某多金屬礦多級機站通風系統優化應用研究

李謝平，田 敏，謝寧芳

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

礦井通風是指借助自然風壓或者機械動力將新鮮空氣輸送至礦井內，以此來改善井下的工作環境，一方面能夠為工作人員的正常呼吸提供新鮮充足的空氣，另一方面能夠將有毒有害氣體和粉塵及時排出地表，提高作業的安全系數。礦井通風是礦山正常生產的基礎，也是礦山安全生產的基本保障。

某多金屬礦已開采多年，采用平硐+斜井聯合開拓。礦體為緩傾斜-傾斜的薄層不連續礦體，采礦方法為房柱采礦法，礦山生產能力約為120萬t/a。隨著開采深度的增加，開拓系統的延伸，采空區范圍的擴大，造成礦井巷道網絡復雜，通風阻力增加，通風難度加大，需對通風系統進行相應的優化及技術改造，以保障礦山持續生產。

1 礦山開采及通風系統現狀

1.1 礦山開采現狀

礦山分4個礦段進行開采，現開采深度300～500 m，采用3～4級斜井提升，斜井數量眾多。開拓巷道斷面均不大，大部分未進行支護，通地表的井口多達32個。

礦體為緩傾斜-傾斜的薄層不連續礦體，采礦方法以空場法中留規則礦柱的房柱法為主。受礦體賦存條件及技術力量的影響，井下采礦作業中段數十個，工人及設備數量眾多。

礦山1 760 m以上各中段均已回采完畢，1 760 m中段聯通了各個礦段，主要承擔運輸、通風、排渣等功能。1 500 m中段為礦山規劃中的新生產平臺，正進行各礦段的貫通施工。除1 760 m、1 500 m 2個大中段外，各礦段的其它中段巷道互不相連。

1.2 礦山通風系統現狀

目前，礦山未建立有效的機械通風系統，地表坑口及井下均未安裝主扇風機，全礦以自然通風和井下工作面局部通風為主。井下作業點主要采用局扇來進行通風，經過統計，井下安裝有近200余臺的局扇，分布于各中段的作業點，裝機功率大多為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未做封閉處理。井下風墻、風門、風窗等風量調節裝置較少，各提升斜井也未設置風流凈化裝置，隨著風流的下行，系統漏風、污風、新風串流現象較為嚴重。

礦山在地表空壓機站安裝有數量眾多的空壓機，輸送至井下的壓縮空氣，除用作鑿巖動力外，部分作業點在爆破后，還采用壓縮空氣驅散炮煙。因未形成主通風系統，僅依靠自然通風，粉塵、炮煙稀釋后難以排到地表，污風在井下循環。

受礦山地質工作滯后影響，生產中利用掘進巷道進行探礦，開拓巷道的布置缺乏整體規劃，空間上縱橫交錯，通風線路曲折迂回。因礦山采礦分4個礦段進行，長期以來各礦段相對獨立地進行開采，開拓巷道大部分互不聯通，僅有1 760 m、1 500 m 2個中段聯通4個礦段，各礦段銜接區域通風效果更差，整個礦山的通風系統建設與維護難以進行。礦山大部分的開拓巷道斷面較小，且未進行支護，通風阻力大。

1.3 通風系統存在的問題分析

經過深入調查分析和實地觀測，由于沒有建立有效的機械通風系統以及輔助通風構筑物，現有以自然通風為主的通風系統存在諸多問題，存在的主要問題有：

(1)通風系統排塵、排煙效果差。由于缺乏主扇風機動力，自然風壓在礦井中起了關鍵作用，自然風壓隨地表及井下氣溫變化而變化，尤其是季節性變化最為明顯，因此井下主要通風巷道的風向飄忽不定，井下粉塵及炮煙不能沿回風巷道及時排出地表，即使通過長時間自然擴散，也難以排除井下有毒有害氣體(如炮煙、CO)和粉塵。

(2)通風系統漏風嚴重。井下存在較多采空區及漏風巷道，井下既沒有風機控制風流的走向，也沒有輔助通風構筑物來引導風流，依靠自然風壓進入井下的少量新鮮風流在沒有進入到采場工作面之前很快從漏風巷道或采空區跑掉，開采作業往深部延伸時尤為嚴重。

(3)兼作進風巷道的提升斜井沒有凈化措施。井下大多數斜井既作為進風斜井，又作為礦石、材料提升斜井，沒有采取有效的凈化措施，難以保證風源質量，同時也與安全規程不符。

(4)礦井主通風干道有效通風斷面嚴重不足，風路不暢，未來安裝主扇風機后，通風斷面過小將導致通風阻力增大，風機耗能急劇增加，同時也會造成主要通風巷道和運輸巷道的風速超標。

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

2 通風系統優化改造方案

通風系統優化遵循符合國家標準、規范，立足現狀、兼顧后續生產通風需求，充分利用已有工程及設施，系統高效、運行成本低等原則。

2.1 通風方式的選擇

20世紀50—70年代國內大部分礦山采用的礦井通風系統都是主扇通風，主扇通風方案的優點是風機少且集中，易于管理，與井下提升、運輸等作業沖突少。缺點是風機效率低，耗能高，通風效果不理想，井下作業適應性較差，需要設置大量通風構筑物來調節風量及風流方向，通風成本很高。

分區通風方案：按照傳統的主扇通風方式，分別在4個礦段總回風巷道設置主扇進行抽出式通風，形成相對獨立的分區通風系統。礦山曾在各礦段回風巷道設置若干臺主扇風機進行抽出通風，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立的通風網路，部分礦段之間存在貫通的采空區及巷道，漏風、風流短路十分嚴重；

(2)各礦段專用回風巷道數量少，通風斷面嚴重不足，回風阻力大；

(3)單一主扇抽出通風，井下無法有效分風，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通風方案，應采用更有效、更可靠的多級機站通風方案。其優點為風機可以全部設置在井下，不占用地表空間，可以靈活設置風機站與裝機點以適應井下采區作業的變化，分布在井下的機站風機能更好地控制風流走向，故漏風少、有效風量高、通風效果好。缺點是風機數量較多，需要較強的管理隊伍，在井下設置風機站也容易與運輸發生矛盾。

多級機站通風方案思路：該礦各礦段坑口多、斜井多且分布較均勻，為通風系統提供了充足的進風和分風通道；1 500 m礦山主運輸巷道，連通各礦段，兩翼平巷可作為通風系統的主回風巷道，也是設置接力風機站的理想位置；西部西1#回風斜井連接1 500 m西翼回風平巷，可作為通風系統主回風口之一；東部阿尾1 963 m總回風平巷通過四10#斜井、四11#斜井及其二級斜井連接1 500 m東翼回風平巷，可作為通風系統另一個主回風口?？v觀全礦，上述巷道已形成了多口進風、多斜井均衡分風以及兩翼集中回風的通風網路(主風路)，只要在主風路中設置串(并)聯風機站、匹配合適的風機，全礦通風系統已基本形成。通風系統主風路立體圖見圖1。

風機站布局、網絡解算、風機優化選型為多級機站通風技術應用的核心內容，根據需要，在井下設置1～3級機站，每級機站設置1～3個裝機點，每個裝機點的風機按網絡特性選型、匹配風機，利用風機的串并聯工作來共同克服礦井通風阻力，達到工作面按需分風的目的，減少通風構筑物對風流的調控。礦山增加新采區或轉入深部開采后可以采取逐級增加風機站或者增加裝機點的方式來解決后續通風問題。

2.2 礦井總需風量計算

礦井總需風量的計算方法有：

(1)排除柴油設備廢氣，按設備功率及工作系數計算需風量；

(2)排除放射性污染，按放射劑量強度及范圍計算需風量；

(3)工作面排塵風速，按工作面斷面大小及額定風速計算風量；

(4)產塵設備(工作面)排塵風量，按礦井中同時工作的產塵設備或工作面數給定排除粉塵所需的風量計算。

除上述幾種方法外，還有按下井最大班人數計算需風量和萬噸礦石用風率估算法。不同礦井條件下重點選用其中一種方法進行計算，用其它方法進行校驗，取最大值作為礦井總風量，并以此值來對礦井通風系統進行網絡解算。

(1)按照井下最大班人數計算需風量

根據礦山提供的資料，井下最大班人數為794人；

計算結果為ΣQi=53.99 m3/s。

(2)按照大中型冶金礦山萬噸風量率計算需風量

根據礦山實際生產能力，同時兼顧向深部延伸、邊角礦體回采、擴大產量等遠景規劃的通風需要，需風量計算按100萬t/a規模進行估算及驗證，萬噸耗風量取保守值1.5 m3/s。

計算結果為ΣQi=150 m3/s。

(3)按照主要采掘設備及硐室排塵風量計算需風量

按礦井中同時工作的產塵設備或工作面數量計算排除粉塵所需的風量。

計算結果為ΣQi=190 m3/s

根據上述各種計算方法計算，礦井最大需風量為ΣQi=190 m3/s，該需風量乘礦井綜合漏風系數1.32(內部漏風系數1.15，外部漏風系數1.15)，即得到通風系統總風量Q=250.8 m3/s，以此值來作初步的網絡解算。

應當指出的是，最后通過網絡解算、設置機站匹配風機后得到的礦井總風量可能與此預算值有一定偏差。

2.3 通風網絡解算與風機選型

已知巷道風阻和通風網絡拓撲關系(數據)即可解算通風網絡，網絡解算的目的是求出通風系統在機站風機的作用下礦井網絡巷道的風量分配結果，同時確定風機站工況數據。網絡解算遵守的基本定律為風量平衡定律(∑Qi=0)及風壓平衡定律(∑Hi=0)。解算的通風系統立體圖見圖2。

根據網絡解算后得到的工況點(Hi、Qi值)，在已建立的風機數據庫中逐一搜索各型號，經過優化計算后得到效率最高、網絡匹配最好的機型，風機選型結果見表1。

計算結果表明，由于通風阻力較大，礦井總風量與需風量計算結果相比略為偏低，單位采出礦石的通風耗能偏高。通風系統主要技術總指標見表2。

3 通風系統優化改造應用情況

3.1 通風系統優化改造工程概況

為減少投資，優化改造方案大部分利用現有巷道來構建通風系統。西1#回風斜井、阿尾1 963 m回風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總回風平巷原斷面約3.16 m2，巷道較長，斷面小，風阻很高，作為全礦單翼總回風巷道，需要按照優化后的通風斷面(12.21 m2)進行刷大、延伸處理。巷道經過施工刷大后，可有效降低通風阻力，提高系統的通風能力。

表1 通風系統風機優化選型結果及初期運行工況

表2 通風系統主要技術總指標

為了減少通風阻力，降低風機能耗，主要通風巷道(進風斜井、中段斜井、通風井聯道、中段進回風平巷、回風干道、主回風斜井、回風平巷等)內的堆積物應予清理，保持氣流的暢通；原裝在主要進回風井巷內的舊風機建議拆除，原安裝在獨頭巷道及工作面的輔扇及局扇應根據井巷及工作面的實際工作情況來確定是否拆除。

3.2 投資及經濟效益估算

通風系統改造工程投資費用總值約為1 925.19萬元，由風機購置費、通風防塵及礦山救護設備購置費、風機硐室、風門、密閉墻、通風主控巷道新建或延伸刷大、設備安裝等費用組成，總工程量為17 336.33 m3，其中，平巷9 295.37 m3，斜井8 040.96 m3；施工巷道總長度：1 629.43 m。

該礦通風系統經優化改造后的經濟效益主要體現在通風節能效益和礦山安全環保效益方面。若與傳統主扇通風方案相比，按照節能40 %計算，優化改造后全礦通風系統年節電可達670萬度，按當地電價0.50元/度計算，每年節約電費約330萬元；與此同時，主通風系統形成后，井下局扇使用量可減少50 %以上，合計裝機功率571 kW，局扇每天運行時間(平均值)按照12 h計算，年節電可達100萬度以上；此外，主通風系統的建立，將大幅度降低工人使用高壓氣通風的使用量。

4 結 語

礦山通風系統通過本次優化改造后，可達到以下幾個目的：

(1)礦區4個礦段建立統一的多級機站集中通風系統，形成有效的機械通風系統；

(2)理順井下通風網路，建立多坑口進風、兩翼回風的主風路，密閉大量漏風巷道及采空區；

(3)優化井下通風巷道的有效通風斷面，確保通風可靠、經濟合理；

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

(5)按照總風量285 m3/s計算，通風系統每小時向井下輸送的新鮮空氣量達到102萬 m3，井下換氣頻率可以達到每小時1次，井下工作環境將會明顯好轉，可大幅度降低炮煙中毒事故的發生。