銅綠山礦通風系統全局耦合優化研究

戴宏輝

(大冶有色銅綠山礦， 湖北 大冶市 435101)

0 引 言

地下礦產資源開發是發展和建設社會物質文明的關鍵和基礎。而地下礦產資源開采過程中產生的有毒有害氣體、粉塵等需及時排出地表，否則，不僅影響井下的安全生產，而且危害礦工的身體健康和生命安全[1]。隨著礦產資源開采范圍不斷向下延伸和服務年限增長，礦井通風網絡結構變動、線路增長、阻力增大、能耗嚴重、熱害顯現等問題日益突出，造成通風系統降低或失去預定功能[2]。因此，對金屬礦礦井通風系統提出了越來越高的要求。

銅綠山銅鐵礦是大冶有色金屬公司的主力礦山和老礦山，設計采礦石量132萬t/a。露天已采完Ⅰ、Ⅱ號礦體，地下開采Ⅲ、Ⅳ號礦體也相繼進入殘采階段，目前重心逐漸移向深部的Ⅺ號新礦體開采[3-4]。因此，銅綠山礦的通風系統也異常復雜，幾次移動風機安裝位置。特別2010年以后，銅綠山銅鐵礦深部工程正式建成投產，深部開采的通風系統與原來的通風系統必然存在相互影響，導致深部工作面通風更加困難，通風管理難度增加。為了解決采礦需風量和通風阻力增加與通風機能力的矛盾，改善工作面通風效果，有必要開展深部開采通風系統與現有上部通風系統整體優化的研究。

因此，開展銅綠山銅鐵礦礦井通風系統全局耦合優化研究，對確保深部工程安全生產具有十分重要的現實意義。

1 通風系統概況

銅綠山礦采用中央主井、盲主井、混合井、副井，兩翼風井開拓方式[5]。斜坡道輔助開拓，不通地表，在階段運輸巷道之間掘進一條起聯絡作用的斜坡道。開拓系統布局基本決定了通風系統為中央進風兩翼抽風方式。采礦方法主要以分段空場嗣后充填采礦法和上向水平分層充填采礦法為主。

目前銅綠山礦井中老系統與混合井系統(Ⅺ號礦體)同時生產。老系統最低生產中段為-725 m，設計生產能力2500 t/d。-245～-365 m中段主要回收難采采場、頂底柱、零星礦體等；-425，-485 m采場布置全面鋪開。-545，-605 m中段正在進行開拓。混合井系統為深部找礦重大成果，于2010年6月啟動開拓工程基建，2014年10月投產，最低生產中段為-965 m，設計生產能力2000 t/d。-725，-665 m目前已形成多個采場。-785，-845 m中段正在進行開拓。

老系統采用中央進風、兩翼抽風的通風方式[6]。進風井為礦體上盤的新主井、新副井和礦體下盤的管纜井。在-305 m以下深部主要由新主井、新副井和輔助斜坡道進風。南翼污風由-245 m中段南主扇經老主井抽出；北風井已延深至-425 m，北翼污風由-245，-365 m北主扇壓入北風井排出，北風井與各中段聯絡巷由風門控制，減少循環風流。新鮮風流從新副井等流入，按通風構筑物調整后的通風阻力大小自然分配風量，分別經各中段石門、斜坡道、運輸巷道、穿脈，然后進入采場，經采場天井至上或下中段穿脈、運輸平巷；與該中段新鮮風流混合后，進入本中段采場，再經采場天井至上或下中段穿脈、運輸平巷；如此逐中段上或下行通風至主回風中段平巷、回風石門和南、北回風井排出地表[5]。

混合井系統采用對角式通風方式，混合井進風，東回風井回風。生產前期在-605 m中段回風井附近布置了1臺主通風機。

為了直觀反映礦井井巷間的連接關系及風流路線，生成礦井通風系統可視化模型至關重要。Ventsim三維通風仿真系統具有良好的可視化效果，且兼容DXF 數據，用戶可以快速利用現有設計數據進行三維通風系統建模，并可將模型直接輸出到AutoCAD形成通風立體圖[9]。因此，利用銅綠山礦中段平面圖以及深部工程相關圖紙、資料信息，運用Ventsim通風系統軟件，構建了銅綠山礦井通風系統可視化模型，如圖1所示。

圖1 銅綠山礦井通風系統可視化模型

2 通風系統測定

在對銅綠山礦井通風系統進行調查的同時，對礦井通風系統中的一些關鍵通風參數進行了測定。測定的結果見表1。

表1 銅綠山礦井通風系統測定數據

目前，銅綠山礦礦井通風系統只有3臺主扇，第一臺安裝在IV號礦體-245 m中段北回風石門中，型號為DK45-8-No.19，兩段動輪可同時運行和分別運行；第二臺安裝在III號礦體-245 m中段回風石門硐室中，型號為DK45-8-No.19，兩段動輪可同時運行和分別運行；第三臺主扇安裝在IV號礦體-365 m中段北回風石門中，型號為DK45-6-No.20，兩段動輪可同時運行和分別運行。對礦井主扇工況的測定結果見表2。

表2 銅綠山礦通風系統主扇性能測定數據

3 通風系統評價及問題分析

從現場調查、分析和實踐情況可知，銅綠山礦井通風系統是共用進風段而用風段、回風段又相對獨立的中央進風兩翼抽出式排風的對角式通風系統。礦井通風系統經過多次變動，系統復雜，通風線路長，通風效果欠佳。加上深部工程的推進，深部通風與原有通風系統存在相互牽制。同時由于主礦體周邊的小礦體連續發現，導致局部通風線路長，斷面小，阻力大，調控設施多，且沒有形成有效的通風回路。具體問題分列如下：

(1) 多中段同時作業和混聯通風方式，形成并聯通風結構，雖在風流質量符合要求的情況下，總風量和作業面風量相對較大，但用風段漏風和污風串聯嚴重，各采場風量分布不均，風流短路現象嚴重(管纜井本來是上部通風系統的進風井，調查中發現管纜井風流方向反向)，不善的通風構筑物管理影響大，上游作業產塵對后續用風點風流質量影響極大，特別是爆破作業和反風情況下，經常出現風流污染物超標狀態，作業人員工作環境差。

(2) 各中段風量沒有合理分配。由于采用集中進風，分區回風，各用風區段阻力不一致，導致實際需風量和分配的風量不一致。

(3) 主扇風機動力方向紊亂，風機效率低。一方面，風流短路形成循環風流，導致風機在大風量區域運行。另一方面，如北風井兼做提升井，人行頻繁，關閉風門不利于作業，導致風門常開，-305 m中段出現污風回流的局面。

(4) 各中段風量調節難度大。各中段的風量調節，以風門為主，此調節方法是一種增阻的調節方法，調節范圍有限，并以犧牲有效總風量為代價。

(5) 井下通風構筑物較多，但通風管理不到位。調查發現風門是控制銅綠山礦井通風系統風流方向和防止風流短路的關鍵措施，通風管理不到位導致風門處于錯誤的狀態。

(6) 局部巷道垮塌嚴重。由于巷道垮塌，-305 m中段倒段南風井無法到達。巷道垮塌對風流控制帶來一定的難度。

(7) 北風井是全礦井污風的主要排放口之一，但由于周邊小礦體的開采，該井同時用作廢石提升井，井內安裝的罐籠導致風流阻力急劇增大，有效風量減少。

(8) 北部區域多風機并聯作業，整個礦區的風量增加有限；而南部在-245 m中段只布置一個風機。

(9) 主扇機站處于主回風段，值班人員長期處于污風中，有害身體健康。

4 全局優化方案

針對銅綠山礦分期建設和淺深部同時回采的現狀，若采用統一通風的方式，無法有效對用風點的風量進行調節，導致南翼通風困難。采用分區通風的客觀條件不成熟。從開拓工程布局來看，整個進風井筒布置在礦體中部，北風機和回風井布置在礦體的兩側，這決定了銅綠山通風系統宏觀構建的大格局。依據用風部分通風網絡結構和采掘規劃布局，以工作面為服務核心，將用風部分復雜的通風網路，劃分建設成若干個相互獨立、適應生產工作面變化的通風單元，用風部分網路結構復雜、又經常隨生產變化而導致分風調控。因此，選擇單元通風方式作為銅綠山礦井通風系統優化的宏觀構建方案。提出全局通風布局方案列表進行比較，見表3。

表3 銅綠山全礦通風布局方案比較

從表3可看出，考慮改善通風效果和提高井下大氣環境等因素，方案3最優。因此，銅綠山礦井通風系統全局布局方案采用方案3。配套的機械通風動力分為三級：一級風機為-245 m南、-245 m北主扇、-365 m北主扇，-365 m東主扇(從東風井回風)，-605 m主扇。二級風機為各需要增大風量的中段中設置的不帶風墻集污輔扇，三級風機為作業面的壁扇、局扇。根據銅綠山實際生產情況，可將通風系統分為北翼單元(IV號礦體)、南翼單元(Ⅲ號礦體)、深部單元(Ⅺ號礦體)。并對各單元通風需配套生產進一步優化。

4.1 北翼單元(IV號礦體)通風優化

北翼單元是目前礦山主開采的IV號礦體，生產中段主要有-425 m中段和-365 m中段，-305 m中段回采底柱，-245 m中段和-155 m中段進行殘采和周邊小礦體的開采。主要采礦方法為水平分層充填法和分段空場嗣后充填法，采場數量相對較多。根據需風量計算發現目前此單元的通風能力是滿足生產需求的，這是由于近些年，銅綠山礦將IV號礦體作為主開采礦體，因此通風系統配備也偏向于北翼單元。因此，通風優化工作只需在通風線路各關鍵位置加風門等有效構筑物，這里不再做詳細贅述。

4.2 南翼單元(Ⅲ號礦體)通風優化

根據生產需求，南翼將從-185 m中段到-845 m中段均有回采作業或開拓作業，12個主要中段需要通風，還有深部溜破、提升系統需要通風，整個通風系統將相當復雜。

按各期開采設計及通風研究結果，分-605 m以上(南翼)和-605 m以下(南翼深部)兩個單元來進行通風系統方案設計，-605 m以上又分-605，-545 m中段投產前后二個階段來布置通風方案。第二階段只提方案，待需要使用前再作通風設計。

4.2.1 第一階段

在-245 m中段南沿利用現有主風機不變；在-365 m中段新增一臺主扇向東回風井排風；-425 m到-365 m中段間倒段通風井直徑達到3 m，在-425 m中段倒段通風井前增加一臺輔扇，無風墻增壓通風。此時-365 m中段采場下行通風，按有分段平巷區域采場的采礦方法，需要分段平巷南端掘進一個回風井，便于采場污風下行到-365 m中段主回風巷。在-245 m中段和-365 m中段進風段設置風門，防止風流短路，形成漏風。見圖2。

圖2 第一階段南翼單元通風

4.2.2 第二階段

在-245 m中段南沿利用現有主風機不變；由于東回風井通風能力限制，不能有3臺主扇同時向其排風，第一階段-365 m主扇撤到-485 m中段，在-485 m中段向東回風井排風；-305 m到-365 m中段間倒段通風井直徑達到3 m，在-365 m中段倒段通風井前增加一臺輔扇，無風墻增壓通風，此輔扇由第一階段-425m中段輔扇轉移至此。-545 m中段采場上行通風到-485 m主扇，-605 m中段下行通風到-605 m主扇。此時-485, -605 m中段采場下行通風，按有分段平巷區域采場的采礦方法，需要分段平巷南端掘進一個回風井，便于采場污風下行到-485，-605 m中段主回風巷。在-245， -305， -485 m中段進風段設置風門，防止風流短路，形成漏風。在-545，-605 m中段近回風段設置調節風門，控制通過風量。見圖3。

4.3 深部單元(Ⅺ號礦體)通風優化

銅綠山礦Ⅺ號礦體開采工程主要開采-605中段以下礦體。根據設計先回采-725，-665 m中段，同時開拓-785，-845 m中段，再開拓回采-905，-965 m中段。將-785，-845 m中段投產前后分為第一階段和第二階段。

圖3 第二階段南翼單元通風

4.3.1 第一階段深部通風方案

第一階段為-605 m兩個中段回采，-845 m兩個中段開拓，需風重點為-605 m兩個中段。上部通風整改未結束時兼顧-485 m中段南回采，也是通風重點，即有3個重點需風中段。

從混合井進風，主要經-725 m中段運輸平巷、斜坡道、分段平巷到達各采場、掘進工作面，污風經采場充填天井到上中段回風巷，經倒段回風井到-605中段的風機，污風從東回風井排出地表。溜破系統及混合井下部各水平通風，由混合井進風，經破碎硐室、皮帶道和粉礦回收巷分別到達電梯井、專用回風井巷，污風經-605中段風機，從東回風井排出。在-605 m中段混合井車場附近設置風門，防止風流短路，形成系統漏風；在-665 m中段混合井車場附近、-725 m中段回風段及-605 m中段6穿前設置調節風門，在-605 m中段專用回風巷設置調節風窗，控制通過風量。見圖4。

4.3.2 第二階段深部通風方案

第二階段為-605 m兩個中段回采基本結束，-845 m兩個中段投產，需風重點轉入-845 m兩個中段。此時-605 m中段回采仍未結束，也是通風重點，即有3個重點需風中段。

從混合井進風，主要經-725 m中段運輸平巷、斜坡道、分段平巷到達各采場、掘進工作面，污風經采場充填天井到上中段回風巷，經倒段回風井到-605 m中段的風機，污風從回風井排出地表。

同時兼顧-605 m中段南回采，由新副井進風-545 m中段進風，此時-605 m中段采場下行通風，按有分段平巷區域采場的采礦方法，需要分段平巷南端各掘進一個回風井，便于采場污風下行到-605 m中段主回風巷，經-605 m中段的風機，污風從東回風井排出地表。

溜破系統及混合井下部各水平通風，由混合井進風，經破碎硐室、皮帶道和粉礦回收巷分別到達電梯井、專用回風井巷，污風經-605 m中段風機，從東回風井排出。

在-605 m中段混合井車場附近設置風門，防止風流短路；在-725 m中段混合井車場附近、-785 m中段混合井車場附近、-665 m中段回風段、-845 m中段回風段及-605 m中段6穿前設置調節風門，在-605 m中段專用回風巷設置調節風窗，控制通過風量。

5 優化方案網絡解算

根據優化后的銅綠山礦井通風系統數學模型，并進行網絡解算，得到網絡解算數據。由于解算數據量大，本文只給出主要風路的網絡解算數據，見表4。從表4可知，每個井筒和中段的需風量，風機型號和工況，為現場施工提供了設計依據。

6 結 論

(1) 對銅綠山礦井通風系統進行了詳細的調查，并對通風系統主要風路參數和主扇工況進行了測定；并深入分析了目前銅綠山礦井通風中存在的問題。

(2) 在銅綠山各中段平面圖以及深部工程的相關圖紙、資料信息的基礎上，利用Ventsim通風系統軟件，構建了銅綠山礦井通風系統可視化模型；并結合實測輸入各風路的參數和環境參數，為礦井通風系統優化提供了直觀和有效依據。

(3) 提出了多種通風系統全局優化方案，確定銅綠山礦井通風系統最優方式為單元獨立通風方式；并配套三級通風動力：一級風機為-245 m南、-245 m北主扇、-365北主扇，-365 m東主扇(從東風井回風)，-605 m主扇。二級風機為各需要增大風量的中段中設置的不帶風墻集污輔扇，三級風機為作業面的壁扇、局扇。

(4) 針對銅綠山3個通風單元，從系統多因子多單元相互影響和牽制的分析角度出發，耦合優化了各通風單元的通風方案；并在確定最終優化方案后，進行了通風系統網絡解算，給出了具體各風路的需風量、風機型號和工況，為現場施工提供了數據依據和指導。

表4 銅綠山礦主要風路網絡解算數據

備注：各中段數據為中段進風量

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