某礦區通風系統優化方案研究

聶都超，周國，羅飛躍，瞿睿，周富東

(湖南黃金洞礦業有限責任公司， 湖南 平江市 414500)

1 通風系統現狀及問題

某礦區主要開采礦脈為2#脈、3#脈及6#脈，主要用風點位于-100 m中段、-140 m中段、-180 m中段、-220 m中段和-260 m中段。新、老明斜井及措施斜井為進風井，4#明斜井為回風井，通過安裝在110 m中段的主扇將污風經4#明斜井抽至地表（155 m標高）。

新、老明斜井新鮮風一部分由2-1盲斜井到6#脈、3#脈和2#脈的-100 m中段，再經-100 m副井將新鮮風送至2#脈的-100 m以下中段用風點；另一部分由3#脈60 m中段盲斜井到2#脈的-100 m中段和3#脈的-60 m中段和-100 m中段，再通過3#脈-100 m盲斜井將新鮮風送至3#脈的-100 m以下各中段用風點。措施斜井新鮮風進入-100 m中段后，一部分送至6#脈；另一部分與新、老明斜井新鮮風匯合后送至2#脈和3#脈各個中段作業點。

由于礦區主扇與通風系統不匹配，并且3#脈沒有獨立的回風系統，3#脈的污風經自然風壓作用進入到2#脈的生產作業點，造成污風串聯現象。整個工區的污風由 2#脈深部中段的通風上山以及-180 m盲斜井、0水平盲斜井回風至0水平中段，再依次由110 m盲斜井、4#明斜井排出地表。

通過對礦區井下通風系統現場調查（測定結果見表1），目前礦區通風系統主要存在以下問題。

表1 礦區通風系統風量（風速）測定結果

（1）進風量不足，且未進行分區通風。根據表1可知，目前礦區新、老明斜井和措施斜井總進風量為9.2 m3/s，與根據礦區生產作業計劃計算的實際需風量56.62 m3/s相差很大，不能滿足礦井安全生產需求。由于礦區主扇與通風系統不匹配，并且3#脈沒有獨立的回風系統，3#脈的污風經自然風壓作用進入到 2#脈的生產作業點，造成污風串聯現象。

（2）通風上山不完善，回風井部分斷面小且不規整，造成風阻過大。礦區深部某些中段之間的通風上山還未施工，無法形成完整的通風系統，阻礙了污風的排出，易導致炮煙中毒的事故發生。井下某些中段回風井部分實際斷面過小，只有2.8 m2；上、下兩段風井貫通后，其連結處應做成流線型，實際上未修整巷道；回風井格篩上存在廢石，回風平巷垮塌且未及時處理。這些問題導致通風系統局部風阻過大。

（3）井下密閉效果差，存在漏風現象，下部開拓與通風系統不匹配。礦區上中段存在大量采空區，有的采空區密閉效果差，部分新鮮風漏進采空區。部分中段的風門、風窗密閉不合格，存在漏風現象，導致進入工作面的新鮮風流減少，部分采場作業環境差。目前，礦井下部已開拓到-300 m中段，現有通風系統不能服務到所有作業面，導致深部通風困難，對通風安全造成一定的隱患。

綜上可知，現有的通風系統不能滿足安全生產需求，需對整個通風系統進行優化設計。

2 礦區需風量計算

礦井需風量計算是礦井通風設計的重要內容。礦井通風的目的在于供給礦井必要數量的新鮮空氣，以稀釋并排除有毒有害氣體和粉塵。礦井需風量又是計算礦井通風阻力和選擇通風設備基本參數的基礎。

根據金屬礦山生產的特點，在計算全礦井下開采所需風量時，要根據生產規劃指標、開采強度以及其他的相關參數來計算各區所需風量。根據《金屬非金屬礦山安全規程》要求，風量計算需遵循以下原則。

（1）按井下同時工作的最多人數計算，供風量應不少于每人4 m3/min。

（2）按排塵風速計算，硐室型采場最低風速應不小于0.15 m/s，巷道型采場和掘進巷道應不小于 0.25 m/s；電耙道和二次破碎巷道應不小于 0.5 m/s；箕斗硐室、破碎硐室等作業地點可根據具體條件，在保證作業地點空氣中有害物質的接觸限值符合規定的前提下，分別采用計算風量的排塵風速。

（3）有柴油設備運行的礦井，按同時作業設備的功率計算風量，應不小于4 m3/（kW·min）。

計算礦井所需的總風量時，除按上述要求計算并取其最大值外，還應將井下不同區域所需的風量進行累計，并加上漏風風量。

根據原則（2）計算回采工作面需風量，礦區回采工作面為巷道型斷面，巷道斷面一般為2 m×2 m的三心拱類型，取過風斷面面積為3.6 m2，根據排塵風速的要求計算單個回采作業面的需風量為：

式中，S為采場內作業地點的過風斷面，3.6 m2；V為回采工作面要求的排塵風速，取0.25 m/s。

當井下巷道斷面一般為2.2 m×2.2 m的三心拱類型時，取過風斷面面積S為4.5 m2，單個掘進工作面的需風量為：

式中，S為掘進工作面作業地點的過風斷面，m2；V為掘進工作面要求的排塵風速，取0.25 m/s。

依據礦山現有生產能力及實際礦井需風點，并為今后礦山拓產和深部開采留有余地，復核計算井下需風量。主要包括同時作業的回采掘工作面需風量及掘進工作面需風量。本次設計根據年度礦山生產計劃，計算各中段的風量分配，見表2。

表2 礦井各中段風量分配

同時作業回采工作面共24個，掘進工作面共23個，此外井下獨立硐室2個。獨立硐室需風量共為：

式中，Q1為單個硐室需風量，取2 m3/s；N為硐室數量。

綜上可知，礦井總需風量為：

考慮井下漏風，備用系數取 1.1，系統設計總供風量為：

3 通風系統優化方案

通過現場調查和通風測定，兩翼風機風壓不夠，回風井斷面小、不規整是通風系統不能滿足要求的主要原因。基于礦區原有的2#，3#和6#脈的分區通風方式，將6#脈和3#脈的通風路線做合并規劃，充分利用已有巷道等工程，減少新建工程量。本次通風系統優化設計初選兩套通風方案，主要工作內容如下。

（1）對通風量重新計算和分配（見表2），重新進行風機選型，根據井下實際情況，安裝變頻控制器，實現節能目標，并進行網絡解算和通風線路優化。

（2）按照優化設計方案的通風線路進行通風系統的布置、掘進和工程量概算。

（3）對通風構筑物如風門、風窗、密閉墻的構筑、完善工作進行布置。

3.1 方案一：2#、3#和6#脈分區通風方案

3#脈生產作業面產生的污風由各中段端部新掘的回風上山依次送到-20 m中段，由-20 m中段的回風道內的風機將污風排至0水平回風中段，再依次由110 m盲斜井、4#明斜井排出地表。2#脈深部（-300 m、-260 m及-220 m中段）產生的污風也是通過各中段端部的回風上山依次排入-180 m中段回風道內，由新設計的風機將污風排至 0水平東盲斜井0水平中段，再依次由110 m盲斜井、4#明斜井排出地表。

3.2 方案二：2#、3#和6#脈分區接力通風方案

采取分區接力風機方式可以彌補主扇風機風壓不足，2#脈接力風機擬安裝在2#脈-180 m中段回風道，3#脈的接力風機擬安裝在3#脈-20 m中段回風道，0水平中段風機擬安裝在2#脈0水平中段回風道內，2#脈、3#脈和6#脈的通風路線同方案一。

3.3 通風系統方案比較

兩個方案的綜合對比見表3。

表3 通風方案綜合對比表

上述兩個方案回風路線相同，且通風風路比較暢通。兩個方案的主要區別在于風機數量、通風效果和通風管理。方案二采用接力通風方式，較方案一通風調節更為靈活，但需要重新掘進風機硐室，初期工程量和投資都明顯大于方案一；方案二相對于方案一多了1臺風機運行，后期通風管理工作復雜。結合礦區長遠規劃，本次優化設計推薦方案二。

4 通風系統詳細方案

4.1 礦井風量分配

礦井風量分配見表4。

表4 礦井風量分配/(m3/s)

礦井的總阻力按選取的最大阻力線路進行計算，各段巷道摩擦阻力依據公式計算，式中，L為長度，P為坑道周長，a為摩擦阻力系數，S為斷面積。計算時不計算局部阻力，只在系統計算中加1.2的系數。

通過實測通風線路各巷道的風阻值、風量及風壓，最終計算得出3#脈最大總風壓為471.23 Pa，2#脈最大總風壓為678.36 Pa，0水平中段最大總風壓為623.16 Pa，根據通風線路最大阻力值確定礦井線路總摩擦阻力ht。一般認為，總局部阻力大于總摩擦阻力的10%～20%，因此3#脈通風線路總摩擦阻力為：

2#脈深部風機總摩擦阻力為：

0水平中段風機總摩擦阻力為：

4.2 礦區最大自然風壓計算

夏季自然風壓與主扇工作方向相反，根據礦山資料，取進風井空氣平均溫度為303 K、排風井空氣平均溫度為293 K，按下式計算，

式中，P0為地表大氣壓力，取760 mmH2O；H為井深，m；T1為入風井平均溫度；T為排風井平均溫度；K為深度修正系數，1.036。

經計算，3#，2#脈深部自然風壓分別為-164.11 Pa，-182.125 Pa。

4.3 礦區通風機選擇

4.3.1 風機風量

式中，p為扇風機的風量備用系數（包括井口、反風裝置和繞道處的漏風），一般取 1.1；Q′總為礦井要求的合理供風量，m3/s。

計算可得 3#脈風機分配風量 19.55 m3/s，2#脈西翼風機分配風量為33.16 m3/s。

4.3.2 風機風壓hf

風機產生的風壓不僅要克服礦井總阻力，同時還要克服反向的礦井自然風壓，風機標準風壓可按照下式計算：

式中，ht為礦井總阻力，Pa；hn為自然風壓，Pa；hr為風機裝置總阻力，Pa；hv為出口動壓損失，Pa。

經計算，3#脈風機、2#脈深部風機、0水平中段風機的標準風壓分別為 885.59 Pa、1150.16 Pa、1083.32 Pa。

4.4 風機選擇

根據上述風量Qf、風壓hf的計算結果，在通風機個體特征曲線中找出相應的工況點（要求工況點落在風機的合理工作區域內，即風機效率在0.6以上），為通風線路重新選擇合適的風機型號。

設計風機和安裝位置見表5。

表5 設計風機和安裝位置

5 結語

礦井通風管理是礦井生產管理的重要內容之一，通風狀況的好壞直接影響到井下工人的健康安全、礦井的生產效率和經濟效益。做好礦井通風工作，一方面要針對現場實際情況，解決相關的礦井通風技術難題；另一方面要從系統安全角度出發，全面提高通風管理的整體水平。為實現礦井的安全生產，在提高通風技術水平的同時，必須加強礦井通風的管理工作。

礦山目前還未設置獨立的通風管理體系，而且由于生產任務緊、人少事多、一人多職、通風專業技術人員出現“斷層”等原因，導致了通風管理不到位，通風管理制度不完善等問題。在今后的通風工作中，應根據礦山的實際情況，逐步完善通風管理組織機構和各項通風管理制度，嚴抓落實，保證通風系統的有效正常運轉，徹底改善作業場所的勞動安全衛生條件，保證安全生產。