深部開采和殘礦回采復雜條件下通風系統優化研究

彭斌，肖利民

(長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

0 前言

目前，我國大部分金屬礦山開采已經進入500～1000 m開采深度。許多老礦山為維持企業經濟效益和正常運轉，確保礦山有足夠的生產能力，不得不提產擴能，且對早期淺部沒有進行回采的殘礦進行資源回收與利用[1]。在此形勢下，只有擴大生產范圍及大量增加作業面，形成多中段同時開采作業的局面。開采深度的增加，導致礦井通風系統變得十分復雜，像這類兼有深部開采和多作業區域的礦井，往往存在通風動力與通風網絡不匹配、中段風量分配不平衡、內部漏風和串風嚴重、深部作業環境溫度較高、井下輔扇眾多等一系列通風問題[2]。

1 礦山概況

某金礦位于新疆維吾爾自治區西北部，該礦山年產規模為36萬t，現階段有893～575 m之間的8個中段進行開采，893 m中段以上正準備進行殘采作業，而575 m中段以下正在開拓掘進。井下現采用兩翼的1000 m井、400 m井同時進風，中央600 m井回風，形成兩翼進風、中央回風的抽出式通風系統。

目前，在600 m井井口房一側安裝有1臺型號為DK40-6-№21/2×200 kW對旋式軸流通風機。在千米井礦區725，675，625 m中段石門內各安裝有1臺 K40-4-№.10/30 kW 型軸流式風機。另外，在725，675，625，575 m等4個中段至盲風井聯絡巷內各安裝有1臺K40-4-№.10/30 kW型風機。

2 礦井通風系統測定評價與問題分析

2.1 礦井通風系統調查與評價

目前，該礦山井下作業范圍在不斷地擴大，開采不斷向深部延伸，作業點不斷地變化。由于893 m以上的老采區的殘礦品位較高，具有較高的可采價值，將對 893 m 上部的 934，974，1014 m 和 1054 m中段進行殘礦回采，575 m中段以下的525，475 m和375 m中段正在進行開拓掘進作業，因此將會形成 15個中段同時作業的局面，導致井下通風問題不斷凸顯。特別是地表600 m井口的DK40-6-№21/2×200 kW 對旋式軸流通風機已經無法滿足深部的作業通風需求，因此，需對該礦井下通風系統進行全面地調查測定分析，進行綜合評價，得出評價結果見表1。

表1 通風系統測定指標統計[3]

由表1可知，綜合評價指標為63.9%，屬于不合格，且風質合格率、有效風量率、風量供需比等多項指標不合格，說明井下整體通風系統存在較多的問題。

2.2 礦井通風系統問題分析

從現場調查及測定結果看，礦井通風系統目前主要存在以下幾個方面的問題。

（1）通風系統綜合指標C不合格，整體通風能力偏弱。根據測定評價結果，該礦井通風系統綜合指標C為63.9%，屬于不合格，說明該礦井通風系統不能滿足井下作業通風要求。礦井風量供需比不合格，說明風量的供需基本不平衡，而有效風量率偏低，說明漏風嚴重，主要原因為通風阻力大且礦井內部調控不到位。

（2）現有主扇風機的供風量無法滿足井下生產需求。根據現場測定的結果可知，600 m井井口風機供風量為81.7 m3/s，已經不能滿足井下的99.7 m3/s的作業通風需求。

（3）千米井礦區深部通風阻力大，通風困難，進回風段都裝有風墻輔扇，不利于風流調控。根據現場調查發現，千米井礦區深部最長通風線路將近4000 m，深部通風阻力大，通風困難。

千米井礦區 1000 m 井的 725，675 m 和 625 m中段的石門和盲風井的回風道內都安裝了K40-4-№.11/30 kW輔扇，并且都設置有風門。在進回風道安裝帶風門的輔扇，將增加系統通風阻力，不利于井下風流的調控。

（4）井下存在多個內部循環、污風串聯以及風流短路等問題。由于井下輔扇安裝較多，又設置在主運輸巷道內，管理困難，容易造成污風內部循環。575 m中段向1000 m井方向反風，反風量達到24.71 m3/s。且893 m中段以上存在多個空區漏風，導致下部中段回風量小。

3 礦井通風系統優化研究

3.1 礦井總需風量計算

經過現場調查及測定井下的作業安排，礦井總風量需要考慮漏風、風量不均衡和調整不及時等因素，在礦井需風量的基礎上乘以一定的礦井漏風備用系數K。由于該金礦井下開拓系統比較復雜，作業面分布范圍廣，內部風流擴散范圍大，經綜合考慮后，取本礦井漏風備用系數為 1.2。因此，本礦井總需風量為：Qt=99.7 m3/s。773 m及以下需風量為 68.4 m3/s，773 m 中段以上需風量為 31.3 m3/s。

3.2 礦井通風系統優化研究

本文從系統的通風網絡、通風動力以及通風構筑物等方面進行優化研究[4]。

3.2.1 礦井通風系統宏觀方案構建

根據井下的實際需求，綜合考慮利用現有的1000 m井和400 m井進風。考慮到整體通風系統的線路長阻力大，且需兼顧893 m中段以上區域的殘采通風、525 m及以下的開拓掘進及生產作業通風需求等，對該礦井下構建主風井兩級大主扇+構筑物通風調控方案，即考慮在773 m中段總回風道（即深部總回風道）設置大風壓主扇負責深部的通風，在600 m井井口新安裝1臺大風量風機接力深部回風，并兼顧893 m中段以上的殘采回風需求，從而形成兩級接力風機機站回風，整體通風系統形成中央回風、兩翼進風的中央對角式回風系統。

3.2.2 地表主扇風機的選擇與復核

通過對通風系統主風井兩級大主扇+構筑物通風調控方案，結合通風系統需風量計算，考慮將原600 m 井地表DK40-6-№21/2×200 kW 風機搬遷至773 m總回風道內，并在600 m井井口增設1臺大風量主扇。通過對整個通風系統的最長通風線路和最短通風線路進行阻力計算，在計算阻力過程中并考慮最熱月與最冷月自然風壓對礦井通風的影響。計算礦井通風系統總阻力，對原風機進行復核以及對600 m井井口風機進行選型。最終通風阻力計算結果見表2。

表2 礦井通風總阻力計算結果

通過上述計算的通風阻力，在考慮風機備用系數以及風阻局部阻力的情況下計算管網通風阻力系數。初步確定 600 m 井井口安裝 1臺 DK45-6-№.20型對旋軸流式風機。并對新選定風機及773 m總回風道原風機進行校核。校核風機工況特性曲線分別見圖1和圖2。

圖1 600 m井井口風機工況曲線

圖2 773 m總回風道風機工況曲線

通過校核上述主扇工況點特性曲線，得到各個風機的工況點參數，見表3。由表3可知，各個風機工況能滿足井下生產作業的通風需求。

表3 主扇工況點參數

3.2.3 礦井通風系統優化方案

在確定600 m井井口和773 m中段風機的情況下，需對井下通風系統進行具體調控，使風流能合理分配到各個中段且有效進入到各個作業面，解決新風短路、污風循環等問題，具體優化調控措施如下。

（1）將原安裝在1000 m井各中段石門和盲回風井回風道的帶風墻輔扇K40-4-№.10/30 kW風機進行停運，在作業區域集中的地方采用通風構筑物和局扇進行調控。

（2）采一礦區（934～773 m）采用400 m井進風，經934 m中段主運輸巷和中段斜坡道進入下部 893 m、853 m 和 813 m 中段，最終通過 600 m井排出地表。

（3） 千米井礦區新掘回風天井675 m與625 m中段主巷采用增阻引導調節方案。在725，675，625 m和575 m的回風道內設置調節風門，控制中段回風量，在642 m中段西側掘進回風天井貫通至625 m中段回風道（調節風門內側），通過中段回風道增阻將風流引導至作業分層； 934 m 以上區域，600 m井采用集中回風+新增E10回風天井方案；在934～1054 m各中段間E10線附近新增1條回風天井，用于934 m以上殘采區域污風匯集后回至934 m中段600 m井石門，再匯入600 m井內，與934 m以下深部污風匯合后，統一經600 m井井口主扇抽排至地表。根據934～1054 m殘采區域的礦柱回采方案，E10回風天井采取逐中段往上掘進，以減少基建時間及基建投入。

（4）經本次優化后，井下總共增加了 3臺風機，在 934 m 中段 600 m 風井回風道增設 1臺K40-6-№.12/15 kW 軸流風機，853 m 和 813 m 中段600 m風井回風道內分別增設1臺K40-6-№.11/7.5 kW軸流風機。本礦井須新增手動風門10扇、自動風門3扇、調節風門6扇，密閉墻4道。

4 礦井通風系統優化實踐與分析

為確保優化技術的可靠性，采用三維仿真模擬軟件進行通風系統網絡解算[5]，從網絡解算模擬優化措施能否滿足井下的通風需求[6]。由于現場情況的復雜性及不確定性，在優化措施實踐過程中需不斷地進行調試，使其進一步完善，以達到最佳通風狀態。通風系統網絡解算兩級風機工況曲線見圖3和圖4。

圖3 600 m井井口風機工況曲線

圖4 773 m總回風道風機工況曲線

優化措施現場實踐完成后，對整個通風系統進行一次完整的測定。并將測定結果與通風系統設計風量、通風網絡解算結果進行對比，具體比較結果見表4。

表4 設計、解算與實測風量對比

由表4可知，優化措施實踐后，測定的通風系統總進風量達到106.6 m3/s，能滿足設計的99.7 m3/s的生產通風需求，說明優化措施達到了預期的效果，且各個中段的實際進風量與設計進風量基本持平。雖然個別中段的進風量略小于設計進風量，但設計進風量考慮了一定的備用系數，實際進風量能滿足通風需求。實測風量基本符合解算風量的數據，說明此次通風網絡模擬解算的可行度較高，具有一定的現場指導性[7]。

5 結論

（1）隨著開采深度的不斷延伸，通風變得越來越復雜，特別是開采多年的老礦山。礦山原有的通風方式、通風主扇以及調控措施等都無法滿足現有生產通風需求，對現有通風系統進行優化研究勢在必行，也是保障井下安全生產的必然舉措。

（2）現有老礦山由于早期采選技術的不成熟，往往只開采富礦體。在如今具有更為先進的采選技術趨勢下，對老采區的殘礦進行回采是保障資源高效利用的重要舉措。在此形勢下，勢必造成礦山全面作業的趨勢，保障殘采區域的有效通風也是重中之重。

（3）對通風系統進行優化，首先需對礦山井下通風系統進行調查測定，找出存在的問題以及產生問題的原因。通過對通風系統優化理論與優化技術展開研究，確定合理的優化措施，建立通風系統三維仿真模型進行解算，以及對系統的不斷調試是確保優化技術安全可靠的重要技術支撐。