海南鐵礦北一采區井下通風系統優化

張藝山 符吉東 周 偉 鄭壯志薛宗達 張東煒 劉小剛 劉培正

(1.海南礦業股份有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

1 礦山概況

海南鐵礦北一礦體北西起石碌嶺，東抵大英山(至E23#線以東400 m)，南至紅房山背斜南東隱伏端至石灰頂向斜北側，東西方向已控制長度3 525 m[1]。北一采區生產規模為430萬t/a，開采方式為地下開采，年工作330 d，每天3班，每班8 h。礦山采用主副井—斜坡道聯合開拓方案，開拓系統共布置2條主井、1條副井、2條進風井、3條回風井和1條主斜坡道，各井筒主要參數見表1。

表1 礦山各井筒主要技術參數

注：主斜坡道凈斷面面積為15.21 m2。

礦區主、副井集中布置于礦體北部E4#線延長方向的132 m臺階上。主斜坡道硐口布置于主、副井工業場地附近，與現有道路相通，承擔井下開采所用物資、材料和無軌設備輸送任務。根據礦山開采現狀(地表無重要設施需要保護、地表允許塌陷、地表不存在征地和動遷問題、礦體和圍巖均較穩定)，并考慮到充填工藝復雜、生產成本較高、礦塊生產能力低的不足，故主要采用無底柱分段崩落法，局部采用分段空場法生產[1]。基建時期北一采區井下主要生產作業區域為0～-105 m水平，作業面有21個；-120 m為開拓水平，掘進作業面有4個。

2 礦井通風系統現狀

該礦北一采區通風系統共設置2個回風機站，分別布置于地表1#回風井風機房及2#回風井風機房，各安裝了1臺K40-8-№23風機(132 kW/臺)，其中地表2#回風井風機房的風機采用變頻控制方式。系統共設置有2個進風機站，分別布置于1#進風井0 m水平聯巷及-120 m水平聯巷，1#進風井0 m水平聯巷安裝了1臺K40-8-№23風機(132 kW/臺)；1#進風井-120 m水平兩側聯巷各并聯安裝了2臺K40-8-№20風機(75 kW/臺)，均采用變頻控制方式。

隨著北一采區開釆范圍以及生產規模的增大，礦井通風系統無法滿足井下生產用風需求，出現了井下風流紊亂、主要工作面風量不足等問題。具體來說，該礦井下通風系統存在的問題有：①通風系統中未設置必不可少的通風構筑物，風流缺少調控措施，無法對井下風量進行有效調節與合理分配；②新鮮風短路現象較為嚴重，有效風量利用率僅為60.3%，偏低；③2#回風井0 m水平回風巷可能存在堵塞現象，導致2#回風井地表回風機站承擔了整個-120 m 水平回風任務；④0 m水平1#進風井聯巷安裝了1臺K40-8-№21風機(75 kW/臺)，當風機運行時造成副井反風，導致該風機無法正常運行；⑤-120 m 水平1#進風井的2條進風聯巷各并聯安裝有2臺K40-8-№21風機(75 kW/臺)，各運行1臺風機，由于風機出口及機站風墻未安裝風門，造成機站風流循環。

3 通風系統優化

3.1 優化思路

本研究通風系統優化的范圍為-120～0 m水平。該區段通風系統存在的問題主要有通風系統建設尚不完善、系統中未設置必不可少的通風構筑物、風流缺少調控措施、短路漏風問題較突出、系統風量和采區風量有待重新合理分配和調控以及通風系統管理難度大[2-5]。為改善該礦井下作業環境，本研究從如下幾個方面對通風系統進行優化。

(1)系統風量合理分配。北一采區當前主要的需風區域位于0，-120 m水平，應對該2個水平的需風量進行核算，根據當前礦井通風系統的通風能力對該2個水平的需風量進行合理分配。

(2)井下通風網路優化。0，-120 m水平之間的中(分)段井巷工程尚不完善，需將0，-120 m水平分為2個相對獨立的通風區域進行通風網路優化。

(3)通風構筑物合理設置。0 m水平副井進風量一部分沿1#進風井到達-120 m水平，另一部分沿上盤巷直接進入回風系統，未進入0 m水平采場作業面；-120 m水平3#回風井地表封閉不嚴，新風從3#回風井到達-120 m水平，直接經由2#回風井排出地表，造成短路漏風；1#回風井60 m水平與露天坑相通，短路漏風問題較大，需根據井下通風需求對通風構筑物進行合理布置。

3.2 通風方式

礦山基建過渡時期的生產作業活動集中于-120 m 水平以上區域，3#回風井主要服務-120 m水平以下通風，故本研究通風系統優化時暫不利用3#回風井。結合礦山井巷工程布置情況，延用當前“三進兩回”的通風網絡，設計采用副井、1#進風井和2#進風井進風、1#回風井和2#回風井回風的兩翼對角抽出式多級機站通風系統，并將0，-120 m水平分為2個相對獨立的通風區域。具體優化步驟為：①考慮到當前0 m水平1#進風井聯巷進風機站的風機出口即為主斜坡道，并且當風機運行時造成副井反風，設計拆除該進風機站，進風井聯巷砌1道風墻，北一采區0 m水平的新風從副井0 m水平進風巷進入，污風經1#回風井和2#回風井排出地表；②-15 m水平新風從副井0 m水平進風巷經輔助斜坡道進入，污風經-15 m水平至0 m水平中(分)段回風井上至0 m水平，沿0 m水平回風巷回至1#回風井、2#回風井并排出地表；③-30 m水平新風從副井0 m水平進風巷經輔助斜坡道進入，污風經-30～0 m水平中(分)段回風井上至0 m水平，沿0 m水平回風巷回至1#回風井、2#回風井并排出地表；④-105 m水平一部分新風從1#進風井和副井-120 m水平進風巷經-120 m水平至-105 m水平斜坡道進入，另一部分新風從2#進風井-105 m水平進風巷進入，污風經-120 m水平至-105 m水平措施井下至-120 m水平，沿-120 m水平回風巷回至2#回風井并排出地表；⑤-120 m水平新風從1#進風井和副井-120 m水平進風巷進入，污風沿-120 m水平回風巷回至2#回風井并排出地表。

3.3 礦井風量計算及分配

礦井風量計算是選擇主要通風設備和布置通風工程的重要依據。根據《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423—2006)，可知硐室型采場最低風速不宜小于0.15 m/s，巷道型采場和掘進巷道的最低風速不應小于0.25 m/s[6]?？紤]到該礦井下作業面的工作性質，通風排塵所需風速取0.3 m/s，系統風量漏風系數取0.3[7-8]，計算出的礦井總風量為166.93 m3/s(表2)。

表2 按排塵風速計算的各分段需風量

注：除上述8個分段外，其他硐室需風量為20 m3/s；系統漏風量為38.52 m3/s。

3.4 回風機站設置

本研究優化后的通風系統共設置有2個回風機站，分別布置于地表1#回風井風機房及2#回風井風機房，兩者各安裝了1臺K40-8-№23風機(132 kW/臺)(圖1)。調高地表2#回風井風機房風機運行頻率至50 Hz，同時對1#回風井60 m水平通露天坑聯巷進行適當封堵，提高礦井有效風量，改善當前井下作業環境。

3.5 新增通風井巷工程

(1)逐步完成北一采區-105～-30 m分段西1采場進風天井(井筒凈直徑為4.0 m)、西4采場進風天井(井筒凈直徑為4.0 m)、西6采場進風天井(井筒凈直徑為4.0 m)的擴刷工作；逐步完成北一采區-105～0 m水平西7回風天井(位于3#線附近，井筒凈直徑為3.0 m)、西5回風天井(位于5#線附近，井筒凈直徑為3.0 m)的延深工作。

(2)為改善0 m水平的作業環境，在下盤巷10#穿脈新掘1條回風巷(非臨時回風巷)，作為當前0 m 水平下盤回風巷及后期北一東采區-120 m水平的生產回風巷，具體位置以現場實際情況為準。

(3)清理疏通0 m水平1#回風井至2#回風井之間的回風巷。

3.6 通風構筑物設置

通風構筑物是礦井通風系統的三大組成部分之一，構筑物的數量與質量對井下安全生產具有直接影響。通風構筑物的作用是確保井下各用風點的用風需求，如有些礦井風門漏風嚴重，無法有效發揮隔斷風流的作用，勢必會引起風流波動，影響風路中風流的穩定性，在少數情況下甚至會造成風流靜止甚至反向[9-12]。為確保該礦北一采區的通風效果，需對井下主要位置設置通風構筑物(表3)。

3.7 通風網絡解算結果

經過Ventsim三維通風動態仿真模擬軟件解算，本研究通風系統優化方案中回風機站風機的風量、風壓、裝機地點、風機型號以及其他主要技術參數取值見表4、表5及表6。綜合分析表4、表5及表6可知：

(1)礦井總風量。北一采區礦井總風量為185.29 m3/s，達到核算風量要求(166.93 m3/s)，主要由副井、1#進風井和2#進風井進入井下。其中，副井進風量91.18 m3/s，井筒平均風速3.23 m/s；1#進風井進風量32.84 m3/s，井筒平均風速0.85 m/s；2#進風井進風量15.52 m3/s，井筒平均風速 0.65 m/s；1#回風井回風量89.58 m3/s，井筒平均風速7.13 m/s；2#回風井回風量95.71 m3/s，井筒平均風速3.62 m/s。

圖1 海南鐵礦北一采區井下通風系統優化示意

(2)機站設置及工況。1#回風井地表回風機站有風墻形式運行1臺K40-8-23(132 kW/臺)風機，葉片安裝角度32°，實行變頻控制方式，運行頻率50 Hz。該機站風量89.58 m3/s，實耗功率118.56 kW，風機運行效率73%。2#回風井地表回風機站有風墻形式運行1臺K40-8-23(132 kW/臺)風機，葉片安裝角度32°，實行變頻控制方式，運行頻率50 Hz。機站風量95.71 m3/s，實耗功率106.23 kW，風機運行效率75%。

4 結 語

在充分利用海南鐵礦現有通風

表3 井下通風構筑物設置情況

表4 通風系統優化方案解算結果

表5 通風系統優化方案的風機型號及參數

表6 通風優化方案的主要技術參數 m3/s

設施及通風井巷工程的基礎上，以Ventsim模擬軟件為手段，采用數值理論分析研究方法，對該礦北一采區井下通風系統進行了優化研究。研究表明：該礦通風系統優化后，礦井總風量可達到185.29 m3/s，能夠滿足井下生產作業用風需求。

參 考 文 獻

[1] 王 鵬.海南礦業北一采場露天轉地下開采過渡研究[J].礦業工程，2011(6)：18-19.

[2] 潘軍義，蔡順塑，董振民，等.梅山鐵礦二期通風系統設計優化[J].金屬礦山，2004(4)：69-71.

[3] 吳冷峻，宋愛東，周 偉，等.司家營鐵礦南區2 000萬t/a工程通風系統優化研究[J].金屬礦山，2011(10)：139-143．

[4] 王劍波，周 偉，吳冷峻，等.遠程集中控制技術在調節通風系統風壓平衡中的應用[J].金屬礦山，2015(4)：278-281.

[5] 周 偉，扈守全，汪林紅，等.阜山金礦抽出式通風系統采空區漏風控制技術研究[J].金屬礦山，2016(9)：174-178．

[6] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 16423—2006 金屬非金屬礦山安全規程[S].北京：中國標準出版社，2006.

[7] 張鵬國，劉允秋.早子溝金礦通風系統優化方案[J].現代礦業，2017(8)：261-263.

[8] 王紅兵，賈敏濤.多機站通風在多中段回采礦山的應用[J].現代礦業，2016(10)：144-147.

[9] 潘軍義，董振民.多級機站通風局部阻力的研究[J].金屬礦山，2001(9)：49-51．

[10] 賈安民.井下多級機站通風監控與節能技術研究[J].金屬礦山，2012(6)：113-119．

[11] 鮑 瑞.礦井通風系統可靠性分析[D].西安：西安科技大學，2009.

[12] 李海港，唐敏康，黃同林.金屬礦山井下通風系統人機工程可靠性分析[J].金屬礦山，2011(12)：139-142.