李謝平，田 敏，謝寧芳

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

礦井通風(fēng)是指借助自然風(fēng)壓或者機(jī)械動(dòng)力將新鮮空氣輸送至礦井內(nèi)，以此來改善井下的工作環(huán)境，一方面能夠?yàn)楣ぷ魅藛T的正常呼吸提供新鮮充足的空氣，另一方面能夠?qū)⒂卸居泻怏w和粉塵及時(shí)排出地表，提高作業(yè)的安全系數(shù)。礦井通風(fēng)是礦山正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是礦山安全生產(chǎn)的基本保障。

某多金屬礦已開采多年，采用平硐+斜井聯(lián)合開拓。礦體為緩傾斜-傾斜的薄層不連續(xù)礦體，采礦方法為房柱采礦法，礦山生產(chǎn)能力約為120萬t/a。隨著開采深度的增加，開拓系統(tǒng)的延伸，采空區(qū)范圍的擴(kuò)大，造成礦井巷道網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，通風(fēng)阻力增加，通風(fēng)難度加大，需對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化及技術(shù)改造，以保障礦山持續(xù)生產(chǎn)。

1 礦山開采及通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 礦山開采現(xiàn)狀

礦山分4個(gè)礦段進(jìn)行開采，現(xiàn)開采深度300～500 m，采用3～4級(jí)斜井提升，斜井?dāng)?shù)量眾多。開拓巷道斷面均不大，大部分未進(jìn)行支護(hù)，通地表的井口多達(dá)32個(gè)。

礦體為緩傾斜-傾斜的薄層不連續(xù)礦體，采礦方法以空?qǐng)龇ㄖ辛粢?guī)則礦柱的房柱法為主。受礦體賦存條件及技術(shù)力量的影響，井下采礦作業(yè)中段數(shù)十個(gè)，工人及設(shè)備數(shù)量眾多。

礦山1 760 m以上各中段均已回采完畢，1 760 m中段聯(lián)通了各個(gè)礦段，主要承擔(dān)運(yùn)輸、通風(fēng)、排渣等功能。1 500 m中段為礦山規(guī)劃中的新生產(chǎn)平臺(tái)，正進(jìn)行各礦段的貫通施工。除1 760 m、1 500 m 2個(gè)大中段外，各礦段的其它中段巷道互不相連。

1.2 礦山通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，礦山未建立有效的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，地表坑口及井下均未安裝主扇風(fēng)機(jī)，全礦以自然通風(fēng)和井下工作面局部通風(fēng)為主。井下作業(yè)點(diǎn)主要采用局扇來進(jìn)行通風(fēng)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，井下安裝有近200余臺(tái)的局扇，分布于各中段的作業(yè)點(diǎn)，裝機(jī)功率大多為7.5～15 kW。

礦山已開采多年，1 760 m以上各中段均已回采完畢，回采完成后上部空區(qū)未做封閉處理。井下風(fēng)墻、風(fēng)門、風(fēng)窗等風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置較少，各提升斜井也未設(shè)置風(fēng)流凈化裝置，隨著風(fēng)流的下行，系統(tǒng)漏風(fēng)、污風(fēng)、新風(fēng)串流現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

礦山在地表空壓機(jī)站安裝有數(shù)量眾多的空壓機(jī)，輸送至井下的壓縮空氣，除用作鑿巖動(dòng)力外，部分作業(yè)點(diǎn)在爆破后，還采用壓縮空氣驅(qū)散炮煙。因未形成主通風(fēng)系統(tǒng)，僅依靠自然通風(fēng)，粉塵、炮煙稀釋后難以排到地表，污風(fēng)在井下循環(huán)。

受礦山地質(zhì)工作滯后影響，生產(chǎn)中利用掘進(jìn)巷道進(jìn)行探礦，開拓巷道的布置缺乏整體規(guī)劃，空間上縱橫交錯(cuò)，通風(fēng)線路曲折迂回。因礦山采礦分4個(gè)礦段進(jìn)行，長(zhǎng)期以來各礦段相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行開采，開拓巷道大部分互不聯(lián)通，僅有1 760 m、1 500 m 2個(gè)中段聯(lián)通4個(gè)礦段，各礦段銜接區(qū)域通風(fēng)效果更差，整個(gè)礦山的通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)與維護(hù)難以進(jìn)行。礦山大部分的開拓巷道斷面較小，且未進(jìn)行支護(hù)，通風(fēng)阻力大。

1.3 通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題分析

經(jīng)過深入調(diào)查分析和實(shí)地觀測(cè)，由于沒有建立有效的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)以及輔助通風(fēng)構(gòu)筑物，現(xiàn)有以自然通風(fēng)為主的通風(fēng)系統(tǒng)存在諸多問題，存在的主要問題有：

(1)通風(fēng)系統(tǒng)排塵、排煙效果差。由于缺乏主扇風(fēng)機(jī)動(dòng)力，自然風(fēng)壓在礦井中起了關(guān)鍵作用，自然風(fēng)壓隨地表及井下氣溫變化而變化，尤其是季節(jié)性變化最為明顯，因此井下主要通風(fēng)巷道的風(fēng)向飄忽不定，井下粉塵及炮煙不能沿回風(fēng)巷道及時(shí)排出地表，即使通過長(zhǎng)時(shí)間自然擴(kuò)散，也難以排除井下有毒有害氣體(如炮煙、CO)和粉塵。

(2)通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)嚴(yán)重。井下存在較多采空區(qū)及漏風(fēng)巷道，井下既沒有風(fēng)機(jī)控制風(fēng)流的走向，也沒有輔助通風(fēng)構(gòu)筑物來引導(dǎo)風(fēng)流，依靠自然風(fēng)壓進(jìn)入井下的少量新鮮風(fēng)流在沒有進(jìn)入到采場(chǎng)工作面之前很快從漏風(fēng)巷道或采空區(qū)跑掉，開采作業(yè)往深部延伸時(shí)尤為嚴(yán)重。

(3)兼作進(jìn)風(fēng)巷道的提升斜井沒有凈化措施。井下大多數(shù)斜井既作為進(jìn)風(fēng)斜井，又作為礦石、材料提升斜井，沒有采取有效的凈化措施，難以保證風(fēng)源質(zhì)量，同時(shí)也與安全規(guī)程不符。

(4)礦井主通風(fēng)干道有效通風(fēng)斷面嚴(yán)重不足，風(fēng)路不暢，未來安裝主扇風(fēng)機(jī)后，通風(fēng)斷面過小將導(dǎo)致通風(fēng)阻力增大，風(fēng)機(jī)耗能急劇增加，同時(shí)也會(huì)造成主要通風(fēng)巷道和運(yùn)輸巷道的風(fēng)速超標(biāo)。

(5)井下大量使用局扇和高壓風(fēng)進(jìn)行工作面的輔助通風(fēng)，能耗高，但總體的通風(fēng)效果不佳，污風(fēng)在井下循環(huán)，通風(fēng)用電量高，通風(fēng)成本增加。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案

通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化遵循符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，立足現(xiàn)狀、兼顧后續(xù)生產(chǎn)通風(fēng)需求，充分利用已有工程及設(shè)施，系統(tǒng)高效、運(yùn)行成本低等原則。

2.1 通風(fēng)方式的選擇

20世紀(jì)50—70年代國(guó)內(nèi)大部分礦山采用的礦井通風(fēng)系統(tǒng)都是主扇通風(fēng)，主扇通風(fēng)方案的優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)機(jī)少且集中，易于管理，與井下提升、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)沖突少。缺點(diǎn)是風(fēng)機(jī)效率低，耗能高，通風(fēng)效果不理想，井下作業(yè)適應(yīng)性較差，需要設(shè)置大量通風(fēng)構(gòu)筑物來調(diào)節(jié)風(fēng)量及風(fēng)流方向，通風(fēng)成本很高。

分區(qū)通風(fēng)方案：按照傳統(tǒng)的主扇通風(fēng)方式，分別在4個(gè)礦段總回風(fēng)巷道設(shè)置主扇進(jìn)行抽出式通風(fēng)，形成相對(duì)獨(dú)立的分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)。礦山曾在各礦段回風(fēng)巷道設(shè)置若干臺(tái)主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽出通風(fēng)，但效果不明顯，分析原因如下：

(1)井下各礦段無法形成真正獨(dú)立的通風(fēng)網(wǎng)路，部分礦段之間存在貫通的采空區(qū)及巷道，漏風(fēng)、風(fēng)流短路十分嚴(yán)重；

(2)各礦段專用回風(fēng)巷道數(shù)量少，通風(fēng)斷面嚴(yán)重不足，回風(fēng)阻力大；

(3)單一主扇抽出通風(fēng)，井下無法有效分風(fēng)，各礦段主扇壓力難以平衡、匹配。

通過上述分析，該礦不宜采用按照礦段劃分的主扇分區(qū)通風(fēng)方案，應(yīng)采用更有效、更可靠的多級(jí)機(jī)站通風(fēng)方案。其優(yōu)點(diǎn)為風(fēng)機(jī)可以全部設(shè)置在井下，不占用地表空間，可以靈活設(shè)置風(fēng)機(jī)站與裝機(jī)點(diǎn)以適應(yīng)井下采區(qū)作業(yè)的變化，分布在井下的機(jī)站風(fēng)機(jī)能更好地控制風(fēng)流走向，故漏風(fēng)少、有效風(fēng)量高、通風(fēng)效果好。缺點(diǎn)是風(fēng)機(jī)數(shù)量較多，需要較強(qiáng)的管理隊(duì)伍，在井下設(shè)置風(fēng)機(jī)站也容易與運(yùn)輸發(fā)生矛盾。

多級(jí)機(jī)站通風(fēng)方案思路：該礦各礦段坑口多、斜井多且分布較均勻，為通風(fēng)系統(tǒng)提供了充足的進(jìn)風(fēng)和分風(fēng)通道；1 500 m礦山主運(yùn)輸巷道，連通各礦段，兩翼平巷可作為通風(fēng)系統(tǒng)的主回風(fēng)巷道，也是設(shè)置接力風(fēng)機(jī)站的理想位置；西部西1#回風(fēng)斜井連接1 500 m西翼回風(fēng)平巷，可作為通風(fēng)系統(tǒng)主回風(fēng)口之一；東部阿尾1 963 m總回風(fēng)平巷通過四10#斜井、四11#斜井及其二級(jí)斜井連接1 500 m東翼回風(fēng)平巷，可作為通風(fēng)系統(tǒng)另一個(gè)主回風(fēng)口。縱觀全礦，上述巷道已形成了多口進(jìn)風(fēng)、多斜井均衡分風(fēng)以及兩翼集中回風(fēng)的通風(fēng)網(wǎng)路(主風(fēng)路)，只要在主風(fēng)路中設(shè)置串(并)聯(lián)風(fēng)機(jī)站、匹配合適的風(fēng)機(jī)，全礦通風(fēng)系統(tǒng)已基本形成。通風(fēng)系統(tǒng)主風(fēng)路立體圖見圖1。

風(fēng)機(jī)站布局、網(wǎng)絡(luò)解算、風(fēng)機(jī)優(yōu)化選型為多級(jí)機(jī)站通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用的核心內(nèi)容，根據(jù)需要，在井下設(shè)置1～3級(jí)機(jī)站，每級(jí)機(jī)站設(shè)置1～3個(gè)裝機(jī)點(diǎn)，每個(gè)裝機(jī)點(diǎn)的風(fēng)機(jī)按網(wǎng)絡(luò)特性選型、匹配風(fēng)機(jī)，利用風(fēng)機(jī)的串并聯(lián)工作來共同克服礦井通風(fēng)阻力，達(dá)到工作面按需分風(fēng)的目的，減少通風(fēng)構(gòu)筑物對(duì)風(fēng)流的調(diào)控。礦山增加新采區(qū)或轉(zhuǎn)入深部開采后可以采取逐級(jí)增加風(fēng)機(jī)站或者增加裝機(jī)點(diǎn)的方式來解決后續(xù)通風(fēng)問題。

2.2 礦井總需風(fēng)量計(jì)算

礦井總需風(fēng)量的計(jì)算方法有：

(1)排除柴油設(shè)備廢氣，按設(shè)備功率及工作系數(shù)計(jì)算需風(fēng)量；

(2)排除放射性污染，按放射劑量強(qiáng)度及范圍計(jì)算需風(fēng)量；

(3)工作面排塵風(fēng)速，按工作面斷面大小及額定風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量；

(4)產(chǎn)塵設(shè)備(工作面)排塵風(fēng)量，按礦井中同時(shí)工作的產(chǎn)塵設(shè)備或工作面數(shù)給定排除粉塵所需的風(fēng)量計(jì)算。

除上述幾種方法外，還有按下井最大班人數(shù)計(jì)算需風(fēng)量和萬噸礦石用風(fēng)率估算法。不同礦井條件下重點(diǎn)選用其中一種方法進(jìn)行計(jì)算，用其它方法進(jìn)行校驗(yàn)，取最大值作為礦井總風(fēng)量，并以此值來對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算。

(1)按照井下最大班人數(shù)計(jì)算需風(fēng)量

根據(jù)礦山提供的資料，井下最大班人數(shù)為794人；

計(jì)算結(jié)果為ΣQi=53.99 m3/s。

(2)按照大中型冶金礦山萬噸風(fēng)量率計(jì)算需風(fēng)量

根據(jù)礦山實(shí)際生產(chǎn)能力，同時(shí)兼顧向深部延伸、邊角礦體回采、擴(kuò)大產(chǎn)量等遠(yuǎn)景規(guī)劃的通風(fēng)需要，需風(fēng)量計(jì)算按100萬t/a規(guī)模進(jìn)行估算及驗(yàn)證，萬噸耗風(fēng)量取保守值1.5 m3/s。

計(jì)算結(jié)果為ΣQi=150 m3/s。

(3)按照主要采掘設(shè)備及硐室排塵風(fēng)量計(jì)算需風(fēng)量

按礦井中同時(shí)工作的產(chǎn)塵設(shè)備或工作面數(shù)量計(jì)算排除粉塵所需的風(fēng)量。

計(jì)算結(jié)果為ΣQi=190 m3/s

根據(jù)上述各種計(jì)算方法計(jì)算，礦井最大需風(fēng)量為ΣQi=190 m3/s，該需風(fēng)量乘礦井綜合漏風(fēng)系數(shù)1.32(內(nèi)部漏風(fēng)系數(shù)1.15，外部漏風(fēng)系數(shù)1.15)，即得到通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量Q=250.8 m3/s，以此值來作初步的網(wǎng)絡(luò)解算。

應(yīng)當(dāng)指出的是，最后通過網(wǎng)絡(luò)解算、設(shè)置機(jī)站匹配風(fēng)機(jī)后得到的礦井總風(fēng)量可能與此預(yù)算值有一定偏差。

2.3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算與風(fēng)機(jī)選型

已知巷道風(fēng)阻和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系(數(shù)據(jù))即可解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)解算的目的是求出通風(fēng)系統(tǒng)在機(jī)站風(fēng)機(jī)的作用下礦井網(wǎng)絡(luò)巷道的風(fēng)量分配結(jié)果，同時(shí)確定風(fēng)機(jī)站工況數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)解算遵守的基本定律為風(fēng)量平衡定律(∑Qi=0)及風(fēng)壓平衡定律(∑Hi=0)。解算的通風(fēng)系統(tǒng)立體圖見圖2。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)解算后得到的工況點(diǎn)(Hi、Qi值)，在已建立的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫中逐一搜索各型號(hào)，經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算后得到效率最高、網(wǎng)絡(luò)匹配最好的機(jī)型，風(fēng)機(jī)選型結(jié)果見表1。

計(jì)算結(jié)果表明，由于通風(fēng)阻力較大，礦井總風(fēng)量與需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果相比略為偏低，單位采出礦石的通風(fēng)耗能偏高。通風(fēng)系統(tǒng)主要技術(shù)總指標(biāo)見表2。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造應(yīng)用情況

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造工程概況

為減少投資，優(yōu)化改造方案大部分利用現(xiàn)有巷道來構(gòu)建通風(fēng)系統(tǒng)。西1#回風(fēng)斜井、阿尾1 963 m回風(fēng)平巷為該方案主控工程，西1#斜井原斷面約4.27 m2、阿尾1 963 m總回風(fēng)平巷原斷面約3.16 m2，巷道較長(zhǎng)，斷面小，風(fēng)阻很高，作為全礦單翼總回風(fēng)巷道，需要按照優(yōu)化后的通風(fēng)斷面(12.21 m2)進(jìn)行刷大、延伸處理。巷道經(jīng)過施工刷大后，可有效降低通風(fēng)阻力，提高系統(tǒng)的通風(fēng)能力。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)優(yōu)化選型結(jié)果及初期運(yùn)行工況

表2 通風(fēng)系統(tǒng)主要技術(shù)總指標(biāo)

為了減少通風(fēng)阻力，降低風(fēng)機(jī)能耗，主要通風(fēng)巷道(進(jìn)風(fēng)斜井、中段斜井、通風(fēng)井聯(lián)道、中段進(jìn)回風(fēng)平巷、回風(fēng)干道、主回風(fēng)斜井、回風(fēng)平巷等)內(nèi)的堆積物應(yīng)予清理，保持氣流的暢通；原裝在主要進(jìn)回風(fēng)井巷內(nèi)的舊風(fēng)機(jī)建議拆除，原安裝在獨(dú)頭巷道及工作面的輔扇及局扇應(yīng)根據(jù)井巷及工作面的實(shí)際工作情況來確定是否拆除。

3.2 投資及經(jīng)濟(jì)效益估算

通風(fēng)系統(tǒng)改造工程投資費(fèi)用總值約為1 925.19萬元，由風(fēng)機(jī)購置費(fèi)、通風(fēng)防塵及礦山救護(hù)設(shè)備購置費(fèi)、風(fēng)機(jī)硐室、風(fēng)門、密閉墻、通風(fēng)主控巷道新建或延伸刷大、設(shè)備安裝等費(fèi)用組成，總工程量為17 336.33 m3，其中，平巷9 295.37 m3，斜井8 040.96 m3；施工巷道總長(zhǎng)度：1 629.43 m。

該礦通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化改造后的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在通風(fēng)節(jié)能效益和礦山安全環(huán)保效益方面。若與傳統(tǒng)主扇通風(fēng)方案相比，按照節(jié)能40 %計(jì)算，優(yōu)化改造后全礦通風(fēng)系統(tǒng)年節(jié)電可達(dá)670萬度，按當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.50元/度計(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)約330萬元；與此同時(shí)，主通風(fēng)系統(tǒng)形成后，井下局扇使用量可減少50 %以上，合計(jì)裝機(jī)功率571 kW，局扇每天運(yùn)行時(shí)間(平均值)按照12 h計(jì)算，年節(jié)電可達(dá)100萬度以上；此外，主通風(fēng)系統(tǒng)的建立，將大幅度降低工人使用高壓氣通風(fēng)的使用量。

4 結(jié) 語

礦山通風(fēng)系統(tǒng)通過本次優(yōu)化改造后，可達(dá)到以下幾個(gè)目的：

(1)礦區(qū)4個(gè)礦段建立統(tǒng)一的多級(jí)機(jī)站集中通風(fēng)系統(tǒng)，形成有效的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)；

(2)理順井下通風(fēng)網(wǎng)路，建立多坑口進(jìn)風(fēng)、兩翼回風(fēng)的主風(fēng)路，密閉大量漏風(fēng)巷道及采空區(qū)；

(3)優(yōu)化井下通風(fēng)巷道的有效通風(fēng)斷面，確保通風(fēng)可靠、經(jīng)濟(jì)合理；

(4)大部分有貫穿巷道的工作面、采區(qū)等能形成貫穿風(fēng)流，避免炮煙、粉塵等有害物積聚；

(5)按照總風(fēng)量285 m3/s計(jì)算，通風(fēng)系統(tǒng)每小時(shí)向井下輸送的新鮮空氣量達(dá)到102萬 m3，井下?lián)Q氣頻率可以達(dá)到每小時(shí)1次，井下工作環(huán)境將會(huì)明顯好轉(zhuǎn)，可大幅度降低炮煙中毒事故的發(fā)生。