王明斌 黃 維 趙洪凱 周 偉

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

三山島金礦西山礦區(qū)采用兩翼對(duì)角式通風(fēng)方式，即主混合井、主斜坡道、進(jìn)風(fēng)井、輔助斜坡道進(jìn)風(fēng)，南、北兩翼回風(fēng)井回風(fēng)。隨著作業(yè)中段逐步下移，未來(lái)南翼作業(yè)區(qū)域主要集中于-780～-1 140 m中段，西山礦區(qū)仍將承擔(dān)約3 000 t/d的生產(chǎn)任務(wù)，南風(fēng)井將承擔(dān)西山礦區(qū)南、北兩翼回風(fēng)功能，1420#線南風(fēng)井承擔(dān)西山礦區(qū)-825 m以下南翼回風(fēng)功能，1960#線北風(fēng)井承擔(dān)西山礦區(qū)北翼回風(fēng)功能。西山礦區(qū)原南翼回風(fēng)機(jī)站布設(shè)于在-150 m水平，運(yùn)行1臺(tái)DK52-8-№27對(duì)旋風(fēng)機(jī)，回風(fēng)量42.8～157.8 m3/s，全壓為1 331～3 178 Pa，額定功率為2×280 kW，南風(fēng)井回風(fēng)機(jī)站總風(fēng)量約150 m3/s。設(shè)備自2010年5月投入使用，目前已經(jīng)進(jìn)入大修期，需更換主扇輪轂、葉片、節(jié)電器及高低壓供電系統(tǒng)。電機(jī)需要保養(yǎng)維修，按照相關(guān)規(guī)定須對(duì)南翼主扇進(jìn)行雙回路供電，增設(shè)主扇接地系統(tǒng)。為進(jìn)一步提高西山礦區(qū)南翼礦井通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效果，本研究通過(guò)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算。

1 新南翼回風(fēng)機(jī)站優(yōu)化方案

為提高西山礦區(qū)深部負(fù)壓，增加深部有效回風(fēng)量，考慮到-150 m水平回風(fēng)機(jī)站設(shè)備現(xiàn)狀，擬新建主扇機(jī)站，將機(jī)站設(shè)置水平下移至-330 m水平，并拆除原-150 m水平回風(fēng)機(jī)站。新建回風(fēng)機(jī)站工程主要包括主扇硐室、配電硐室及安裝工程。新主扇機(jī)站采用雙回路供電模式，以提高配電系統(tǒng)安全性，確保通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。增大主扇硐室高度，硐室頂端安裝吊裝鋼梁，2#電機(jī)吊裝時(shí)無(wú)需再次拆除1#電機(jī)外殼，便于主扇吊裝檢修。新主扇機(jī)站建設(shè)過(guò)程中通過(guò)封閉相關(guān)聯(lián)絡(luò)巷，仍可保證新南風(fēng)井正常運(yùn)行，降低改造工程對(duì)生產(chǎn)的影響。

1.1 深部總風(fēng)量核算

結(jié)合三山島金礦深部開(kāi)拓工程部署，生產(chǎn)任務(wù)為3 000 t/d，按4個(gè)中(分)段同時(shí)作業(yè)核算，通風(fēng)最困難時(shí)期為-1 050～-1 140 m中段生產(chǎn)作業(yè)時(shí)期，含-1 110 ，1 125 m 2個(gè)分段，共4個(gè)中(分)段，每個(gè)中(分)段設(shè)置4個(gè)作業(yè)面，共16個(gè)作業(yè)面。本研究分別從作業(yè)場(chǎng)所降溫以及采場(chǎng)排塵風(fēng)速2個(gè)方面對(duì)礦井需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。

1.1.1 按作業(yè)場(chǎng)所降溫計(jì)算需風(fēng)量

本研究按深部作業(yè)點(diǎn)工作溫度27 ℃核算降溫需風(fēng)量。西山礦區(qū)斜坡道-600 m中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)溫超過(guò)28 ℃(實(shí)測(cè)值為28.8 ℃)時(shí)，對(duì)深部通風(fēng)降溫作用較小[1]。在計(jì)算降溫總風(fēng)量時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度按通往地表的入風(fēng)井的進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行核算，其-600 m聯(lián)巷進(jìn)風(fēng)平均溫度取值為21 ℃(參照新立礦區(qū)副井-600 m聯(lián)巷實(shí)測(cè)進(jìn)風(fēng)溫度(20～22 ℃)取值)，根據(jù)入風(fēng)井各中(分)段進(jìn)風(fēng)量、風(fēng)溫以及風(fēng)流熱交換初步計(jì)算，在此基礎(chǔ)上確定各中(分)段需風(fēng)量[2-3]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，按西山礦區(qū)入風(fēng)井進(jìn)風(fēng)溫度21 ℃計(jì)算，若將深部同時(shí)作業(yè)的4個(gè)中(分)段大巷溫度降至27 ℃，則礦井需風(fēng)量為74.04 m3/s。

通過(guò)綜合分析表1、圖1可知：三山島金礦-600 m 水平以上圍巖散熱約占礦山所有散熱源的36%，隨著開(kāi)采深度不斷延深，圍巖散熱占礦山所有散熱源的比例會(huì)越來(lái)越大，原西德部分礦山開(kāi)采深度約900 m，其圍巖散熱約占礦山所有散熱源的46%；日本豐羽鉛鋅礦由于受熱水影響，在深度500 m 處氣溫高達(dá)80 ℃，其圍巖散熱約占礦山所有散熱源的89.8%。根據(jù)礦山相關(guān)資料分析可知：三山島金礦開(kāi)采深度在-600 m水平以下，其圍巖散熱約占礦山所有散熱源的比例應(yīng)大于36%，本研究?jī)?yōu)化方案設(shè)計(jì)中該比例值設(shè)計(jì)為50%[4-5]。綜上分析，按深部作業(yè)場(chǎng)所通風(fēng)降溫計(jì)算需風(fēng)量時(shí)，經(jīng)類(lèi)比計(jì)算的礦井需風(fēng)量約為205.67 m3/s。

表1 部分國(guó)內(nèi)外礦井各種熱源占總熱源熱量的比例 %

圖2 三山島金礦-600 m水平各種熱源占總熱源熱量的比例

1.1.2 按采場(chǎng)排塵風(fēng)速計(jì)算需風(fēng)量

礦山所需的總風(fēng)量為各工作面需風(fēng)量和需要獨(dú)立通風(fēng)硐室的需風(fēng)量之和[6]?？紤]井下作業(yè)面以及硐室的工作性質(zhì)、通風(fēng)排塵所需風(fēng)速以及風(fēng)量漏風(fēng)系數(shù)等，本研究計(jì)算的礦井需風(fēng)量為151.26 m3/s。

1.1.3 深部總風(fēng)量確定

本研究取按作業(yè)場(chǎng)所降溫計(jì)算的需風(fēng)量和按采場(chǎng)排塵風(fēng)速計(jì)算的需風(fēng)量的較大值作為礦井需風(fēng)量，即礦井需風(fēng)量Q需為205.76 m3/s。考慮到在生產(chǎn)變動(dòng)時(shí)期因通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)不及時(shí)帶來(lái)的風(fēng)量不均衡因素的影響，按井下同時(shí)工作的最多人數(shù)或各工作面柴油設(shè)備運(yùn)行數(shù)量計(jì)算需風(fēng)量時(shí)，礦井總風(fēng)量應(yīng)在計(jì)算的需風(fēng)量的基礎(chǔ)上，再乘以系統(tǒng)風(fēng)量備用系數(shù)；按作業(yè)場(chǎng)所降溫量計(jì)算需風(fēng)量時(shí)，該風(fēng)量主要用于將井下作業(yè)中段生產(chǎn)作業(yè)溫度降低至28 ℃以下，故無(wú)需考慮風(fēng)量備用系數(shù)[7-8]。因此，西山礦區(qū)礦井總風(fēng)量為205.76 m3/s。

1.2 礦井困難時(shí)期通風(fēng)路線及風(fēng)量

困難通風(fēng)路線為入風(fēng)井→-600 m進(jìn)風(fēng)井石門(mén)巷→1860#線進(jìn)風(fēng)井→-1 140 m水平→1960#線-825～-1 140 m北風(fēng)井→-825 m中段→-825～-780 m回風(fēng)井→-780 m回風(fēng)水平→南風(fēng)井→地表。困難時(shí)期入風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量為205.76 m3/s，1860#線進(jìn)風(fēng)井分配風(fēng)量為60 m3/s，-1 140 m分配風(fēng)量為54 m3/s，-114～-825 m水平1960#線北風(fēng)井回風(fēng)量為100 m3/s。

1.3 主要通風(fēng)機(jī)選型

在考慮自然風(fēng)壓的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算的礦井困難時(shí)期的通風(fēng)系統(tǒng)阻力以及按通風(fēng)降溫計(jì)算的礦井總風(fēng)量，通過(guò)計(jì)算機(jī)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算后，本研究確定的主要通風(fēng)機(jī)為1臺(tái)DK46(CII)-8-№28風(fēng)機(jī)，備用1臺(tái)同型號(hào)風(fēng)機(jī)電機(jī)及1套風(fēng)機(jī)葉輪[9]。該型風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

DK46(CII)-8-№28型軸流風(fēng)機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、噪聲低、性能范圍大、節(jié)電效果顯著等特點(diǎn)，可方便實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)反風(fēng)功能(風(fēng)機(jī)控制柜具有正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)功能按鈕)，反風(fēng)率大于60%，無(wú)需修筑反風(fēng)道。西山礦區(qū)南風(fēng)井-330 m水平回風(fēng)機(jī)站選用1臺(tái)DK46(CII)-8-№28風(fēng)機(jī)，經(jīng)Ventsim三維通風(fēng)動(dòng)態(tài)仿真模擬軟件解算，回風(fēng)機(jī)站風(fēng)量為210.10 m3/s，通風(fēng)阻力為3 144 Pa，實(shí)耗功率為702.67 kW。

1.4 主要工程技術(shù)參數(shù)及工程造價(jià)

在-330 m中段施工主扇硐室、配電硐室及新南風(fēng)并聯(lián)風(fēng)聯(lián)，施工范圍為1220#～1300#線。本研究方案中參照了西山礦區(qū)北翼通風(fēng)系統(tǒng)-150 m主扇硐室、配電硐室，充分利用了現(xiàn)有的井巷工程，方案實(shí)施過(guò)程中盡可能不影響現(xiàn)有南翼通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，巷道采用錨桿支護(hù)工藝。經(jīng)科學(xué)估算，三山島金礦西山礦區(qū)南翼通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)機(jī)站改造工程造價(jià)約52.285萬(wàn)元。主要工程設(shè)計(jì)參數(shù)、相關(guān)工程量及工程造價(jià)見(jiàn)表3。

2 系統(tǒng)運(yùn)行效果

表3 主要工程量及工程造價(jià)

三山島金礦原西山礦區(qū)南翼通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)總功率為895 kW(包括-150 m南風(fēng)井主扇2×280 kW，-537 m南風(fēng)井輔扇55 kW，-600 m空壓機(jī)硐室輔扇30 kW以及-780 m南風(fēng)井二級(jí)主扇機(jī)站250 kW)，通風(fēng)單耗為4.18元/m3/s。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化后，西山礦區(qū)南翼通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)總功率為800 kW，通風(fēng)單耗為2.04元/(m3/s)。相對(duì)而言，通風(fēng)單耗降低了2.14元/(m3/s)，每年可節(jié)約電費(fèi)約39.10萬(wàn)元。

-330 m南風(fēng)井主扇及配電硐室改造完畢后，主扇運(yùn)行狀態(tài)良好，可滿(mǎn)足主扇運(yùn)行工況與不同通風(fēng)時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的管網(wǎng)阻力優(yōu)化匹配要求，可達(dá)到提升主扇運(yùn)行工況與通風(fēng)阻力匹配的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力的目標(biāo)；主扇機(jī)站采用雙回路供電方式有效提高了風(fēng)機(jī)配電系統(tǒng)的安全性，同時(shí)優(yōu)化了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)輔扇配置，提高了通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的節(jié)能效果[10-11]。西山礦區(qū)南翼通風(fēng)系統(tǒng)得到了極大改善，主斜坡道及深部作業(yè)環(huán)境得到了明顯改善，井下生產(chǎn)作業(yè)效率提高了5%，每年可增加利潤(rùn)約600萬(wàn)元。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)三山島金礦西山礦區(qū)南翼通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使得優(yōu)化后的南翼回風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)量達(dá)到217.68 m3/s，較原來(lái)的120 m3/s提高了97.68 m3/s，-780 m水平以下深部作業(yè)區(qū)域高溫高濕問(wèn)題得到了極大緩解，粉塵濃度得到了有效控制，職業(yè)病發(fā)病率明顯降低，井下作業(yè)效率得到了明顯提升。此外，該系統(tǒng)優(yōu)化后，使得南翼回風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)總功率得到大大降低，電能消耗也得到了大幅縮減，大大減少了常規(guī)工段日常巡檢工作量，降低了南翼通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行成本，對(duì)于三山島金礦新立礦區(qū)東、西兩翼回風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造具有良好的借鑒意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王鵬飛，王明斌，趙洪凱，等.三山島金礦新立礦區(qū)混合井溜破系統(tǒng)通風(fēng)除塵設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(11):202-203.

[2] 文永勝.金屬礦山地下開(kāi)采通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的重要性[J].金屬世界，2009(2)：63-66.

[3] 陳開(kāi)巖.礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化理論及應(yīng)用[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[4] 王明斌，何順斌，李文光，等.三山島金礦西山礦區(qū)北翼通風(fēng)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(4)：69-71.

[5] 畢洪濤，馬鳳山，李克蓬，等.山東三山島金礦深部低溫?zé)崴畬?duì)采礦的影響[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2014(3)：89-93.

[6] 趙興東，修國(guó)林，楊竹周，等.三山島金礦圍巖溫度梯度測(cè)試及工程熱環(huán)境分析[J].金屬礦山，2013(6)：109-113.

[7] 楊竹周，李 威，冀 東，等.三山島金礦深井通風(fēng)降溫治理技術(shù)研究[J].金屬礦山，2011(11)：146-149.

[8] 彭 康，李夕兵，彭述權(quán)，等.基于響應(yīng)面法的海下框架式采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，42(8)：2417-2422.

[9] 王樹(shù)海，高成勤，李 威，等.三山島金礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2009(2)：122-123.

[10] 李祥柏.三山島金礦通風(fēng)阻力測(cè)定及分析[J].山東煤炭科技，2012(3)：143-144.

[11] 李 威，騰建軍，杜偉玲，等.三山島金礦新立分礦通風(fēng)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J].有色金屬：礦山部分，2007，59(5)：43-45.