成 龍 王 明 蔣仲安

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

某鉛鋅礦通風(fēng)系統(tǒng)檢測和優(yōu)化方案研究

成 龍 王 明 蔣仲安

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

通過對某鉛鋅礦通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)查和通風(fēng)阻力測定，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)存在風(fēng)量供需比低、豎井季節(jié)性返風(fēng)和礦井風(fēng)阻過大等問題。為此，提出了隔斷相關(guān)巷道實現(xiàn)兩坑獨立通風(fēng)，解決了1#豎井返風(fēng)的問題；采取清理、擴刷等降阻力措施，降低了全礦風(fēng)阻，并對礦山現(xiàn)有風(fēng)機進(jìn)行了優(yōu)化。最后利用MVSS仿真軟件模擬優(yōu)化后系統(tǒng)的通風(fēng)效果，達(dá)到了預(yù)期要求。

礦井通風(fēng) 阻力測定 MVSS

隨著我國采礦工業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)許多早期投產(chǎn)的大型金屬礦由于采面水平的不斷下降,開采條件越來越復(fù)雜，通風(fēng)路線增加、部分巷道斷面過小、構(gòu)筑物的調(diào)節(jié)量和調(diào)節(jié)位置不盡合理，礦井通風(fēng)問題層出不窮，嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)和發(fā)展。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計一直是礦井通風(fēng)行業(yè)的關(guān)注焦點，但復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計和管理，依靠人工力量是比較困難的，為此，國內(nèi)外學(xué)者提出了基于計算機的礦井通風(fēng)仿真軟件，模擬計算實際的通風(fēng)系統(tǒng)[1-3]。

某鉛鋅礦屬于老礦區(qū)，隨著采掘作業(yè)面的下移，原有通風(fēng)系統(tǒng)及設(shè)施已不能滿足礦山安全生產(chǎn)的要求，出現(xiàn)了風(fēng)量供需比低、豎井季節(jié)性返風(fēng)和礦井風(fēng)阻過大等問題，為杜絕安全事故，形成良好的井下作業(yè)環(huán)境，需對其通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化改造[4]。

1 礦山概況

某鉛鋅礦下屬兩座礦山，分別為麒麟坑和躍進(jìn)坑，現(xiàn)年生產(chǎn)能力約80萬t。麒麟坑目前開采8#、10#礦體，主要提升運輸系統(tǒng)為豎井—平硐—盲豎井，采用上向式(下向式)干式與膏體聯(lián)合充填采礦法；躍進(jìn)坑目前開采的礦體為1#礦體。

麒麟坑和躍進(jìn)坑通過1 751，1 571 m水平相連，采用分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，兩個通風(fēng)系統(tǒng)相對獨立。躍進(jìn)坑的通風(fēng)方式為自然進(jìn)風(fēng)、二級串聯(lián)抽出式，一級機站設(shè)在2 053 m中段17#號線回風(fēng)斜井內(nèi)，負(fù)責(zé)抽出1 764～2 053 m生產(chǎn)區(qū)域的污風(fēng)；二級站設(shè)在 2 380 m中段的40#線回風(fēng)斜井內(nèi)，負(fù)責(zé)抽出2 053 m以下生產(chǎn)區(qū)域的污風(fēng)，總裝機容量為650 kW。麒麟坑8#和10#礦體采用1 571，1 751和1 931 m平硐共同承擔(dān)礦井進(jìn)風(fēng)、1 631 m平硐集中回風(fēng)的兩級機站抽出式通風(fēng)系統(tǒng)。兩級機站為串聯(lián)，分別負(fù)責(zé)10#與8#礦體的回風(fēng)，總裝機容量為1 000 kW。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)檢測

為深入了解該礦各主要井巷、作業(yè)面及相關(guān)硐室風(fēng)速風(fēng)量是否符合設(shè)計要求及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，需進(jìn)行礦井通風(fēng)系統(tǒng)檢測[5]。檢測內(nèi)容主要包括：測點的靜壓、標(biāo)高、溫度、濕度、風(fēng)速、測點間長度、井巷斷面積、周長以及風(fēng)門兩端靜壓差、自然風(fēng)壓等。依照相關(guān)規(guī)定對全礦進(jìn)行測點布置及參數(shù)測定，計算出所有巷道的特性參數(shù)值[6]。根據(jù)采場、風(fēng)井、巷道、風(fēng)門等布置及風(fēng)機運行的實際情況，輸入各個巷道參數(shù)及風(fēng)機性能參數(shù)，利用MVSS軟件繪制礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖，解算出礦井總阻力和各巷道風(fēng)量，與實測結(jié)果進(jìn)行比較，誤差小于3%，證明解算結(jié)果真實有效。通過通風(fēng)系統(tǒng)檢測得出：①麒麟坑總進(jìn)風(fēng)量67.63 m3/s，總回風(fēng)量78.07 m3/s，躍進(jìn)坑總進(jìn)風(fēng)量為39.93 m3/s，總回風(fēng)量41.2 m3/s，1#豎井返風(fēng)量為15.2 m3/s；②麒麟坑及躍進(jìn)坑總需風(fēng)量分別為81.74 m3/s 和51.20 m3/s，供需比分別為0.83和0.81；③麒麟坑12#坑往1#豎井方向的自然風(fēng)壓為423.5 Pa，躍進(jìn)坑往1#豎井方向的自然風(fēng)壓為193.6 Pa；④麒麟坑1 631 m水平A、B主扇風(fēng)機產(chǎn)生的全壓為1 518.9 Pa，躍進(jìn)坑2 380 m水平及 2 053 m 水平主扇風(fēng)機所產(chǎn)生的全壓為2 113.5 Pa；⑤麒麟坑及躍進(jìn)坑年產(chǎn)萬噸礦石耗風(fēng)量分別為 1.30 m3/s和4.12 m3/s。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題

通過對礦井通風(fēng)現(xiàn)狀的調(diào)查、測定與分析，目前通風(fēng)系統(tǒng)主要存在以下問題：

(1)1#豎井。井腳在1 751 m平硐處受進(jìn)風(fēng)線路1 751 m平硐自然風(fēng)壓的影響，冬季出現(xiàn)返風(fēng)現(xiàn)象，風(fēng)流上行過程中易凝結(jié)成水汽，對豎井內(nèi)的提升設(shè)備及電控系統(tǒng)等造成嚴(yán)重危害。

(2)受井下通風(fēng)構(gòu)筑物不全、自然風(fēng)壓及主扇負(fù)壓較小的影響，麒麟坑深部2#盲豎井及各進(jìn)風(fēng)斜井之間風(fēng)流短路，導(dǎo)致2#豎井風(fēng)流上行，對2#豎井內(nèi)的提升系統(tǒng)及電控設(shè)備等造成嚴(yán)重危害。

(3)風(fēng)量供需比較低。麒麟坑風(fēng)量供需比為0.83，躍進(jìn)坑風(fēng)量供需比為0.81。按《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定，考慮漏風(fēng)系數(shù)后風(fēng)量供需比達(dá)到1.15，明顯存在差距。

(4)采場通風(fēng)效果較差，內(nèi)外部漏風(fēng)率偏高。麒麟坑和躍進(jìn)坑有效風(fēng)量率分別為70.91%和64.83%；外部漏風(fēng)率分別為11.72%和8.45%，內(nèi)部漏風(fēng)率分別為29.09%和35.17%。

(5)主要通風(fēng)井巷堵塞嚴(yán)重，整體風(fēng)阻過大。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前主要回風(fēng)系統(tǒng)堵塞情況均較為嚴(yán)重，個別回風(fēng)井內(nèi)某些斷面幾乎全部被堵死，經(jīng)測定計算：麒麟坑風(fēng)阻為8 423.7 Pa，躍進(jìn)坑為 8 079.2 Pa。

4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化與仿真

4.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

隨著礦井生產(chǎn)的發(fā)展以及分段水平的推進(jìn)和更替，巷道風(fēng)阻、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及所需的風(fēng)量均在不斷變化，要求及時進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方法包括增阻法、減阻法及輔助通風(fēng)機調(diào)節(jié)法[7]。

(1)增阻調(diào)節(jié)法是通過在巷道中安設(shè)調(diào)節(jié)風(fēng)窗等設(shè)施，增大巷道中的局部阻力，從而降低與該巷道處于同一通路中的風(fēng)量，或增大與其關(guān)聯(lián)的通路上的風(fēng)量。

(2)減阻調(diào)節(jié)法是通過在巷道中采取降阻措施，降低巷道的通風(fēng)阻力，從而增大與該巷道處于同一通路中的風(fēng)量，或減小與其關(guān)聯(lián)的通路上的風(fēng)量。減阻調(diào)節(jié)法措施包括擴大巷道斷面、降低摩擦阻力系數(shù)、清除巷道中的局部阻力物、采用并聯(lián)風(fēng)路、縮短風(fēng)流路線的總長度等。

(3)增能調(diào)節(jié)法主要是采用輔助通風(fēng)機等增加通風(fēng)能量的方法，增加局部地點的風(fēng)量。主要措施包括輔助通風(fēng)機調(diào)節(jié)法，利用自然風(fēng)壓調(diào)節(jié)法。

優(yōu)化方案的主要原則是：盡量利用現(xiàn)有巷道及通風(fēng)構(gòu)筑物，盡快實施并取得階段性的成果；過渡期方案新掘巷道和新增通風(fēng)構(gòu)筑物能夠為永久性通風(fēng)方案所利用。

4.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案及仿真

4.2.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

針對麒麟坑現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)1#豎井返風(fēng)的問題，采用安裝自動風(fēng)門及風(fēng)墻等措施,隔斷自然風(fēng)壓。隔斷12#、15#坑進(jìn)風(fēng)與躍進(jìn)坑通風(fēng)系統(tǒng)之間的連接通道，1#豎井作為躍進(jìn)坑的進(jìn)風(fēng)井，使麒麟坑及躍進(jìn)坑實現(xiàn)獨立通風(fēng)，各自進(jìn)回風(fēng)井巷互不影響，獨立承擔(dān)各自進(jìn)回風(fēng)的任務(wù)。

優(yōu)化后的麒麟坑新鮮風(fēng)流由9#、12#、15#坑進(jìn)入，通過2#豎井及1#，3#，4#斜井分別進(jìn)入各用風(fēng)中段，經(jīng)各中段采準(zhǔn)斜坡道、各分段聯(lián)絡(luò)巷、沿脈巷，沖刷采掘工作面后歸流至充填通風(fēng)井，污風(fēng)于1 631 m水平匯合后由14#坑排至地表;躍進(jìn)坑新鮮風(fēng)流由躍進(jìn)坑及1#豎井進(jìn)入，經(jīng)老豎井，1#、2#及3#斜井分別進(jìn)入各用風(fēng)中段，經(jīng)各中段采準(zhǔn)斜坡道、分段聯(lián)絡(luò)巷、沿脈巷，沖刷采掘工作面后歸流至充填回風(fēng)井，最終由41#主回風(fēng)井排至地表。

4.2.2 優(yōu)化方案仿真計算

運用礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)(MVSS)繪制優(yōu)化后的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，按照麒麟坑及躍進(jìn)坑的實際需風(fēng)量，結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)所測定的數(shù)據(jù)，輸入巷道特性參數(shù)，使用MVSS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算，推算出優(yōu)化方案實施后的風(fēng)流方向及最大阻力路線(如圖1、圖2所示)，同時得到各條巷道的風(fēng)量、風(fēng)阻。麒麟坑總摩擦阻力為 6 252.8 Pa，局部阻力按20%計算，則在總回風(fēng)量為81.74 m3/s時，總通風(fēng)阻力為7 503.4 Pa。躍進(jìn)坑總摩擦阻力為6 075.4 Pa，局部阻力按20%計算，則在總回風(fēng)量為51.20 m3/s時，總通風(fēng)阻力為7 290.5 Pa。

圖1 麒麟坑MVSS模擬通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

圖2 躍進(jìn)坑MVSS模擬通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

4.3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)降阻措施及仿真

4.3.1 通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)阻降阻措施

在不考慮縮減需風(fēng)量的條件下，要想使通風(fēng)系統(tǒng)總阻力下降，可調(diào)低阻力較大的巷道風(fēng)阻。由優(yōu)化方案仿真計算結(jié)果可以看出,麒麟坑阻力較大的區(qū)域主要集中在74#線回風(fēng)井以及 1 631 m 水平74#線之后的回風(fēng)巷道；躍進(jìn)坑阻力較大的區(qū)域主要集中在17#線回風(fēng)井、9～12中段間三條串聯(lián)的回風(fēng)井、41#線回風(fēng)井。通過對上述井巷擴刷或挑頂?shù)裙こ?，增大井巷斷面，最終降低了坑通風(fēng)系統(tǒng)總阻力，主要施工巷道如表1所示。

表1 調(diào)阻巷道措施工程設(shè)計

4.3.2 通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)阻降阻后仿真計算

經(jīng)過上述調(diào)阻后，運用MVSS進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算，其中擴刷或清理后的巷道按相關(guān)規(guī)程推薦值選取阻力系數(shù)，得出麒麟坑在總回風(fēng)量為 81.74 m3/s時，總通風(fēng)阻力為4 356.1 Pa；躍進(jìn)坑在總回風(fēng)量為51.20 m3/s時，總通風(fēng)阻力為 3 711.7 Pa。可以看出，通過降阻措施后，最大通風(fēng)阻力都有了大幅度下降。

4.4 風(fēng)機優(yōu)化

降阻后，麒麟坑通風(fēng)系統(tǒng)總通風(fēng)阻力為 4 356 Pa，目前單臺風(fēng)機無法滿足通風(fēng)要求，結(jié)合目前麒麟坑的通風(fēng)現(xiàn)狀，依舊考慮使用兩級串聯(lián)抽出式通風(fēng)?？紤]到麒麟坑1 331 m以下未來的開采設(shè)計，在1 331 m水平安裝1臺風(fēng)機，通過增能調(diào)節(jié)深部通風(fēng)效果。降阻后躍進(jìn)坑通風(fēng)系統(tǒng)總通風(fēng)阻力為3 712 Pa，使用二級機站、兩臺型號完全相同的風(fēng)機串聯(lián)工作。

(1)風(fēng)機位置。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果可知：①麒麟坑1 631 m水平74#線回風(fēng)井之后至14#坑口前，總摩擦阻力2 841.6 Pa，風(fēng)機風(fēng)壓計算結(jié)果顯示， 1 631 m 水平每臺風(fēng)機所提供靜壓為2 178 Pa，則74#線至1 631 m B平面主扇段阻力應(yīng)為663.6 Pa。經(jīng)過計算可確定1 631 m B平面主扇安裝位置應(yīng)為74#線回風(fēng)井之后180～200 m處，A平面主扇安裝位置應(yīng)盡量靠近14#坑口；②將深部通風(fēng)風(fēng)機安裝在1 331 m水平106#～110#線，能滿足深部作業(yè)面的正常供風(fēng)，1 331 m水平風(fēng)機位置合理；③躍進(jìn)坑2 053 m水平17#回風(fēng)井出口附近處于通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布的中心段，說明目前躍進(jìn)坑兩臺主扇安裝位置比較合理，無需調(diào)整。

(2)風(fēng)機選型。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果，麒麟坑 1 631 m水平2臺主扇風(fēng)機風(fēng)量為89.9 m3/s，全壓為2 653 Pa?？紤]到目前麒麟坑正在使用的DK45-6-No.20型號主扇的性能完全滿足本次優(yōu)化后通風(fēng)的要求，可繼續(xù)使用該風(fēng)機，電機功率為2× 250 kW，葉片安裝角度調(diào)整為37°。1 331 m水平風(fēng)機所需提供風(fēng)量為29 m3/s，深部通風(fēng)所產(chǎn)生的總阻力為711 Pa(網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果)，扇風(fēng)機裝置阻力一般取150～200 Pa，則1 331 m水平風(fēng)機全壓為 911 Pa。由于目前該部分風(fēng)量風(fēng)壓可由1 631 m A、B水平主扇繼續(xù)提供，故1 331 m水平風(fēng)機可暫不運行，待開采深度下降，作業(yè)面大量下移后，且 1 631 m A、B主扇不再滿足深部通風(fēng)的要求時再啟用該風(fēng)機。啟用1 331 m水平風(fēng)機時，假設(shè)所有作業(yè)面均已下移至 1 331 m水平以下，則此時風(fēng)機提供風(fēng)量為 89.9 m3/s，選擇型號DK40-6-No.19的風(fēng)機，所提供風(fēng)壓為1 550 Pa，電機功率為2× 132 kW，葉片安裝角度為35°。躍進(jìn)坑2 380，2 503 m 水平2臺主扇保持現(xiàn)有位置不變，風(fēng)機風(fēng)量為56.3 m3/s，全壓為 2 168 Pa?？紤]到目前躍進(jìn)坑正在使用的K45-4-No.15型號主扇性能完全滿足本次優(yōu)化后通風(fēng)的要求，可繼續(xù)使用該風(fēng)機，電機功率為200 kW，葉片安裝角度調(diào)整為36°。

5 結(jié) 語

(1)通過對麒麟坑和躍進(jìn)坑通風(fēng)系統(tǒng)檢測，得到了巷道通風(fēng)阻力系數(shù)、風(fēng)速風(fēng)量等參數(shù)，為通風(fēng)系統(tǒng)仿真模擬提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)分析了現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，提出隔斷相關(guān)巷道，實現(xiàn)兩坑獨立通風(fēng)的優(yōu)化方案，解決了1#豎井返風(fēng)的難題，并通過MVSS仿真軟件模擬優(yōu)化后通風(fēng)效果，確保了方案的可行性。

(3)針對現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)阻較大的問題，通過模擬仿真，得到了最大通風(fēng)阻力路線，在該路線上找到阻力較大的巷道，采取清理、擴刷等降阻措施，有效降低了全礦通風(fēng)阻力。

(4)根據(jù)模擬結(jié)果和未來礦山開采計劃，對礦山現(xiàn)有風(fēng)機位置和選型進(jìn)行了優(yōu)化，實現(xiàn)了該礦通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性和前瞻性。

[1] 琚和森，黃壽元．冬瓜山銅礦大團山采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2013(7)：98-100.

[2] 梁國喜．范各莊礦超復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)仿真研究與應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2010(6)：84-86．

[3] 祝恩勇．基于MVSS仿真的陳四樓煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2013(1)：91-93．

[4] 丁永明，李誠玉，陸衛(wèi)東,等．葦湖梁煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2011(1)：70-71．[5] 趙千里，劉 劍．用礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)(MVSS)確定通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報，2002(2)：17-21．

[6] 蔣仲安，宋洋洋，丁 偉，等．平煤八礦丁一風(fēng)井通風(fēng)阻力測定與結(jié)果分析[J]．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012(9)：11-16．

[7] 馬萃林．某有色金屬礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)改造的設(shè)計[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2014(2)：70-73．

2014-10-10)

成 龍( 1988—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號。