多中段通風(fēng)綜合分區(qū)集中控制技術(shù)在羅河鐵礦的應(yīng)用

張 輝 王忠強(qiáng) 范進(jìn)才 任甲澤 賈敏濤 居偉偉

(1.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.海南山金礦業(yè)有限公司；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

安徽馬鋼羅河礦業(yè)公司2007年9月正式開(kāi)工建設(shè)，設(shè)計(jì)能力為300萬(wàn)t/a。隨著羅河鐵礦正式投產(chǎn)，生產(chǎn)中段越來(lái)越多，部分生產(chǎn)中段處于開(kāi)拓階段，未形成完整的通風(fēng)線路，進(jìn)、回風(fēng)線路不暢，使下中段污風(fēng)回至上中段進(jìn)風(fēng)巷，形成污風(fēng)串聯(lián)現(xiàn)象[1]。各中段輔扇數(shù)量較多、安裝位置不合理且未統(tǒng)一集中控制，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行較為紊亂，各中段之間存在污風(fēng)循環(huán)、風(fēng)量分配不匹配等問(wèn)題。因此，為解決井下通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀問(wèn)題，對(duì)羅河鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)及分析，核實(shí)礦井采掘工作面分布及數(shù)量，確定礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀總風(fēng)量要求[2]，在滿足礦井總風(fēng)量的基礎(chǔ)上，對(duì)各中段風(fēng)量進(jìn)行綜合分區(qū)、集中控制，提高礦井有效風(fēng)量率及風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能[3]，使礦井通風(fēng)系統(tǒng)保持經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

1 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦井新鮮風(fēng)流主要由副井、進(jìn)風(fēng)井和措施井進(jìn)入，污風(fēng)集中由1#、2#主回風(fēng)井排出。

-545 m水平為專用進(jìn)風(fēng)水平，在8勘探線附近設(shè)置2#、3#、4#和7#采區(qū)進(jìn)風(fēng)天井。

-455 m水平為回風(fēng)水平，東側(cè)設(shè)置1#、2#、4#、5#、6#、7#、8#和9#采區(qū)回風(fēng)天井，通過(guò)回風(fēng)巷道把1#、2#主回風(fēng)井與采區(qū)回風(fēng)天井相連通。

羅河鐵礦采用多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)，分為Ⅲ級(jí)通風(fēng)。Ⅰ級(jí)機(jī)站為進(jìn)風(fēng)機(jī)站，Ⅱ級(jí)機(jī)站為采區(qū)進(jìn)、回風(fēng)機(jī)站，Ⅲ級(jí)機(jī)站為回風(fēng)機(jī)站。具體風(fēng)機(jī)情況見(jiàn)表1。

2 現(xiàn)狀檢測(cè)及分析

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)檢測(cè)

羅河鐵礦新鮮風(fēng)流經(jīng)進(jìn)風(fēng)井、措施井、副井及主井進(jìn)入井下，通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)檢測(cè)，各井筒具體進(jìn)風(fēng)情況見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)拓系統(tǒng)各井筒風(fēng)量分配 m3/s

2.2 存在問(wèn)題及分析

(1)總風(fēng)量不足，風(fēng)量分配不合理。羅河鐵礦總通風(fēng)量為363.71 m3/s，與設(shè)計(jì)風(fēng)量400 m3/s相比，風(fēng)量相差36.29 m3/s，總風(fēng)量欠缺。-540 m上部水平新鮮風(fēng)流通過(guò)東部20#聯(lián)巷斜坡道上風(fēng)，-508 m 水平通過(guò)2#、3#采區(qū)進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量為11.82 m3/s，上部水平新鮮風(fēng)流較少，風(fēng)量分配嚴(yán)重不合理，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)向各水平供給的風(fēng)量偏小、工作面無(wú)風(fēng)、粉塵和熱量無(wú)法排走等問(wèn)題，不能滿足生產(chǎn)和安全的要求。

(2)現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)構(gòu)筑物管理不善，風(fēng)流循環(huán)。-560 m 水平南環(huán)部分風(fēng)流直接匯入進(jìn)風(fēng)大巷，通過(guò)-560 m主進(jìn)風(fēng)井機(jī)站進(jìn)入-545 m進(jìn)風(fēng)水平，存在風(fēng)流短路問(wèn)題。-560 m通-545 m水平斜坡道2道風(fēng)門(mén)未關(guān)閉，使主進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入-545 m的70.26 m3/s風(fēng)量又通過(guò)斜坡道下風(fēng)32.73 m3/s，風(fēng)流存在循環(huán)。-560 m水平1#、2#、4#、5#、6#、7#、8#采區(qū)回風(fēng)井風(fēng)墻已損壞，新風(fēng)直接回至-455 m回風(fēng)水平，降低礦井有效風(fēng)量率。

(3)井下輔扇管理混亂，風(fēng)機(jī)設(shè)置不合理。-545 m 南部輔扇風(fēng)機(jī)將進(jìn)入-540 m的風(fēng)抽回到-545 m水平，造成污風(fēng)循環(huán)。-545 m進(jìn)風(fēng)水平2#、3#、4#進(jìn)風(fēng)井的風(fēng)機(jī)沒(méi)有開(kāi)，使上水平風(fēng)量較小，并且井下安置了多臺(tái)輔扇，抽出空區(qū)或溜井的污風(fēng)、循環(huán)風(fēng)，使工作面環(huán)境惡化。

(4)井下空區(qū)、廢棄溜井漏風(fēng)嚴(yán)重。-540 m回采水平西部進(jìn)風(fēng)、東部回風(fēng)，中部許多出完礦的空區(qū)和已經(jīng)不用的溜井未及時(shí)封閉，大量新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)，或者沿溜井上下串風(fēng)，致使-540 m水平風(fēng)流短路，造成風(fēng)量流失嚴(yán)重，工作面風(fēng)量較小或無(wú)風(fēng)等現(xiàn)象。

3 通風(fēng)系統(tǒng)綜合研究

3.1 總風(fēng)量核定

根據(jù)《羅河鐵礦2017年生產(chǎn)計(jì)劃表》安排，羅河鐵礦出礦作業(yè)面17個(gè)、掘進(jìn)作業(yè)面22個(gè)、鑿巖作業(yè)面7個(gè)。考慮到羅河鐵礦為含硫礦山，采礦作業(yè)點(diǎn)地溫相對(duì)較高，采場(chǎng)排塵風(fēng)速選取0.5 m/s，每個(gè)出礦采場(chǎng)需風(fēng)量為9.27 m3/s，每個(gè)鑿巖采場(chǎng)與掘進(jìn)工作面需風(fēng)量為9.27 m3/s，結(jié)合井下工作面同時(shí)回采數(shù)量(共計(jì)23個(gè))、運(yùn)輸水平、各類硐室及溜破系統(tǒng)計(jì)算得出礦井總需風(fēng)量為395.26 m3/s，確定礦井總需風(fēng)量為400 m3/s。

3.2 綜合分區(qū)研究

根據(jù)羅河鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)礦井總風(fēng)量核定，利用綜合分區(qū)技術(shù)，將-470 m水平通風(fēng)歸入-455 m水平通風(fēng)線路，-515和-526 m水平通風(fēng)歸入-508 m 水平通風(fēng)線路，-516 m水平通風(fēng)歸入-540 m 水平通風(fēng)線路。將羅河鐵礦劃分為4個(gè)采區(qū)，各中段及采區(qū)風(fēng)量分配見(jiàn)表3。

表3 羅河鐵礦各水平進(jìn)、回風(fēng)量分配

3.3 通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)方案

結(jié)合礦山通風(fēng)工程布置，仍采用南、北進(jìn)風(fēng),東部回風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)井、副井和措施井進(jìn)風(fēng)，1#、2#主回風(fēng)井回風(fēng)。-545 m水平為專用進(jìn)風(fēng)水平，-455 m水平為專用回風(fēng)水平， 1#、2#主回風(fēng)井與采區(qū)回風(fēng)天井在-455 m水平通過(guò)4條回風(fēng)巷道相連通。

3.3.1 風(fēng)機(jī)變頻方案

井下Ⅰ、Ⅲ級(jí)機(jī)站風(fēng)機(jī)維持不變，通過(guò)變頻柜變頻調(diào)節(jié)礦井總風(fēng)量，具體風(fēng)機(jī)變頻控制調(diào)節(jié)如下：

Ⅰ級(jí)機(jī)站為進(jìn)風(fēng)機(jī)站，共設(shè)3個(gè)機(jī)站，分別位于副井-545 m進(jìn)風(fēng)石門(mén)(1臺(tái)DK45-6-№18型，功率為2×160 kW)、進(jìn)風(fēng)井-545 m進(jìn)風(fēng)石門(mén)(2臺(tái)K45-6-№19型，功率為200 kW)、-560 m主進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷(1臺(tái)K45-6-№19型，功率為200 kW)，運(yùn)行頻率由原來(lái)的27 Hz增加至35 Hz。

Ⅲ級(jí)機(jī)站為回風(fēng)機(jī)站，共設(shè)5個(gè)機(jī)站，分別在-455 m 水平1#、2#、3#、4#主回風(fēng)井石門(mén)巷道設(shè)置4臺(tái)K45-6-№20型風(fēng)機(jī)，功率為250 kW，增大運(yùn)行頻率至40 Hz。-560 m水平2#回風(fēng)井回風(fēng)石門(mén)設(shè)置一臺(tái)K45-6-№17型風(fēng)機(jī)，功率為110 kW，運(yùn)行頻率由35HZ增加至40 Hz。

3.3.2 采區(qū)通風(fēng)調(diào)節(jié)方案

-455～-470 m水平采區(qū):-455 m水平新風(fēng)由2#、4#、7#采區(qū)進(jìn)風(fēng)井和主斜坡道進(jìn)入，污風(fēng)通過(guò)1#、2#、3#和4#回風(fēng)巷道經(jīng)1#、2#主回風(fēng)井排出地表。-470 m水平新風(fēng)由3#采區(qū)進(jìn)風(fēng)井上風(fēng)進(jìn)入-470 m 水平，污風(fēng)通過(guò)50#聯(lián)巷斜坡道回至-455 m 水平，匯入-455 m水平回風(fēng)線路。

-508～-526 m水平采區(qū):-508 m水平北部新風(fēng)通過(guò)2#采區(qū)進(jìn)風(fēng)井、3#采區(qū)進(jìn)風(fēng)井、4#采區(qū)進(jìn)風(fēng)井、主斜坡道和措施井進(jìn)風(fēng)，污風(fēng)通過(guò)南北進(jìn)路經(jīng)60#聯(lián)巷排入106井回風(fēng)。-508 m水平南部新風(fēng)通過(guò)80#聯(lián)巷-455～-508 m通風(fēng)井進(jìn)入，污風(fēng)經(jīng)90#聯(lián)巷排入8#采區(qū)回風(fēng)井回風(fēng)。-515和-526 m水平新風(fēng)通過(guò)-508 m水平30#聯(lián)巷進(jìn)入-515 m水平，部分新風(fēng)經(jīng)22#出礦進(jìn)路、60#聯(lián)巷上山進(jìn)入-526 m 水平，污風(fēng)由-526 m水平南部回風(fēng)天井進(jìn)入-508 m水平，由-508 m水平8#采區(qū)回風(fēng)井回風(fēng)。

-516～-540 m水平采區(qū)：-516 m水平新風(fēng)通過(guò)115#聯(lián)道上山進(jìn)風(fēng)，污風(fēng)通過(guò)612#井回至-540 m 水平，匯入-540 m水平回風(fēng)線路。-540 m 回采水平北部新風(fēng)通過(guò)-545 m進(jìn)風(fēng)水平由20#聯(lián)巷上山、40#聯(lián)巷上山和4#采區(qū)進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入-540 m回采水平，污風(fēng)由1#采區(qū)回風(fēng)井、20#聯(lián)巷斜坡道和新施工回風(fēng)井回風(fēng)。南部新風(fēng)由-545 m進(jìn)風(fēng)水平和-560 m運(yùn)輸水平回風(fēng)井經(jīng)125#聯(lián)巷上山、115#聯(lián)巷上山進(jìn)入回采水平，污風(fēng)通過(guò)1#采區(qū)回風(fēng)井、20#聯(lián)巷斜坡道和新施工回風(fēng)井回風(fēng)。

-560 m及以下采區(qū)：-560 m運(yùn)輸水平新風(fēng)由副井和措施井進(jìn)入；一部分新風(fēng)經(jīng)1#～6#穿脈匯至運(yùn)輸水平回風(fēng)井，經(jīng)-545 m水平斜巷、采區(qū)9#回風(fēng)天井、-455 m回風(fēng)水平，由1#、2#主回風(fēng)井排出地表，另一部分新風(fēng)通過(guò)運(yùn)輸大巷經(jīng)2#主回風(fēng)井-560 m 回風(fēng)機(jī)站排出地表。新風(fēng)由清理電梯井進(jìn)入，分別進(jìn)入破碎水平、皮帶道水平和粉礦清理水平，污風(fēng)由破碎系統(tǒng)回風(fēng)井上至-560 m水平，經(jīng)除塵凈化后進(jìn)入-560 m運(yùn)輸水平，經(jīng)2#主回風(fēng)井-560 m 回風(fēng)機(jī)站排出地表。機(jī)站設(shè)置在-560 m水平破碎系統(tǒng)回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)。

3.4 動(dòng)態(tài)模擬解算

利用Ventsim軟件建立羅河鐵礦三維動(dòng)態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型，借助軟件進(jìn)行三維通風(fēng)風(fēng)流流動(dòng)規(guī)律模擬解算，通過(guò)節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡、網(wǎng)孔風(fēng)壓平衡原理對(duì)數(shù)值模擬解算結(jié)果與需風(fēng)量理論計(jì)算相互驗(yàn)證[4]。方案具體解算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各方案進(jìn)、回風(fēng)工程網(wǎng)絡(luò)解算風(fēng)量分配 m3/s

根據(jù)方案一和方案二網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果分析，通風(fēng)系統(tǒng)能耗1 a按365 d，電費(fèi)平均按0.70元/h，效率按70%計(jì)算。

方案一通風(fēng)系統(tǒng)固定機(jī)站風(fēng)機(jī)總裝機(jī)容量為2 030 kW，實(shí)耗功率為980.8 kW，系統(tǒng)總實(shí)耗功率2 a通風(fēng)成本為842.0萬(wàn)元。

方案二通風(fēng)系統(tǒng)固定機(jī)站風(fēng)機(jī)總裝機(jī)容量為1 190 kW，實(shí)耗功率為1 082 kW。系統(tǒng)總實(shí)耗功率2 a通風(fēng)成本為928.9萬(wàn)元。

方案一較方案二系統(tǒng)固定風(fēng)機(jī)總實(shí)耗功率2 a節(jié)約通風(fēng)成本86.9萬(wàn)元。

綜上所述，通過(guò)對(duì)方案一、方案二通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果、風(fēng)機(jī)總實(shí)耗功率及投資費(fèi)用對(duì)比分析，方案二中Ⅰ、Ⅲ級(jí)機(jī)站風(fēng)機(jī)全部更換，工程費(fèi)用及風(fēng)機(jī)購(gòu)置費(fèi)用較高，且通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量及風(fēng)機(jī)總實(shí)耗功率與方案一中相當(dāng)，最終選用方案一。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案示意見(jiàn)圖1。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案示意(單位：m3/s)

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

方案施工完成后，2018年8月對(duì)羅河鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)效果進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)表5數(shù)據(jù)分析可得礦井總進(jìn)風(fēng)量為458.35 m3/s，總回風(fēng)量為459.10 m3/s，礦井通風(fēng)有效風(fēng)量為298.23 m3/s，有效風(fēng)量率提高至64.96%。總進(jìn)風(fēng)量與總回風(fēng)量基本一致，無(wú)外部漏風(fēng)影響[5]。

優(yōu)化礦井總風(fēng)量459.10 m3/s與通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)礦井總風(fēng)量400 m3/s相比，能夠滿足礦井總風(fēng)量需求，各分區(qū)風(fēng)量分配合理，通風(fēng)效果得到明顯提升。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)變頻節(jié)能技術(shù)方案的實(shí)施，在保證礦井總風(fēng)量400 m3/s的基礎(chǔ)上，選用最優(yōu)方案使礦井總風(fēng)量由363.71 m3/s提升至459.10 m3/s，礦井總風(fēng)量提升了26.23%，保證了多中段回采時(shí)礦井總風(fēng)量的需求。

表5 優(yōu)化后通風(fēng)系統(tǒng)各井筒風(fēng)量分配 m3/s

(2)通過(guò)更換風(fēng)機(jī)方式調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量及實(shí)耗功率的方法，采用集中變頻技術(shù)控制能夠有效減少風(fēng)機(jī)設(shè)備及工程費(fèi)用，并在400m3/s的基礎(chǔ)上較更換風(fēng)機(jī)方案礦井總實(shí)耗功率2a通風(fēng)成本節(jié)約86.9萬(wàn)元，風(fēng)機(jī)性能得到較大提升。

(3)礦井生產(chǎn)、運(yùn)輸中段及溜破系統(tǒng)需風(fēng)區(qū)共有9處，生產(chǎn)中段存在采空區(qū)等漏風(fēng)點(diǎn)，通風(fēng)系統(tǒng)管理困難，采用風(fēng)壓平衡技術(shù)，各需風(fēng)中段設(shè)置輔扇進(jìn)行引風(fēng)，減少空區(qū)漏風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量，使礦井新鮮風(fēng)流送至需風(fēng)點(diǎn)，提高了礦井有效風(fēng)量率。

(4)羅河鐵礦隨著開(kāi)采中段和深度增加，礦井需風(fēng)區(qū)隨著開(kāi)采的變化而變化，采用多中段綜合分區(qū)技術(shù)將通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，將羅河鐵礦分成4塊綜合區(qū)域，需風(fēng)區(qū)進(jìn)、回風(fēng)線路統(tǒng)一管理，既能減少礦井通風(fēng)阻力以達(dá)到降低通風(fēng)成本的效果，也降低了通風(fēng)系統(tǒng)管理難度，保證了通風(fēng)系統(tǒng)高效性和可靠性。