玲瓏金礦九曲分礦通風系統優化研究

程 力

(1.山東黃金集團有限公司深井開采實驗室; 2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點實驗室)

引 言

隨著淺部礦體資源的枯竭,礦山逐步向深部開采發展,深部高溫、高濕、熱害問題層出不窮,嚴重影響礦山安全生產和未來的發展規劃。生產實踐表明,隨著礦山開采深度的增加,開采范圍與作業地點的不斷變化,導致礦山原有通風系統阻力增大、漏風多,且基站風機設置不合理[1-3],無法滿足深部開采的需要。而對生產礦井進行通風系統優化[4-5],可提高通風系統的設計、施工和管理水平[6],提升礦井安全與生產效率。因此,礦井通風系統優化是礦井通風系統改造中的重要組成部分。

山東黃金礦業(玲瓏)有限公司(下稱“玲瓏金礦”)歷史悠久,據有文獻可查的年代算起,有近千年的開采史,下轄九曲、靈山、西山3個分礦。其中,九曲分礦是主要生產礦山之一,由九曲礦段和大開頭礦段組成。前期生產區域為-320～-840 m水平,現階段礦區已開采至-1 180 m水平,隨著開采深度的增加,高溫熱害已成為制約井下生產與安全的主要因素,尤其是獨頭掘進工作面處氣溫高、濕度大、空氣含氧量低,工作環境極度惡劣。因此,有效解決深部礦井通風降溫問題已迫在眉睫。本文通過對玲瓏金礦九曲分礦深部通風系統進行優化,提出了切實可行的優化方案,確保礦井安全生產。

1 工程背景

玲瓏金礦位于山東省招遠市城北20 km。其中,九曲分礦是主要生產礦山之一,采用豎井和盲豎井聯合開拓,九曲礦段礦石經-70 m盲豎井、9#斜井、4#斜井接力提升至206 m中段,由電機車沿206 m平硐運至玲瓏選礦廠;大開頭礦段礦石經-270 m盲豎井、255 m技措井提升至206 m中段,由電機車沿206 m平硐運至玲瓏選礦廠。前期生產區域為-320～-840 m水平,近年來生產區域延伸至-1 180 m水平。

根據礦體的賦存特征及圍巖特性,主要采用充填采礦法和留礦采礦法開采。九曲分礦各井筒主要技術參數見表1。

表1 各井筒主要技術參數

2 通風系統概況

2.1 系統通風方式

目前礦區淺部通風系統采用“三進一回”的通風方式,即280 m豎井、255 m豎井及東山豎井主要進風,現有回風井(45勘探線,回風斷面不小于15 m2)回風,-270 m為總回風水平。

中段采場通風方式為新鮮風沿280 m豎井、255 m豎井及東山豎井進入需風中段后,分別進入各礦脈沿脈巷,清洗作業面的污風沿采場通風井排至上中段,沿上中段各礦脈端部穿脈巷進入回風系統。

2.2 機站設置

通過現場調查,九曲分礦目前機站設置情況如下:

1)-270 m中段為總回風水平,九曲礦段、大開頭礦段-270 m中段回風巷分別設置1個主回風機站,分區回風,風機抽出式運行,變頻控制。

2)大開頭礦段-620 m中段回風井聯巷設置1個輔助回風機站,承擔-620 m中段以下生產區域回風;九曲礦段-720 m中段回風井聯巷設置1個輔助回風機站,承擔-720 m中段以下生產區域回風,風機抽出式運行,變頻控制。

3)九曲礦段-70 m盲豎井-370 m中段、-420 m中段、-470 m中段、-620 m中段、-720 m中段進風井聯巷各設置1個輔助進風機站,風機壓入式運行。

4)大開頭礦段-270 m盲豎井-420 m中段、-470 m中段、-570 m中段、-620 m中段、-670 m中段進風井聯巷各設置1個輔助進風機站;-670 m盲豎井作業中段進風井聯巷各設置1個輔助進風機站,風機壓入式運行。

3 深部通風系統優化調控

通過查閱礦區深部開采工程初步設計,深部-720～-1 180 m水平通風系統采用東山豎井、280 m豎井、255 m豎井進風,東翼倒段回風井、西翼倒段回風井及中部55勘探線回風井回風的通風網絡,系統總風量為192 m3/s。因此,本次深部通風系統優化在維持深部開采工程初步設計總體統籌不變的基礎上,對該區域通風系統進行優化。

3.1 深部通風系統優化方案

根據礦區已有通風系統工程,在考慮礦區深部生產任務條件下,以充分利用原有井巷及通風設備為原則,確定深部通風系統優化方案如下:

1)進風系統。新風從地表280 m豎井、255 m豎井及東山豎井進入井下,再經盲主井、東副井進入-720～-1 180 m水平作業區域。

2)回風系統。污風經九曲礦段倒段回風井(東翼)、大開頭礦段倒段回風井(西翼)及中部55勘探線回風井排至-620 m總回風水平,深部-720～-1 180 m水平通風系統形成“兩進三回”的通風網絡。

由于-620～-1 180 m水平通風系統回風井為東翼倒段回風井(φ3.0 m)、西翼倒段回風井(φ3.0 m)及中部55勘探線回風井(φ3.5 m),-470 m水平至-620 m水平通風系統回風井為東翼倒段回風井(φ3.0 m)、西翼倒段回風井(φ3.0 m),為保證深部污風能及時排出,減少系統通風阻力,新掘1條-470 m水平至-620 m水平中央回風井,位于55勘探線附近,與深部55勘探線回風井銜接,井筒凈直徑為3.5 m。污風排至-620 m總回風水平后,沿現有東、西倒段回風井巷工程及新掘-470 m水平至-620 m水平中央回風井排至上部回風井并排出地表。-620 m中段作為深部-720～-1 180 m水平區域主回風水平。

3.2 總風量計算

礦井總風量計算是礦井通風設計的一項極其重要的內容,礦井總風量供給不足,會使井下勞動條件惡化,達不到安全通風要求;盲目加大礦井總風量,不一定能夠達到預期的通風效果,同時會造成能耗浪費。礦井風量計算時,因按排塵計算的風量一般大于排煙風量,故通常采掘工作面按排塵風速計算[7]。由于九曲分礦開采深度最深處達1 500 m,屬深熱礦井,結合國內外相似礦山降溫實例,開采深度在1 500 m內的礦山,可通過加大風量方式進行降溫。因此,設計推薦通過加大風量方式進行降溫。借鑒國內科研院所針對采場降溫風速的研究成果,作業面通風降溫的最佳風速約為0.75 m/s。本次研究礦井需風量計算結果見表2。

表2 礦井需風量計算結果

由表2可知:礦井總需風量為161 m3/s,考慮到漏風及后期生產變動等因素,實際礦井總風量需乘以風量備用系數1.2。因此,九曲分礦深部實際總需風量為193.2 m3/s。

3.3 機站優化設置

-620 m中段為深部-720～-1 180 m水平通風系統總回風水平,設3個回風機站。其中,九曲礦段-620 m中段(東翼)回風巷設置1個回風機站;大開頭礦段-620 m中段(西翼)回風巷設置1個回風機站;-620 m中段(中部55勘探線回風井)回風巷設置1個回風機站,風機抽出式運行,變頻控制。

3.4 新增通風井巷工程

后期深部通風系統需新掘1條-470 m水平至-620 m水平回風井(凈直徑3.5 m)工程,與深部55勘探線回風井銜接。該工程新掘工程量約1 500 m3。

4 通風系統優化方案網絡解算

Ventsim 三維通風模擬軟件依據風量平衡定律等原理,采用 Hardy - Cross 迭代算法求解通風網絡,對變化復雜的礦井通風系統進行動態控制,建立通風系統模型。且該軟件因其方便的建模、合理的風路模擬、風機選型,以及功能多樣的火災等災變模擬而得到了廣泛應用[8]。因此,本文采用Ventsim三維通風模擬軟件對通風系統優化方案進行計算機網絡模擬解算[9-11],將不同型號風機參數代入,經模擬運行后,計算機網絡解算結果見表3。

表3 通風系統優化方案網絡解算結果

深部通風系統風機優選方案及各井筒風量分配模擬解算結果分別見表4、表5。

表4 通風系統網絡解算結果

經Ventsim三維通風模擬軟件計算機網絡模擬解算,九曲分礦深部通風優化方案實施后,礦井總風量204.7 m3/s,總裝機容量760 kW,實耗功率610.1 kW,滿足設計總風量(193.2 m3/s)要求。

5 結 論

針對玲瓏金礦九曲分礦深部通風實際情況,在維持原總體設計不變的基礎上,對通風路線、回風機站設置及風機選型進行優化,結論如下:

1)采用主井、副井進風,東、西兩翼及中部55勘探線倒段回風井回風的“兩進三回”通風方式,在九曲礦段-620 m中段(東翼)、大開頭礦段-620 m中段(西翼)、中部-620 m中段55勘探線回風井設置回風機站,風機抽出式運行,變頻控制,系統總風量為204.7 m3/s,能滿足設計總風量需求。

2)新掘-470 m水平至-620 m水平回風井工程(55勘探線附近,凈直徑3.5 m),與深部55勘探線回風井銜接;新掘-470 m水平至-620 m水平九曲礦段回風井工程(37勘探線附近,凈直徑3.0 m),具體位置以現場施工為準。

3)深部通風系統優化方案具體為盲主井、東副井分別進風,風量分別為109.2 m3/s、95.5 m3/s,合計204.7 m3/s;九曲礦段倒段回風井(東翼)、大開頭礦段倒段回風井(西翼)及55勘探線回風井(中部)回風,回風量分別為50.0 m3/s、50.8 m3/s、103.9 m3/s。

4)建議在九曲分礦盲主井、東副井進風聯巷處,對新鮮風進行冷水噴淋,一方面用于減少進風風流中攜帶的部分粉塵,保證進風風質;另一方面在夏季可降低井下進風風溫。