通道兩端壓差降低，同時(shí)均衡礦井通風(fēng)壓力。從而使得總有效風(fēng)量增大到150.5 m3／s，通風(fēng)功耗降低為1 215.94 kW，此時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)效率為：

在需風(fēng)點(diǎn)與控風(fēng)點(diǎn)設(shè)置基礎(chǔ)上，增設(shè)三個(gè)回風(fēng)井井口的通風(fēng)動(dòng)力，各風(fēng)井回風(fēng)量為210 m3／s，各需風(fēng)點(diǎn)有效風(fēng)量總和為534.3 m3／s，通風(fēng)動(dòng)力消耗為1 512.47 kW。各中段風(fēng)量如曲線圖6所示。此時(shí)，調(diào)節(jié)效率為：

圖6 礦山中段實(shí)際風(fēng)量

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)不斷模擬優(yōu)化，使得內(nèi)部漏風(fēng)風(fēng)量減少，保證通風(fēng)效率盡可能達(dá)到最大。

對(duì)于凡口礦來(lái)說(shuō)，通風(fēng)系統(tǒng)的主要問(wèn)題是井下存在的風(fēng)流短路、風(fēng)流壓力不足、風(fēng)流密封不嚴(yán)密等原因造成的內(nèi)循環(huán)風(fēng)流，嚴(yán)重影響了風(fēng)流的利用率，造成深部井巷污風(fēng)橫行，影響工作面人員職業(yè)健康。

凡口礦目前面臨的最主要問(wèn)題是治理好礦井的循環(huán)風(fēng)流、增加地面風(fēng)機(jī)對(duì)于深部風(fēng)流的控制力。而漏風(fēng)原因的分析和控制方法的研究是下一步具體進(jìn)行漏風(fēng)控制的重要前提。

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Research on the Control M ethod Analysis on Fankou Lead-zinc M ine Ventilation Network and System Air Leakage

LU Hai-zhu1，TAN Lang-lang2，LIYa-jun2
（1.Fankou Lead-zinc Mine，Renhua 512300，China；2.Hunan Labour Protection Institute of Nonferrous Metals，Changsha 410014，China）

Fankou lead-zinc deposit along with the increase of mining depth，mining the middle rising，ventilation systems tend to bemore complicated，more and more distant from the main fan and the distance of working face，it resulted in the decrease of surface ofmain fan control，and must install themine fan.Underground installation of the fan will lead to circulating wind flow，to improve the efficiency of ventilation，mainly to control wind circulation type air leakage problem.VentNetLab through the analysis of the formation ofwind circulation，the application software to analyze effective controlmeasures，and the fankou lead-zincmine to study the complicated mine ventilation network，it provides important basic data for the control scheme ofmine ventilation system formine next research.

ventilation network；system air leakage；internal circulation wind；the ventilation efficiency

TD728

A

1003－5540（2017）02－0001－04

2016－12－27

盧海珠（1968－），男，工程師，主要從事礦山生產(chǎn)技術(shù)管理工作。