高海拔特長斜坡道分段壓抽通風系統(tǒng)及仿真

姚銀佩，蔡澤山，楊 鵬，李印洪

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院，長沙 410014；2.非煤礦山通風防塵湖南省重點實驗室，長沙 410014；3.西部礦業(yè)錫鐵山分公司，青海 海西 816203)

近年來，由于無軌設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用，斜坡道開拓成為大中型金屬礦山最常用的開拓方式之一。斜坡道可作為無軌設(shè)備轉(zhuǎn)移的通道，也是礦山人員、材料、礦石等運輸?shù)耐ǖ溃瑫r也是礦井通風線路[1]。

隨著礦山向深部開采的轉(zhuǎn)移，斜坡道的距離越來越長，斜坡道的轉(zhuǎn)彎和中段聯(lián)巷開口也越來越多，斜坡道的通風網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，通風阻力加大，通風不暢，致使無軌設(shè)備的油煙和運輸產(chǎn)生的揚塵難以排除[2-4]，特別是在高海拔地區(qū)低壓缺氧的狀態(tài)下，斜坡道供風不足，無軌設(shè)備燃油燃燒不充分，產(chǎn)生大量一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)等有害氣體，動力不足甚至熄火[5-7]。因此，高海拔地區(qū)特長斜坡道通風面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，研究高海拔地區(qū)特長斜坡道通風的特點，探索高海拔地區(qū)特長斜坡道通風技術(shù)方案，對于改善深井開采斜坡道空氣質(zhì)量，保證斜坡道內(nèi)作業(yè)人員身體健康和無軌運輸設(shè)備正常運行具有重要意義。

基于此，本研究以錫鐵山鉛鋅礦斜坡道為工程背景，通過對斜坡道通風現(xiàn)場調(diào)查和問題分析，提出并設(shè)計了分段壓抽聯(lián)合式通風技術(shù)方案，利用VENTSIM通風軟件對斜坡道通風網(wǎng)絡(luò)進行仿真模擬解算，驗證了設(shè)計方案的可行性，為高海拔特長斜坡道通風提供依據(jù)。

1 錫鐵山鉛鋅礦斜坡道通風

1.1 礦山概況

錫鐵山鉛鋅礦位于青海省海西州大柴旦行委錫鐵山鎮(zhèn)，采用平硐+千米豎井/盲豎井+斜坡道聯(lián)合開拓，分段空場嗣后充填采礦法開采，地處高海拔地區(qū)，主平硐口海拔3 055 m，斜坡道口海拔3 065 m。其中斜坡道為礦山設(shè)備、材料及人員進出的主要通道，同時需負擔礦山部分礦石的運輸。

1.2 斜坡道工程概況

1)斜坡道作為錫鐵山鉛鋅礦井下最主要的運輸通道之一，設(shè)計坡度約6°～12°，硐口標高3 065 m，標高每下降1 m，距離平均增加約10 m(含緩坡段)。由地表3 065 m斜坡道口至最深部2 222 m中段，斜坡道總長度近10 km；

2)斜坡道3 065～2 882 m斷面：直道16.95 m2；2 882～2 322 m斷面：彎道25.71 m2，直道21.17 m2；2 322～2 222 m斷面：彎道15.75 m2，直道14.83 m2；

3)一般采用單車道形式布置，每隔200 m設(shè)一雙車會車線或掉頭線，每300 m設(shè)一緩坡段。單車道一般采用噴射混凝土120 mm支護，在局部巖石不穩(wěn)地段采用噴錨或噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護，會車線地段采用整體混凝土300 mm厚支護，路面結(jié)構(gòu)采用C30整體混凝土路面；

4)斜坡道運輸采用7臺235 kW 的25 t重型柴油卡車，運輸量為50萬t/a，其中，30萬t/a運至2 742 m水平倒入2 702 m中段，經(jīng)由盲豎井提出地表；20萬t/a直接運出地表。

1.3 斜坡道通風現(xiàn)狀與問題

斜坡道作為礦山主要的礦石、人員、材料的運輸通道和通風線路，主要面臨的通風問題有：

1)礦區(qū)采用多井進風多井回風的通風方式，其中，東風井、西風井及03線風井為回風井，斜坡道、千米豎井和盲豎井為進風井。但由于開采深度的延伸，生產(chǎn)難度加大和任務(wù)加重，通風系統(tǒng)未能及時跟進與調(diào)整，造成通風系統(tǒng)與生產(chǎn)實際不匹配，通風效果差，礦區(qū)機械通風系統(tǒng)對斜坡道的通風作用不明顯；

2)礦山開采時間較長，目前開采深度為近1 000 m，斜坡道長度接近10 km，且與上部中段均相連，各中段連接斜坡道石門風向不穩(wěn)定，并且各中段裝礦環(huán)形均有通中段的溜井，導(dǎo)致風流串聯(lián)、循環(huán)嚴重；

3)斜坡道通風線路長，彎道多，車輛運輸頻繁，致使通風阻力大，風流風向難以控制。困難時期會造成無軌柴油設(shè)備無法正常啟動，導(dǎo)致運輸中斷，降低礦山整體的運輸效率；

4)礦山海拔高，高差大，溫差大，受自然風壓影響較大[8]。根據(jù)現(xiàn)場實測8月份測定斜坡道3065硐口為回風，12月份測定為進風，也說明了自然風壓對斜坡道風向影響較大；

5)風量小，風速低且風向不穩(wěn)定，造成尾氣及粉塵聚集嚴重，嚴重威脅作業(yè)人員的健康安全。根據(jù)現(xiàn)場檢測柴油汽車通過時，空氣CO含量超過25 mg/m3，嚴重超過了CO職業(yè)接觸限值最高容許濃度15 mg/m3(海拔>3 000 m)的規(guī)定。

2 斜坡道通風系統(tǒng)

2.1 斜坡道通風方案

錫鐵山鉛鋅礦斜坡道垂直深度為843 m，總長度超過8 km，與各中段均有聯(lián)巷，是人員、材料、礦石的主要運輸通道之一。由于斜坡道與聯(lián)巷貫穿開口較多，風流難以控制，長距離通風，阻力較大，采用單獨的抽出式通風，難以滿足斜坡道通風需求，極易造成尾氣和粉塵集聚，影響生產(chǎn)作業(yè)。所以，設(shè)計斜坡道通風方案為分段壓抽聯(lián)合通風方案[9-12]。

2.2 分段壓抽聯(lián)合斜坡道通風方案

考慮斜坡道與中段聯(lián)巷貫穿時風流難以控制，在聯(lián)巷處設(shè)置常閉風門，防止風流亂串。礦山地處高海拔地區(qū)，氣壓低，長距離通風阻力較大，采用壓抽聯(lián)合通風方式，設(shè)置三段式壓抽聯(lián)合通風，上部分段為壓入式通風，中部分段為抽出式通風，通過2 882 m回風平巷排入03線風井，并在2 702 m中段把盲豎井進風作為新鮮風進入斜坡道，避免尾氣和粉塵的集聚。深部分段為地表抽出式通風，深部斜坡道與03線風井距離較近，在各中段處直接與03線風井貫通，由地表主扇抽出地表，見圖1。

1)上部分段(3 065～2 882 m)

為保證斜坡道正常進風，在該分段設(shè)置壓入式風機。進風量按排除柴油煙需風量來計算。

(1)

式中：Qs—排除柴油設(shè)備油煙所需風量，m3/s；qs—柴油設(shè)備單位功率風量指標，3.5～4.0 m3/min，取4.0 m3/min；N—柴油設(shè)備按作業(yè)時間比例計算的功率總數(shù)，kW。

斜坡道運輸采用7臺235 kW 的重型柴油卡車，平均約5臺車輛同時在井下運行，計算需風量為78.3 m3/s，因此設(shè)計進風量取80 m3/s。根據(jù)該段通風線路的通風阻力計算并進行高原參數(shù)修正后，該段線路的通風阻力為558.9 Pa。選擇K40-8NO.22-110 kW風機，風機安裝于4#車場，其特性曲線及工況點：風量81 m3/s，風壓560 Pa，裝機角度32°，效率80%，見圖2。

2)中部分段(2 882～2 552 m)

主要由上部斜坡道進風，經(jīng)由2 552～2 882 m措施風井抽至2 882 m中段，經(jīng)2 882 m回風平巷進入03線風井。措施風井在8#、10#、12#、14#和16#車場與斜坡道貫穿，在貫穿聯(lián)巷處設(shè)置調(diào)節(jié)風窗。盲豎井進風經(jīng)2 702 m中段平巷進入斜坡道，補充新鮮風量。

綜合考慮措施風井排風能力、盲豎井進風能力和中部抽出式風機對地表風機及03線風井深部通風能力的影響等，設(shè)計2 882 m風機排出風量為40 m3/s，盲豎井進風量為25 m3/s。計算該線路高原修正后通風阻力為1 062.98 Pa。選擇K40-4NO.14-90 kW風機，其特性曲線及工況點：風量41 m3/s，風壓1 100 Pa，裝機角度32°，效率79%，見圖3。

3)深部分段(2 552～2 222 m)

礦山深部斜坡道向東翼移動，與03線風井距離變近，在各中段通過施工斜坡道至03線風井的聯(lián)巷，利用03線風井抽出地表。設(shè)計03線風井回風量為105 m3/s，該段線路高原修正后的通風阻力為1 156.73 Pa，選擇DK40-6No.21-2×200 kW，其特性曲線及工況點：風量112 m3/s，風壓1 500 Pa，裝機角度35°/30°，效率為72%，見圖4。

3 斜坡道通風系統(tǒng)仿真模擬

3.1 VENTSIM軟件建模

VENTSIM三維通風仿真軟件是一款先進的礦井通風系統(tǒng)模擬軟件，利用風量平衡定律等原理，采用Hardy-Cross 迭代算法求解通風網(wǎng)絡(luò)[13-15]。

高海拔特長斜坡道通風系統(tǒng)建模步驟：

1)將斜坡道及與斜坡道通風系統(tǒng)相通的礦山井巷CAD 圖繪制為單線圖，設(shè)置相應(yīng)的高程，然后將單線圖導(dǎo)入VENTSIM軟件中，由單線生成實體井巷，形成三維實體模型；

2)設(shè)置斜坡道、豎井、天井、平巷等井巷的斷面形狀及尺寸、摩擦阻力系數(shù)等參數(shù)；

3)在井巷相應(yīng)的位置設(shè)置風門、風窗、風墻等構(gòu)筑物，并配置相應(yīng)的參數(shù)；

4)預(yù)先配置高海拔地區(qū)降效后的風機特性曲線，在風井相應(yīng)位置設(shè)置選型風機和安裝方式。

5)模型初步建立后，進行風網(wǎng)調(diào)試與解算。軟件會對模型進行檢查與警告，按提示進行模型修正。

6)模型建成，運行解算完成。采用VENTSIM軟件為錫鐵山礦斜坡道通風系統(tǒng)建立的三維模型見圖5。

3.2 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)VENTSIM軟件建立了斜坡道通風系統(tǒng)仿真模型，進行模擬解算，計算結(jié)果見：表1主要井巷的風量情況，表2主扇風機運轉(zhuǎn)工況參數(shù)。

表1 主要井巷的風量表Table 1 Air volume of main shafts

從表1井巷風量模擬結(jié)果可以看出，斜坡道總進風為104.4 m3/s，其中斜坡道口進風77.1 m3/s，主平硐口進風27.3 m3/s，與設(shè)計值的相對誤差分別為3.6%和9.2%；總回風為109.5 m3/s，與設(shè)計值的相對誤差為4.3%；總進風與總回風相差5.1 m3/s。模擬結(jié)果與設(shè)計計算的誤差均在有效范圍內(nèi)，總進回風量的差值反映了氣壓不同造成空氣密度和體積的變化。從表2風機工況模擬結(jié)果可以看出，風機設(shè)計工況點與模擬工況點基本一致，說明風機匹配選型設(shè)計正確。

表2 主扇風機工況表Table 2 Working conditions of main fans

模擬結(jié)果表明，斜坡道風流風向整體向下，風速一般是2～4 m/s，分段壓抽聯(lián)合通風方式有效克服特長斜坡道的阻力，斜坡道中部抽出部分污風并補充新鮮風流，避免尾氣和粉塵的集聚，設(shè)計的斜坡道通風系統(tǒng)能夠服務(wù)到最深中段。

4 結(jié)論

1)高海拔特長距離斜坡道通風具有氣壓低、氧氣不足、通風阻力大、風網(wǎng)復(fù)雜、風流難以控制、尾氣和粉塵易聚集等特點，對斜坡道內(nèi)作業(yè)人員身體健康和無軌運輸設(shè)備正常運行影響較大。

2)以錫鐵山鉛鋅礦斜坡道為例，對高海拔特長斜坡道通風系統(tǒng)進行分析與研究，經(jīng)高原環(huán)境下阻力計算和風機選型，采用上部分段壓入，中部分段抽出及深部分段地表抽出的三段壓抽聯(lián)合通風方案。

3)利用VENTSIM軟件建立斜坡道通風模型并解算，模擬結(jié)果表明，主要進回風井巷風量與設(shè)計值相符合，風機模擬工況與設(shè)計工況相符合，說明通風方案設(shè)計的有效性，可以滿足斜坡道通風需求。