石湖金礦井下長距離局部通風研究

李印洪，耿小飛，李亞俊

（1.湖南有色冶金勞動保護研究院有限責任公司，湖南 長沙 410014；2.中國黃金集團石湖礦業有限公司，河北 石家莊 050504；3.非煤礦山通風防塵湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014）

礦井局部通風是礦山井下通風系統的重要組成部分。在井下新鮮風流不能到達或不能完全到達，同時不方便施工通風構筑物的生產作業區域，需要采用局部通風技術將井下新鮮風流按照需求的風量分配并進行輸送。也就是說，廣義的局部通風是對井下通風系統主風流進行二次分配，用來解決風網中斷路部分（獨頭掘進）、風網中風壓平衡風流靜止部分（部分角聯網絡）、風量不足（網絡不暢）的通風問題。局部通風包括風流的組織、局部通風設備（局部風機、引射器等）選擇、局部通風材料（風筒、接頭等）選擇、局部通風構筑物（如風庫等）的設置等多個方面。可以這么認為，局部通風系統已經成為礦山井下生產不可或缺的一個部分，是井下通風技術的一個發展方向。在局部通風技術中，較為困難的就是長距離局部通風，存在局部通風線路長、阻力大、局部通風設備使用多的特點。石湖金礦101采區400 m中段聯絡道的掘進距離600 m，局部通風困難時期，局部通風控制長度為1 140 m，就屬于這樣一個工程實例。

1 工程概況

中國黃金集團石湖礦業有限公司（以下簡稱石湖公司）位于石家莊市靈壽縣西北部山區，行政隸屬陳莊鎮所轄。礦區地理坐標為：東經：114°03′15″～114°04′21″，北緯：38°38′04″～38°40′19″。礦區距靈壽縣城65 km，距石家莊市96 km，207國道從礦區南部通過，區內有運礦公路與之相通。

石湖公司現下轄有101、116兩個礦區，根據生產地質勘察，101北翼發現分支礦脈及數條盲礦脈，這樣101采區與116采區的距離較之前的約2 km拉近到600 m，為優化生產作業環境，該公司決定，在400 m中段掘進101采區與116采區聯絡運輸平巷，作為探礦及行人材料運輸使用，根據圍巖的穩固性，巷道斷面設計為三心拱形，掘進斷面2.1 m×2.3 m。

巷道掘進采用風動7655型鑿巖機，硝銨、乳膠炸藥爆破，裝巖機出渣，電機車牽引礦車運輸，廢石倒入101采區400 m 中段采空區。具體如圖1所示。

圖1 聯絡平巷相對位置圖

2 長距離獨頭掘進通風方案

2.1 風流組織

鑒于101采區有采空區便于處理平巷掘進廢石，且101采區提升運輸系統能力稍大一點，故而400 m中段聯絡平巷的施工方案為，自101采區400 m中段20＃勘探線往116采區54＃勘探線掘進。因此，聯絡平巷掘進局部通風需要利用101采區通風系統組織風流。101采區通風系統北回風井位于0＃勘探線，距離聯絡平巷掘進當頭580 m，這580 m的沿脈運輸平巷的除了聯絡平巷施工人員出入，還是101礦區北部探礦工程施工人員及材料進出的重要通道，不適宜作為掘進平巷的污風通道。按照《采礦手冊》（非煤礦山）推薦，壓入式局部通風適用于短距離的平巷掘進，而抽出式局部通風適用于長距離的平巷掘進［1］，原因就在于抽出式局部通風的風流組織中，污風經由風筒送至專用回風通道，能最大范圍地控制污風污染范圍，對安全生產最為有利。但是抽出式局部通風風機距離掘進當頭近（根據斷面計算不大于5 m）［2］，壓入式局部通風由于具有風筒出風口距離掘進當頭遠（根據斷面計算不大于10 m），故壓入式局部通風對風筒、風機保護強于抽出式局部通風。且抽出式局部通風在生產組織中，需要隨著掘進作業面的推進不斷移動局扇（每個爆破循環移動一次），影響作業面掘進速度［3，4］。故技術人員經過討論，最終決定101采區聯絡平巷施工的局部通風采用壓抽混合式，新鮮風流由101采區400 m北部沿脈運輸道進入，經作業面壓入式風機送至聯絡道掘進作業面，污風由抽出式局扇經風筒送人101采區400 m中段北回風井，如圖2所示。

圖2 風流組織示意圖

根據現場實測，北風井風墻處距離工程最遠的距離為1 140 m。

2.2 局部通風設備選擇

2.2.1 風量計算

1.按排出炮煙計算風量，根據：

式中：Qmp為壓入式工作的局扇風量／m3·s－1；t為通風時間，取900 s；A為一次爆破的炸藥消耗量，取20 kg；S為獨巷掘進斷面積，取4.83 m2；Lw為抽出式風口到工作面的距離，取30 m，故：

2.按排塵風速計算風量，根據：

式中：Qmp為壓入式工作的局扇風量／m3·s－1；U為排塵風速，取0.25 m／s；S同前，故：

兩者比較，選擇大值，即掘進作業面所需風量為1.21m3／s。

3.局扇風量，壓抽混合式的局扇風量，抽出式風機風量按壓入式風機風量的1.2～1.25倍選取，長距離通風時，還需考慮風筒漏風系數。即風機風量：

按照標準，風筒漏風率的標準為L＝（1 000～2 000）m時，漏風率φ≤2%，代入公式可得Φ＝1.25。

在進行局扇選擇時，抽出式工作的局扇風量按上述不同方法計算的風量，同時參照輸送距離1 140 m，選取1.25的風機風量，選取大值作為抽出式的供（入）風量，即抽出式風機風量為1.89 m3／s；壓入式送風量為1.21 m3／s。

2.2.2 阻力計算

1.抽出式風機阻力計算。因巷道設計的掘進斷面為2.1 m×2.3 m，按照巷道掘進使用風筒的習慣選取400 mm規格的風筒，風筒內風速為11.54 m／s。阻力計算公式為：

式中：H為局部通風阻力／Pa，主要為風筒內的沿程阻力及出口動壓損失總和；H1為沿程阻力（包括摩擦阻力及彎頭等的局部阻力）／Pa，摩擦阻力為6 948.98 Pa，局部阻力為1 737.25 Pa，合計為8 686.23 Pa；H2為動壓損失／Pa，按照風速11.54 m／s，動壓損失為83.23 Pa。

經計算，平巷掘進施工后期，即局部通風距離最長阻力最大時，抽出式風機需擔負的阻力為8 769.46 Pa。

2.壓入式風機阻力。壓入式風機主要負責往作業面送風，隨作業面的延伸不斷前移，故阻力計算考慮送風距離為40 m時，風筒沿程產生的阻力，由公式計算可知，阻力為304.78 Pa，出口動壓為50.76 Pa，合計為355.54 Pa。

2.2.3 局部通風設備選擇

1.壓入式風機選擇，根據計算，壓入式風機所需風量為1.21 m3／s，全壓為355.54 Pa，根據手冊，可以選取JK58－1NO3（1.5 kW）型礦用局扇，局扇參數為：風量0.9～1.4 m3／s，全壓575～928 Pa，在風筒直徑為300 mm時，最大送風距離80 m，重量51 kg，局扇的工況點如圖3所示。

圖3 壓入式風機工況圖

2.抽出式風機選擇，根據計算，最困難時期，局部通風抽出式風機所需風量為1.89 m3／s，全壓為8 769.46 Pa，在這個阻力下，難以選擇單一礦用局扇，且一直利用一臺風機服務整個平巷掘進周期，功率大運行成本高，為充分利用礦設備庫中的備用局扇，按照300 m的間隔計算，每臺風機擔負的阻力為2 369.08 Pa，選取JK58－2NO4（11 kW）型礦用局扇，風機參數為：風量2.2～3.5 m3／s，全壓1 811～2 923 Pa，在風筒直徑為400 mm時，最大送風距離400 m，重量130 kg，局扇的工況點如圖4所示。整個平巷掘進周期最多時需要使用4臺，兩臺風機之間使用風庫連接。

圖4 抽出式風機工況圖

2.3 風筒作業參數選取及局部通風組織

參照類似工程實例及石湖金礦實際平巷規格參數，選取復合阻燃高強度塑料薄膜風筒，抽出式風筒直徑400 mm，20 m一節，每臺抽出式風機配15節風筒。抽出式風機距離作業面最近距離為20 m，最遠為50 m，每10個爆破循環之后（釬桿長2.5 m，孔深2.2 m）移動風機，增加一節風筒；壓入式風機距離作業面最遠55 m，最近25 m，風筒出口距離作業當頭10m，風筒5m、2m一節配合使用，抽出式局部通風采用雙反邊風筒接頭，壓入式局部通風也使用雙反邊風筒接頭。

2.4 風庫參數

根據石湖金礦101采區400m運輸行人聯絡道巷道參數，風庫斷面為寬×高×深（2.1 m×2.3 m×2 m），風庫的入口砌墻，墻上設置兩個Φ400 mm直徑的鐵風筒（一進一出），調節風窗1個，參數為500 mm×500 mm。以101采區400 m北部回風穿脈口為起點，每300 m設置一個，運輸行人聯絡道掘進施工結束，局扇風筒等回收完畢后，風庫可作為臨時材料間或人行休息避車硐室使用。

3 結束語

石湖金礦101采區400 m聯絡道工程長600余m，通風最困難時，通風距離1 140 m，局部通風風筒受巷道斷面的限制，只能采用400 mm直徑的風筒，阻力極高，若采用單臺風機排出污濁空氣，風機的高壓容易造成風筒變形過大，漏風率增高，作業面循環風占比變大，炮煙的排出速度慢，污染作業及行人區域。而使用多臺同型號局扇串聯作業，快速排出巷道掘進所產生的有毒有害物質，局部通風效果良好，作業面日常通風監測的風質指標達到設計目的，符合安全規程的要求，較好地滿足了掘進作業的排粉塵及炮煙等有害物質的生產需求。但是多臺局扇簡單串聯，即前臺局扇的出口端風筒直接接入后面局扇入口端，盡管局扇的型號參數一致，實際運行工況總會略有差別，加上漏風率的存在及不同，導致串聯局扇產生的負壓容易將前面局扇的風筒抽癟，導致風筒損壞，局部通風不能運轉。技術人員通過多方論證，在聯絡道平巷施工的局部通風中增加局部通風構筑物風庫后，因風庫入口調節風窗的存在，若前面一臺風機風量稍大，多余風量從調節風窗溢出，若是風量不足，不足部分風量能從巷道內直接補充，實現遠距離局部通風多臺局扇串聯的正常運轉。總的看來，該工程的局部通風設計及工程布置對類似礦山工程有較好的借鑒意義。