鐘九鐵礦輔助斜坡道掘進工程通風系統優化

夏 文 孫茂貴 逯富強 趙宗毅

（安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司）

地下礦山斜坡道在掘進施工一定距離后，由于通風路線長、彎道多，局部通風設計難度大，若工作面新鮮風流不足，不僅影響生產效率，甚至造成通風安全事故，科學合理的通風設計對于高效生產和通風安全至關重要。鐘九鐵礦斜坡道總長度達到4 430.66 m，掘進方式為獨頭掘進，采用局部通風方式，存在通風路線長、阻力大、工作面新鮮風流不足的問題，不僅影響生產效率，而且存在極大的安全隱患。為確保通風系統的穩定可靠和通風安全，對通風系統進行優化。

1 工程概況

鐘九鐵礦輔助斜坡道硐口位于副井西北約50 m處，地表開口標高為+14 m，底標高為-440 m，凈斷面尺寸為4.2 m×3.6 m（寬×高），直道段坡度為12%，彎道段為平坡。輔助斜坡道與各生產中段通過平巷聯通，作為大型設備和材料下放的通道，有助于減輕副井開拓工程施工的負擔，提高礦山井下治水抗風險能力；同時輔助斜坡道兼做礦山的安全出口，并承擔輔助進風任務，在鐘九鐵礦基建過程中擔任非常重要的角色。

斜坡道設計總長度為4 430.66 m，其中，+12～-140 m 水平斜坡道長度為1 458.96 m，-140～-200 m水平斜坡道長度為631.40 m，-200～-260 m 水平斜坡道長度為520.54 m，-260～-320 m 水平斜坡道長度為531.28 m，-320～-380 m 水平斜坡道長度為666.55 m，-380～-440 m 水平斜坡道長度為621.93 m。2021 年，鐘九鐵礦斜坡道正式開工建設，隨著斜坡道不斷向深部掘進。至2021 年底，斜坡道施工已折返4 個彎道，長距離的通風和彎道增多，使得斜坡道掘進工作面的通風越來越困難。目前采用的局部通風方式由于通風阻力明顯增大，存在通風不暢，尤其是迎頭供風不足，致使工作面爆破產生的污風、鏟運設備油煙稀釋時間長，嚴重影響施工進度與安全生產。因此，急需對鐘九鐵礦現有通風系統進行優化，以改善長距離獨頭施工的斜坡道通風質量，保證作業環境良好，提高斜坡道開拓效率。

2 斜坡道通風系統優化

2.1 通風系統優化原則

通風系統設計和改造是一項復雜的技術工作，不僅要考慮當前斜坡道開拓掘進情況、現有通風設備設施情況、通風現狀等，還要考慮到整個斜坡道掘進期間，甚至是掘進完成后進入生產期的各種情況及其變化。因此，本次斜坡道通風系統優化原則：①提高通風系統的穩定性，使得用風地點風量滿足要求、風流方向保持不變；②利用現有的井巷和通風設備，最大限度減少輔助工程及新設備采購；③根據工程計劃要求，合理安排掘進部署，充分發揮現有系統的通風能力；④改善礦井通風狀況，創造良好的職業衛生環境，提高斜坡道掘進效率，保障作業人員身體健康；⑤在改善礦井通風效果的基礎上，盡可能節約能耗，以提高本礦經濟效益；⑥在阻力較大地點，應設法采取降阻措施，以減少通風阻力，使通風系統合理化［1-3］。

2.2 通風系統優化技術路線

礦井通風系統的優化是通風方式、通風類型、通風網絡和調節方法所涉及的各種參數的合理組合。結合鐘九鐵礦斜坡道的實際開拓掘進計劃，確定本次通風系統優化設計的技術路線：調查斜坡道通風現狀，測定斜坡道通風系統阻力，確定礦井通風網絡分支風阻，編制通風網絡圖，確定通風系統優化方案、風機選型，利用通風網絡解算軟件對通風網路進行模擬解算［4］。

2.3 斜坡道掘進工作面需風量

根據《金屬非金屬礦山安全規程》（GB 16423—2020）及《金屬非金屬地下礦山通風安全技術規范》（AQ 2013—2008）等國家標準規范要求，并參照國內外類似礦山通風降溫實踐經驗，各掘進工作面通風排塵平均風速要求不小于0.5 m/s。鐘九鐵礦斜坡道設計最大斷面為14.83 m2，故滿足規范要求的最小需風量為7.42 m3/s，考慮到斜坡道的實際通風效率以及損耗，最終確定斜坡道需風量為8.0 m3/s。

2.4 斜坡道通風優化方案

根據現場施工條件及通風需求，通風優化方案采用單翼對角抽出通風方式。其施工方法為在斜坡道地表平硐口附近施工一條直徑為2 m 回風井，回風井分5 段進行施工，并施工斜坡道聯巷使該井與各分段斜坡道相通，各分段標高及施工順序如下：①第一段回風井從地表+12 m 水平施工至-118 m水平，在斜坡道-118 m水平施工水平回風聯巷與回風井連通；②第二段回風井從-118 m水平施工至-181 m水平，在斜坡道-181 m 水平施工回風井倒段聯巷回風井連通；③第三段回風井從-181 m 水平施工至-218 m 水平，在斜坡道-218 m 水平施工施工回風井倒段聯巷回風井連通；④第四段回風井從-218 m水平施工至-301 m 水平，在斜坡道-301 m 水平施工施工回風井倒段聯巷回風井連通；⑤第五段回風井從-301 m 水平施工至-344 m 水平，在斜坡道-344 m水平施工施工回風井倒段聯巷回風井連通。

2.5 風機選型

2.5.1 風機的計算風量

風機的計算風量：

式中，Qj為風機的計算風量，m3/s；K為通風機裝置的漏風系數，取1.1；q為礦井所需風量，m3/s。

風機計算風量根據礦井風量計算及礦井風量分配。經計算，斜坡道通風系統-440 m 中段回風機站風量為8.8 m3/s。

2.5.2 風機的計算負壓

風機的計算負壓：

式中，Hj為風機的計算風壓，Pa；H為礦井通風阻力，Pa；△h為通風裝置阻力，一般取150～200 Pa；ho為消聲裝置阻力，可取50～100 Pa；Hz為自然風壓，Pa，當自然風壓起阻力作用時取正號，起動力作用時取負號；Hd為擴散器的動力損失，Pa。

礦井通風阻力是選擇通風機主要參之一，為了經濟合理，同時使得巷道不會因風壓過大造成安裝、維修等管理困難，須控制總阻力不能太大。本次通風阻力計算分3 段進行，第一段為回風井通風阻力，第二段為斜坡道聯巷通風阻力，第三段為斜坡道通風阻力。選擇最困難時期作為通風阻力計算線路，當斜坡道掘進至-344 m 中段時為最困難時期，此時斜坡道長度為3 584.81 m，通過計算，斜坡道通風總阻力H=200.37 Pa。斜坡道通風阻力具體計算結果見表1。

風機工作風壓根據礦井通風負壓計算。經計算，確定斜坡道通風系統通風機全壓為400.36 Pa。

2.5.3 風機選型

根據風機工作風量及工作風壓通過風機選型計算，斜坡道各中段回風井聯巷選擇1 臺K45-6№11 風機（功率15 kW），有風墻形式安裝，葉片安裝角度為40°。該風機為移動式風機，隨著斜坡道掘進深度的增加逐步下移，服務于斜坡道各掘進中段。

風機布置及性能參數見表2。

主扇的控制系統為出廠自帶，主要涉及主控系統、變距系統、安全系統等，用于控制主扇風機的運行狀態，保障礦井通風系統的正常與安全運行。主扇風機的工作狀態有運行、暫停、停機、緊急停機，每種狀態是1 個活動層次，運行狀態層級最高，急停狀態最低。風機特性曲線如圖1所示。

3 通風網絡解算

通風系統方案確定后，根據井下開采條件，對井下各種類型井巷規格及作業中段布置、作業點分布、典型巷道的通風阻力等進行了調查與數據整理，建立了井巷風阻原始數據、網絡節點分支原始數據、風機參數原始數據、機站參數原始數據等通風網絡數據庫。利用Ventsim 三維通風模型對方案進行系統通風效果模擬解算，最終確定的實施方案達到預期效果［5］。

針對通風系統所設置的回風機站，將礦井參數及風機型號帶入Ventsim 三維通風模型進行三維動態仿真模擬，具體解算模型見圖2。通過解算，斜坡道進風量與回風井相等，均為12.4 m3/s，說明本通風系統是合理的。

4 結語

針對鐘九鐵礦斜坡道實際問題及通風需求，根據現狀測定及分析得到目前存在的關鍵通風問題（通風網絡、污風循環現象、風機效率低），制定出單翼對角抽出通風方式斜坡道通風系統方案，通過計算確定斜坡道獨頭掘進工作面需風量為8.0 m3/s、斜坡道通風阻力為200.37 Pa。再根據風機工作風量及工作風壓，確定斜坡道各中段回風井聯巷選擇1 臺K45-6№11 風機（功率15 kW），采用有風墻形式安裝，葉片安裝角度為40°。最后通過Ventsim 三維通風模型進行三維動態仿真模擬，確定了該方案及各類參數能夠解決獨頭長距離斜坡道通風問題，大大減小斜坡道因通風除塵問題而帶來的安全隱患，顯著提高了斜坡道的建設效率。