杜明忠張永亮

（1．山東黃金金創(chuàng)集團(tuán)有限公司　山東煙臺(tái)265607；2．青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院　山東青島266520）

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沂南銅井分礦深井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究*

杜明忠1張永亮2

（1．山東黃金金創(chuàng)集團(tuán)有限公司山東煙臺(tái)265607；2．青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院山東青島266520）

摘要山東省沂南地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，造成了礦山深井開采高溫高濕環(huán)境。為有效治理銅井分礦井下濕熱，調(diào)查測定了銅井分礦井下環(huán)境參數(shù)，在分析通風(fēng)現(xiàn)狀及其存在問題的基礎(chǔ)上，選定采用多種技術(shù)措施結(jié)合治理、多級(jí)機(jī)站通風(fēng)的深井濕熱治理方案，以風(fēng)量平衡、網(wǎng)孔風(fēng)壓平衡和阻力定律為理論基礎(chǔ)，根據(jù)礦山實(shí)際情況自行開發(fā)了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)軟件，克服了傳統(tǒng)軟件的不足。應(yīng)用結(jié)果表明，銅井分礦井下濕熱狀況明顯好轉(zhuǎn)，達(dá)到井下作業(yè)的環(huán)境條件，設(shè)計(jì)方案具有顯著的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞金屬礦山濕熱網(wǎng)絡(luò)解算通風(fēng)系統(tǒng)

Study on the Optimization of Deep Well Ventilation System in Yinan Copper Mine

DU Mingzhong1ZHANG Yongliang2
（1．Shandong Gold Jinchuang Group Co．，Ltd．Yantai，Shandong 265607）

Abstract The geothermal resources is very rich in Shandong Yinan area，so it has caused high temperature and high hu-midity environment in the deep well mining．In order to effectively manage Tongjing mine underground humid＆hot condi-tion，the underground environmental parameters of copper mine are investigated and determined，on the basis of analysis for the ventilation current situation and existing problems，it is selected the deep well humidity＆heat treatment scheme of a va-riety of technological measures combined with governance and multi stations ventilation，and regarding air volume balance，pressure balance and the law of resistance as the theory foundation，according to the mine actual situation，the ventilation network software is developed，which overcomes the shortcomings of traditional software design．Application results show that Tongjing mine humidity＆heat conditions becomes better，reaching underground working environment requirements，and the design scheme has significant practical value．

Key Words metal mine humidity＆heat network solution ventilation system

0　引言

隨著礦產(chǎn)資源的快速消耗，我國金屬礦山不可避免地已經(jīng)或即將進(jìn)入深部開采，隨之而來的井下高溫高濕環(huán)境也擺在面前。造成礦井高溫高濕的因素很多，如高溫巖層、地下熱水涌出、機(jī)電設(shè)備散熱等，總的來說，高溫巖層散熱和地下熱水涌出是造成深井高溫高濕的主要因素［1－3］。礦井通風(fēng)是目前礦井降溫的基本技術(shù)途徑，國內(nèi)外學(xué)者已在深井通風(fēng)濕熱治理方面做了大量的研究工作，并將成果應(yīng)用于實(shí)踐，但仍有很多問題亟待進(jìn)一步探討和解決［4－6］。山東省臨沂市地處太平洋西岸高值熱流區(qū)域，地?zé)豳Y源豐富，臨沂地區(qū)的礦山開采不可避免地會(huì)遇到深井地?zé)嶂卫黼y題。

1銅井分礦井下濕熱治理現(xiàn)狀

沂南金礦位于山東省臨沂市沂南縣境內(nèi)，是山東黃金集團(tuán)旗下黃金礦業(yè)股份有限公司主要生產(chǎn)礦山之一。銅井分礦隸屬沂南金礦，礦區(qū)老豎井和新豎井井筒直徑均為3．5 m，裝備單罐籠，井深分別為老豎井140 m（＋130 m～－10 m）、新豎井493 m（＋133m～－360m）。老豎井主要作為人員、物料、礦石、廢石提升，新豎井用于探礦和山子澗北區(qū)深部人員、物料、礦石、廢石提升。

1．1銅井分礦通風(fēng)現(xiàn)狀

銅井分礦目前分為兩區(qū)集中機(jī)械通風(fēng)。汞泉區(qū)深部－130 m中段布置了1臺(tái)K48－4－No12型（55 kW）主扇，山子澗北區(qū)從地表打了1個(gè)Φ0．5 m（0．196 m2）的鉆孔通風(fēng)，安裝了1臺(tái)90 kW的羅茨風(fēng)機(jī)。新鮮風(fēng)流分別由老豎井和新豎井進(jìn)入，污風(fēng)分別經(jīng)山子澗北區(qū)鉆孔和汞泉風(fēng)井排出。為了保證局部地點(diǎn)通風(fēng)的暢通，設(shè)置了較為簡易的通風(fēng)設(shè)施。局部通風(fēng)不良的工作面，大多設(shè)置了18．5 kW的高壓離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行局部通風(fēng)。采場內(nèi)實(shí)行濕式作業(yè)制度，井下設(shè)有專供防塵用的供水管路，裝卸礦巖時(shí)和爆破后向爆堆進(jìn)行噴霧灑水，鑿巖、出渣前清洗距工作面10 m的巖壁，接塵人員進(jìn)入采場時(shí)佩帶防塵口罩。銅井分礦山子澗北區(qū)－310 m水平中段以下溫度較高，對(duì)井下的生產(chǎn)作業(yè)造成了很大的影響。

1．2通風(fēng)現(xiàn)狀問題分析

經(jīng)過調(diào)查分析，銅井分礦目前通風(fēng)情況存在5個(gè)主要問題：①通風(fēng)系統(tǒng)不完善，風(fēng)量不足。由于礦體呈雞窩狀，賦存十分分散，而且礦體傾角較緩，很難形成一個(gè)完善的通風(fēng)系統(tǒng)，采礦地點(diǎn)難以形成貫穿風(fēng)流，風(fēng)量也難以達(dá)到要求。②采場通風(fēng)效果較差。由于礦體傾角較緩，開采時(shí)至上一中段的天井較難形成，使得清洗作業(yè)面的污風(fēng)難以上行排出，采場獨(dú)頭通風(fēng)且同水平采場之間污風(fēng)串聯(lián)現(xiàn)象嚴(yán)重。礦區(qū)淺部多個(gè)中段仍有作業(yè)，形成多中段開采的局面，淺部采場作業(yè)的污風(fēng)又進(jìn)入深部，污染新鮮風(fēng)流，形成由上到下的污風(fēng)串聯(lián)。③井下漏風(fēng)嚴(yán)重，有效風(fēng)量率低。由于井下開采后空區(qū)難以及時(shí)充填同時(shí)密閉困難，加上廢舊井巷未能及時(shí)密閉處理，使得井下漏風(fēng)嚴(yán)重，有效風(fēng)量率降低。④系統(tǒng)排風(fēng)斷面積不足，排風(fēng)不暢。由于礦體賦存分散，較難形成相對(duì)集中的通風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)通道，山子澗北區(qū)只是開鑿了直徑500 mm（0．196 m2）的鉆孔采用羅茨風(fēng)機(jī)應(yīng)急通風(fēng)，排風(fēng)量很小（最大不超過8 m3／s），難以達(dá)到系統(tǒng)所需的風(fēng)量，而且耗能很大。即使具有專用排風(fēng)系統(tǒng)的汞泉區(qū)域排風(fēng)斷面也不能滿足排風(fēng)量的要求（深部中段間排風(fēng)井只有1．96 m2）。另外，通風(fēng)井還兼有提升任務(wù)，占據(jù)了有效通風(fēng)面積，減少了通風(fēng)斷面積。大多中段沒有專門的排風(fēng)井。

2濕熱治理技術(shù)的選定

銅井分礦前期采礦工藝復(fù)雜多變，致使現(xiàn)存風(fēng)井等可利用的通風(fēng)資源相當(dāng)有限，且分布無明顯規(guī)律可循，給通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的建立造成了困難。根據(jù)當(dāng)前井下通風(fēng)存在的問題，本著降本增效的原則，確定采用以下技術(shù)措施聯(lián)合作用解決井下濕熱難題。

2．1采用分區(qū)通風(fēng)方式

根據(jù)銅井分礦井下礦體賦存分散的特點(diǎn)，以及－50 m以上沒有作業(yè)的現(xiàn)狀，采用汞泉和山子澗北區(qū)兩個(gè)分區(qū)通風(fēng)的方式。分區(qū)通風(fēng)方式與集中通風(fēng)方式相比具有通風(fēng)阻力小、裝機(jī)容量小、節(jié)能降耗、漏風(fēng)易于控制、分區(qū)間不互相影響、分別管理方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。鑒于汞泉區(qū)域的南側(cè)還計(jì)劃開鑿豎井開拓開采新的礦體，汞泉礦區(qū)將統(tǒng)盤考慮其通風(fēng)系統(tǒng)的布局。

2．2采用多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)模式

多級(jí)機(jī)站通風(fēng)是20世紀(jì)70～80年代金屬礦山興起的技術(shù)，兼有壓入式和抽出式通風(fēng)的特點(diǎn)，在入風(fēng)段、用風(fēng)段和排風(fēng)段分別以串并聯(lián)方式布置風(fēng)機(jī)，各臺(tái)風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)各自區(qū)域內(nèi)的供、排風(fēng)量，克服各自區(qū)域的通風(fēng)阻力。多級(jí)機(jī)站使得井下壓力梯度小、通風(fēng)阻力小、漏風(fēng)少、有效風(fēng)量率高。由于大量采用低風(fēng)壓大風(fēng)量的節(jié)能風(fēng)機(jī)，電能主要用于提高風(fēng)量而不是過多用于克服礦井負(fù)壓梯度過高產(chǎn)生的通風(fēng)阻力，因此耗能可達(dá)到很低的水平。多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)尤為適用于分布不規(guī)則、多中段開采的有色、黑色、黃金等非煤礦山的井下通風(fēng)，符合國家提倡的節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策。

2．3增大溫度升高區(qū)域的通風(fēng)量

針對(duì)銅井分礦山子澗北區(qū)－310 m中段以下作業(yè)面溫度升高的問題，具體研究，加大供風(fēng)量，及時(shí)排出作業(yè)面熱量。目前來講，增大風(fēng)量通風(fēng)降溫仍然是井下降溫既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方法。

2．4利用井下廢棄的井巷和穩(wěn)定的空區(qū)通風(fēng)

沂南金礦作為開采多年的老礦山，井下老井巷和采空區(qū)縱橫，加之礦體賦存極為分散復(fù)雜，多中段多地點(diǎn)開采，邊探邊采，很難形成規(guī)矩的通風(fēng)系統(tǒng)，又很難采用大工程和大資金開鑿?fù)L(fēng)井巷形成完備的通風(fēng)系統(tǒng)。因此，充分利用各礦區(qū)遺棄的老井巷工程和透氣性良好且相對(duì)穩(wěn)定的采空區(qū)作為通風(fēng)通道，不失為一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又解決實(shí)際問題的較好選擇。

2．5冬季充分利用自然風(fēng)壓的作用節(jié)能降耗

自然風(fēng)壓是礦井通風(fēng)的自然能源，充分利用其有利的一面對(duì)于礦井通風(fēng)節(jié)能降耗具有實(shí)際意義。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中利用有利條件采取一定技術(shù)措施，在冬季部分或全部利用自然風(fēng)壓通風(fēng)，形成機(jī)械－自然結(jié)合的通風(fēng)系統(tǒng)，可以大幅度節(jié)能降耗。

3多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3．1設(shè)計(jì)方案

根據(jù)銅井分礦井下具體情況，將其分為山子澗北和汞泉東兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具體的通風(fēng)系統(tǒng)布置如圖1所示。新鮮風(fēng)流通過銅井老斜井進(jìn)入到井下，在－50 m水平中段向東南方向和正北方向分流。東南方向通過汞泉東運(yùn)輸大巷、盲斜井、盲豎井進(jìn)入汞泉東生產(chǎn)區(qū)域的各個(gè)中段，正北方向通過運(yùn)輸大巷、斜井、新豎井進(jìn)入山子澗北區(qū)的各個(gè)生產(chǎn)中段。新鮮風(fēng)流進(jìn)到汞泉東區(qū)域各中段清洗作業(yè)面后形成的污風(fēng)，通過礦體端部的階段排風(fēng)井排至－50 m中段，再通過汞泉風(fēng)井排至地面，形成通、排風(fēng)回路。新鮮風(fēng)流進(jìn)入山子澗北區(qū)－110 m中段和－150 m中段清洗作業(yè)面，形成污風(fēng)后，通過－150 m中段與金龍風(fēng)井的通道排至金龍風(fēng)井內(nèi)，排出井下，鉆孔作為輔助排風(fēng)通道；進(jìn)入－310 m中段的新鮮風(fēng)流清洗作業(yè)面成為污風(fēng)后經(jīng)下行風(fēng)井進(jìn)到基本無礦的－335 m中段，再經(jīng)新豎井下排至－360 m中段，通過與金龍風(fēng)井相連的通道同樣排至金龍風(fēng)井后排出井下。由于－150 m中段炸藥庫處在污風(fēng)段，最好調(diào)整位置，使之位于新風(fēng)區(qū)內(nèi)，或者庫內(nèi)通風(fēng)采取凈化、除濕、監(jiān)測、個(gè)體防護(hù)等措施。

圖1通風(fēng)系統(tǒng)的布置方式

另外，在汞泉區(qū)域南邊的深部已發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)可觀貯量的礦體，新的豎井開拓方案已經(jīng)確定（在新礦體的南端）?？紤]到與新的開拓系統(tǒng)相結(jié)合，在將來的新礦體開拓規(guī)劃設(shè)計(jì)中，作業(yè)產(chǎn)生的污風(fēng)仍然考慮從汞泉排風(fēng)系統(tǒng)排出（通風(fēng)段面積適當(dāng)擴(kuò)大），與原開拓系統(tǒng)形成兩翼入風(fēng)中央排風(fēng)的分區(qū)多級(jí)機(jī)站通風(fēng)方式。

3．2通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)原理分析

當(dāng)?shù)馑愕莫?dú)立網(wǎng)孔風(fēng)量校正值Δqk解算誤差EPS小于0．01 m3／s時(shí)，迭代解算即告結(jié)束，即Δqk＜0．01 m3／s。

扇風(fēng)機(jī)特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中，b0，b1，b2為表達(dá)式的回歸系數(shù)。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算過程如圖2所示。

3．3網(wǎng)絡(luò)解算的應(yīng)用

在對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，應(yīng)將所計(jì)算的風(fēng)量分配至作業(yè)地點(diǎn)，標(biāo)出井巷中的風(fēng)流流量和流動(dòng)方向，同時(shí)將備用風(fēng)量也按比例分配到各個(gè)作業(yè)地點(diǎn)，再在風(fēng)量分配的基礎(chǔ)上，抽象出用于計(jì)算機(jī)優(yōu)化解算的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了節(jié)省動(dòng)力消耗，通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化解算分為主豎井不結(jié)冰時(shí)期和結(jié)冰時(shí)期進(jìn)行。一年之中在主豎井不結(jié)冰的大部分時(shí)間中＋30 m中段和－50 m中段的2臺(tái)Ⅰ級(jí)機(jī)站風(fēng)機(jī)不啟動(dòng)，新鮮風(fēng)流通過老主井和新主井進(jìn)入井下。在結(jié)冰的短時(shí)間里分別啟動(dòng)2臺(tái)Ⅰ級(jí)機(jī)站的風(fēng)機(jī)，防止兩豎井井筒結(jié)冰。風(fēng)量分配時(shí)將漏風(fēng)部分按25%的比例均等地分?jǐn)傇诿總€(gè)需風(fēng)作業(yè)點(diǎn)的風(fēng)量之中。網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果見表1。

圖2通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算框圖

表1通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備配備及運(yùn)行參數(shù)

4　總結(jié)

（1）由于沂南金礦銅井分礦現(xiàn)有開采情況的復(fù)雜性，采用單一的通風(fēng)方式通風(fēng)降溫難以取得理想的效果，設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)地調(diào)研情況，提出了多種技術(shù)措施結(jié)合治理井下濕熱的方案。

（2）開發(fā)了適合銅井分礦實(shí)際情況的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序，消除傳統(tǒng)的通風(fēng)軟件部分程序與銅井分礦不匹配之處，確保網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)解算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）設(shè)計(jì)結(jié)果在銅井分礦應(yīng)用后，井下溫濕度得到明顯控制，證明了該設(shè)計(jì)的有效性。

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收稿日期：（2014－07－11）

通訊作者張永亮，E－mail：zhyoliang＠163．com．

作者簡介杜明忠，1971年生，山東臨沂人，工程師，主要從事礦山安全技術(shù)管理工作。

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51204100），中國博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目（2014T70658），中國博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（2013M541934），山東省高等學(xué)校科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（J14LH03），山東省博士后創(chuàng)新項(xiàng)目（201303045），青島市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（14－2－4－95－jch）。