王紅兵 賈敏濤

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

?

多機(jī)站通風(fēng)在多中段回采礦山的應(yīng)用

王紅兵1賈敏濤2,3,4

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

為進(jìn)一步提高多中段回采礦山通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，減少采區(qū)污風(fēng)循環(huán)，降低采空區(qū)外部漏風(fēng)，改善多中段回風(fēng)之間的相互制約，采用主輔扇聯(lián)合抽出式通風(fēng)方式，運(yùn)用多機(jī)站多風(fēng)機(jī)串并聯(lián)回風(fēng)風(fēng)壓平衡、風(fēng)量平衡原理，風(fēng)機(jī)變頻調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)多風(fēng)機(jī)串并聯(lián)回風(fēng)風(fēng)量匹配,減少采空區(qū)漏風(fēng)29.22 m3/s、采區(qū)污風(fēng)循環(huán)20.68 m3/s，系統(tǒng)有效風(fēng)量率提高10%以上，井下環(huán)境明顯改善，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

多中段采礦 多機(jī)站通風(fēng) 漏風(fēng) 網(wǎng)絡(luò)解算 風(fēng)量平衡 風(fēng)壓平衡

冬瓜山銅礦是亞洲最大地下開采銅礦，開采深度近千米。礦山開拓系統(tǒng)分為老區(qū)和新區(qū)兩部分，老區(qū)系統(tǒng)又分為老鴉嶺、樺樹坡、團(tuán)山和團(tuán)山頂盤4個礦段，形成多采區(qū)、多分段、多地點同時采礦的復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)，礦段之間相互關(guān)聯(lián)，相互制約。針對老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)存在的采區(qū)風(fēng)量不足、污風(fēng)循環(huán)、有效風(fēng)量率低、系統(tǒng)外部漏風(fēng)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低、風(fēng)流調(diào)控困難以及樺樹坡礦段采區(qū)通風(fēng)受上部老鴉嶺礦段回風(fēng)井回風(fēng)能力影響等問題，采用多中段風(fēng)量調(diào)節(jié)控制技術(shù)、風(fēng)壓平衡技術(shù)、多機(jī)站風(fēng)機(jī)優(yōu)選技術(shù)并結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程計算機(jī)集中監(jiān)控技術(shù)，確保風(fēng)量按需分配，氣流組織分布合理，機(jī)站風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行，提高礦井通風(fēng)效果及通風(fēng)管理水平，滿足采掘生產(chǎn)通風(fēng)安全需要，為礦山安全順利生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

1 礦山現(xiàn)狀

1.1 開拓系統(tǒng)

冬瓜山銅礦為豎井開拓，開拓井筒主要有冬瓜山主井、副井、進(jìn)風(fēng)井、輔助井、專用回風(fēng)井，大團(tuán)山副井、倒段回風(fēng)井，老鴉嶺措施井、回風(fēng)井共9條豎井以及主斜坡道(-670～-875 m 與-460～-670 m)和-875 m主運(yùn)輸水平的環(huán)形運(yùn)輸巷。各井筒規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 開拓系統(tǒng)井筒參數(shù) m

冬瓜山老區(qū)已形成的中段(分層)主要包括：50,-40,-80,-120,-160,-190,-220,-280,-310,-390,-430,-460,-520,-580,-670和-730 m中段，其中-280 m中段以上回采已經(jīng)結(jié)束，老區(qū)生產(chǎn)區(qū)域包括老鴉嶺采區(qū)-310～-390 m中段、樺樹坡采區(qū)-520～-730 m中段、團(tuán)山采區(qū)-460～-730 m 中段和團(tuán)山頂盤采區(qū)-390～-580 m 中段。

1.2 采礦方法

冬瓜山老區(qū)系統(tǒng)包括團(tuán)山及南沿采區(qū)、團(tuán)山頂盤采區(qū)、老鴉嶺采區(qū)、樺樹坡采區(qū)等。

團(tuán)山采區(qū)以垂直深空落礦階段礦房采礦法為主；團(tuán)山頂盤采區(qū)以分段落礦階段礦房采礦法為主；老鴉嶺采區(qū)以淺孔房柱采礦法和淺孔留礦法為主；樺樹坡采區(qū)有垂直深孔落礦階段礦房采礦法、分段落礦階段礦房采礦法和淺孔房柱采礦法；各采空區(qū)嗣后充填。根據(jù)2015年冬瓜山老區(qū)生產(chǎn)計劃表，各采區(qū)出礦量分別為老鴉嶺1.6萬t、樺樹坡22.4萬t、團(tuán)山76.8萬t、團(tuán)山頂盤11.2萬t。

2 通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題

冬瓜山銅礦老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)為兩翼對角抽出式通風(fēng)方式，新風(fēng)流分別從大團(tuán)山副井，冬瓜山副井和進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入井下，通過各中段副井石門及運(yùn)輸巷向東、西分別進(jìn)入大團(tuán)山、大團(tuán)山頂盤和老鴉嶺、樺樹坡各作業(yè)中段，沖洗工作面污風(fēng)由采場通風(fēng)天井排到上中段回風(fēng)巷或直接由本中段回風(fēng)巷進(jìn)入倒段回風(fēng)井，分別沿西部老鴉嶺回風(fēng)井、東部大團(tuán)山倒段回風(fēng)井排出地表。老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)主要進(jìn)、回風(fēng)機(jī)站的風(fēng)機(jī)參數(shù)及布設(shè)見表2。

表2 冬瓜山銅礦老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)分布及運(yùn)行

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和檢測的數(shù)據(jù)分析，冬瓜山老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)存在以下問題：

(1)礦井總風(fēng)量不足。老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)總進(jìn)風(fēng)量為121.99 m3/s，總回風(fēng)量為153.31 m3/s。團(tuán)山-280 m 以上倒段回風(fēng)井漏風(fēng)量為29.22 m3/s，現(xiàn)有的礦井總風(fēng)量不足。

(2)樺樹坡深部采區(qū)通風(fēng)困難。樺樹坡采區(qū)沿用老鴉嶺采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)，-520 m安裝一臺200 kW風(fēng)機(jī)。樺樹坡生產(chǎn)區(qū)域下延至-730 m中段，-520 m風(fēng)機(jī)無法作用至深部采區(qū)，導(dǎo)致深部采區(qū)爆破炮煙和粉塵不能及時排出。炮煙通過與團(tuán)山聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入團(tuán)山采區(qū)，造成了有毒有害氣體濃度超標(biāo)。

(3)團(tuán)山副井和冬瓜山副井風(fēng)流紊亂。團(tuán)山副井和冬瓜山副井作為人員、材料提升和老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的主要進(jìn)風(fēng)通道，與各作業(yè)中段相互貫通。但團(tuán)山副井-390,-430,-520,-670 m中段和冬瓜山副井-280,-390,-430,-490,-520 m中段風(fēng)流反向進(jìn)入井筒，其中各中段向團(tuán)山副井反風(fēng)量為12.43 m3/s，向冬瓜山副井反風(fēng)量為9.97 m3/s，造成污風(fēng)循環(huán)。

(4)通風(fēng)系統(tǒng)外部漏風(fēng)嚴(yán)重。老區(qū)上部存在大量老采空區(qū)，抽出式通風(fēng)進(jìn)風(fēng)段和主要生產(chǎn)區(qū)域處于負(fù)壓區(qū)，地表風(fēng)流從采空區(qū)直接進(jìn)入井下生產(chǎn)區(qū)域(-280 m老鴉嶺回風(fēng)井風(fēng)門里側(cè)采空區(qū)和樺樹坡-460 m采空區(qū)大量下風(fēng))，通風(fēng)系統(tǒng)可控性較差，回風(fēng)機(jī)站效率偏低。

(5)通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)站運(yùn)行工況不合理。團(tuán)山采區(qū)-460 m回風(fēng)機(jī)站200 kW風(fēng)機(jī)僅回風(fēng)35.48 m3/s，風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況過低，-580 m回風(fēng)巷反風(fēng)量為20.68 m3/s；樺樹坡采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)處于老鴉嶺采區(qū)下方，老鴉嶺-280 m回風(fēng)機(jī)站與樺樹坡-520 m回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)串聯(lián)安裝。老鴉嶺回風(fēng)機(jī)站同時兼顧老鴉嶺和樺樹坡2個采區(qū)的回風(fēng)功能，機(jī)站風(fēng)機(jī)與樺樹坡回風(fēng)機(jī)站同頻率運(yùn)行，風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況設(shè)置不合理。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控

礦井總風(fēng)量計算是礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中極其重要的內(nèi)容，正確計算礦井總風(fēng)量是選擇主要通風(fēng)設(shè)備和布置通風(fēng)工程的重要依據(jù)，礦井總風(fēng)量供給不足，會使井下勞動條件惡化，達(dá)不到安全通風(fēng)要求；盲目加大礦井總風(fēng)量，不一定能夠達(dá)到預(yù)期的通風(fēng)效果，而且會造成通風(fēng)能耗浪費(fèi)[1-3]。

根據(jù)冬瓜山銅礦老區(qū)各礦段回采、掘進(jìn)、充填工作面數(shù)量和各類硐室計算冬瓜山銅礦老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量為184 m3/s，其中老鴉嶺和樺樹坡采區(qū)為72.31 m3/s，團(tuán)山采區(qū)為73.76 m3/s，團(tuán)山頂盤為37.06 m3/s。

3.1 樺樹坡采區(qū)

樺樹坡采區(qū)位于老鴉嶺采區(qū)下部，隨著近年采礦不斷下延，樺樹坡采區(qū)開拓工程已經(jīng)下移到-730 m，采準(zhǔn)出礦到-670 m。上部老鴉嶺采區(qū)采礦量逐步減少，需風(fēng)量逐步降低。根據(jù)樺樹坡采區(qū)和老鴉嶺采區(qū)的進(jìn)回風(fēng)井井筒布置特點，兩采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)整體設(shè)計進(jìn)回風(fēng)風(fēng)路。

樺樹坡和老鴉嶺采區(qū)新鮮風(fēng)流通過冬瓜山副井和團(tuán)山副井進(jìn)入各中段，其中樺樹坡-640，-610 m水平新鮮風(fēng)由團(tuán)山副井進(jìn)入-670 m水平以后，經(jīng)過-670～-580 m斜坡道和-670～-610 m措施井進(jìn)入；新風(fēng)經(jīng)過采場后，污風(fēng)經(jīng)過采區(qū)端部倒段回風(fēng)井、老鴉嶺回風(fēng)井上排至地表。將原-280 m回風(fēng)機(jī)站下移至-580 m，保留-520 m回風(fēng)機(jī)站，增加-390,-610,-640和-670 m回風(fēng)輔扇。系統(tǒng)具體布置見圖1。

圖1 樺樹坡采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)改造方案

3.2 團(tuán)山采區(qū)

根據(jù)團(tuán)山采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析，通風(fēng)設(shè)備能夠滿足井下通風(fēng)需要，為解決污風(fēng)循環(huán)導(dǎo)致的區(qū)通風(fēng)效果差、冬瓜山副井和團(tuán)山副井反風(fēng)問題，對系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，使上下回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況相互匹配。團(tuán)山采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)站設(shè)置如圖2所示，具體的運(yùn)行方案：① +100 m團(tuán)山回風(fēng)井井口回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)滿頻運(yùn)行，急運(yùn)行頻率為50 Hz，地表風(fēng)機(jī)滿頻運(yùn)行，提高通風(fēng)系統(tǒng)總回風(fēng)量，兼顧團(tuán)山頂盤系統(tǒng)回風(fēng)；②-520 m水平回風(fēng)井機(jī)站風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率為45 Hz；③-670 m水平回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率為35 Hz，既要保證-670 m水平及以下-713 和-730 m水平回風(fēng)量要求，還要保證-520 m 水平回風(fēng)風(fēng)機(jī)為-580和-565 m水平回風(fēng)留有風(fēng)量；④-490，-565和-610 m水平回風(fēng)風(fēng)機(jī)根據(jù)用風(fēng)需要決定開停。

圖2 團(tuán)山采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)改造方案

3.3 團(tuán)山頂盤采區(qū)

根據(jù)團(tuán)山采區(qū)現(xiàn)場調(diào)查，-460 m水平采礦基本結(jié)束，上盤沿脈巷道保存狀態(tài)較好，且頂盤-460 m 采區(qū)與團(tuán)山上盤沿脈巷道貫通一條探礦巷道，規(guī)劃作為頂盤采區(qū)的回風(fēng)巷，具體回風(fēng)風(fēng)路見圖3。

目前團(tuán)山頂盤開拓系統(tǒng)有-390,-460,-520和-580 m水平，主要的生產(chǎn)作業(yè)中段為-460,-520 和-580 m水平。根據(jù)團(tuán)山頂盤開拓采準(zhǔn)布局，結(jié)合目前頂盤采區(qū)采掘工作面分布狀況，與礦方多次協(xié)商，提出2種通風(fēng)方案，見圖4。

方案一：-520和-580 m水平新風(fēng)由本中段的團(tuán)山副井和冬瓜山副井進(jìn)入，經(jīng)過運(yùn)輸大巷至沿脈巷道，通過作業(yè)面的污風(fēng)經(jīng)過采場天井和端部的-580～-460 m回風(fēng)井上排至-460 m水平。-460 m 水平采場由-390 m水平團(tuán)山副井和冬瓜山副井進(jìn)風(fēng)，新風(fēng)經(jīng)過-390 m水平運(yùn)輸大巷進(jìn)入1#沿脈巷道，再通過1#沿脈巷道中-460～-390 m的6#通風(fēng)人行天井和4#通風(fēng)人行天井下至-460 m水平。匯入-460 m水平的污風(fēng)和本水平污風(fēng)經(jīng)過1#沿脈巷道通過-460 m水平團(tuán)山上盤31線的管道巷道排入團(tuán)山采區(qū)上盤巷，再經(jīng)過-460 m團(tuán)山回風(fēng)井聯(lián)巷由團(tuán)山回風(fēng)井排出地表。

圖3 頂盤采區(qū)-460 m回風(fēng)風(fēng)路

圖4 團(tuán)山頂盤采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)改造方案

方案二：-520和-580 m水平新風(fēng)由本中段的團(tuán)山副井和冬瓜山副井進(jìn)風(fēng)，經(jīng)過運(yùn)輸大巷進(jìn)入沿脈巷道，通過作業(yè)面的污風(fēng)經(jīng)過采場天井和端部的-580～-460 m回風(fēng)井上排至-460 m水平。匯入-460 m水平的污風(fēng)經(jīng)過1#沿脈巷道通過-460 m水平團(tuán)山上盤31線的管道巷道排入團(tuán)山采區(qū)上盤巷，進(jìn)入-460 m團(tuán)山回風(fēng)井聯(lián)巷。-460～-390 m 采場由-520 m水平團(tuán)山副井和冬瓜山副井進(jìn)風(fēng)，新風(fēng)經(jīng)過-460 m水平進(jìn)入1#沿脈巷道采場；采場污風(fēng)通過礦房回風(fēng)天井上排至-390 m水平，再經(jīng)過團(tuán)山-460～-390 m通風(fēng)井下排至-460 m 水平團(tuán)山回風(fēng)井聯(lián)巷，匯同-460 m上盤回風(fēng)巷回風(fēng)一起通過團(tuán)山回風(fēng)井排出地表。

針對各方案建立通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，采用多級機(jī)站通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件，對各方案進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算，統(tǒng)計各方案的裝機(jī)容量、礦井總風(fēng)量、系統(tǒng)能耗、機(jī)站風(fēng)機(jī)效率和各用風(fēng)水平的供風(fēng)量數(shù)據(jù)[4-5]，結(jié)果見表3、表4，各方案比較見表5。

表3 團(tuán)山頂盤采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)各方案網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

通過2種方案對比分析，方案一和方案二均能夠滿足系統(tǒng)供風(fēng)量和各中段供風(fēng)量的設(shè)計要求，但考慮到-460～-390 m采場必須有專用的進(jìn)風(fēng)通道，保證采場進(jìn)風(fēng)風(fēng)質(zhì)安全，團(tuán)山頂盤采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案選擇方案一，具體風(fēng)路布置見圖5。

表4 團(tuán)山頂盤采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)各方案用風(fēng)水平風(fēng)量分配 m3/s

表5 團(tuán)山頂盤采區(qū)各方案的優(yōu)缺點比較

4 應(yīng)用效果預(yù)測

冬瓜山老區(qū)整體形成中央進(jìn)風(fēng)、兩翼回風(fēng)的中央對角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)優(yōu)化方案模擬解算結(jié)果，樺樹坡和老鴉嶺采區(qū)風(fēng)量為87.5 m3/s，團(tuán)山采區(qū)風(fēng)量為85.1 m3/s，頂盤采區(qū)風(fēng)量為40.3 m3/s，老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量為212.9 m3/s。

冬瓜山老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)總裝機(jī)功率為1644.5kW，其中樺樹坡和老鴉嶺采區(qū)為552.5kW，團(tuán)山采區(qū)為800kW，團(tuán)山頂盤采區(qū)為292kW；通風(fēng)系統(tǒng)實耗功率為1039.5kW，其中樺樹坡和老鴉嶺采區(qū)為321.4kW，團(tuán)山采區(qū)為560.7kW，團(tuán)山頂盤采區(qū)為157.4kW；通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)平均效率為73.4%。

圖5 頂盤采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路布置(單位：m3/s)

團(tuán)山副井進(jìn)風(fēng)量為55.4 m3/s，冬瓜山副井進(jìn)風(fēng)量為77 m3/s，未見各中段向井筒反風(fēng)。

樺樹坡采區(qū)-580 m水平以下回風(fēng)量為54.2 m3/s，滿足-580 m以下深部45 m3/s的需風(fēng)量要求。各采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果見表6。

表6 各采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

5 結(jié) 語

(1)多中段采礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)充分考慮各中段生產(chǎn)能力與通風(fēng)能力之間的相互匹配關(guān)系，加強(qiáng)多風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)管理，提高系統(tǒng)有效風(fēng)量率。

(2)風(fēng)機(jī)串聯(lián)回風(fēng)時，應(yīng)充分考慮前后風(fēng)機(jī)之間運(yùn)行工況的匹配關(guān)系，確保系統(tǒng)回風(fēng)能力，避免某一風(fēng)機(jī)產(chǎn)生通風(fēng)“瓶頸”，影響整個系統(tǒng)通風(fēng)能力。

(3)對于多采空區(qū)的老礦山通風(fēng)系統(tǒng)改造，應(yīng)及時封閉采空區(qū)，提高通風(fēng)系統(tǒng)可控性。

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[5] 吳冷峻，汪 俊，吳 江，等.冬瓜山井下多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)的建立與完善[J].礦業(yè)快報，2006(4)：43-44.

Application of Multi-stations Ventilation Pattern in Multi-sections Stoping Mine

Wang Hongbing1Jia Mintao2,3,4

(1.Dongguashan Copper Mine,Tongling Nonferrous Metals Group Holding Co.,Ltd.;2.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;3.State Key Laboratory of Safety and Healthfor Metal Mines; 4.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co., Ltd.)

In order to further improve the reliability of the ventilation system of multi-sections stoping mine, reduce the dirty air circulation and the external air leakage of mined-our area and improve the mutual restriction effect of the return air of multi-sections, the extraction ventilation pattern of the combination of main fan and auxiliary fan is proposed, based on the return air pressure balance and air volume balance principle of series and parallel of multi-stations and multi-fans, and the fan frequency conversion control technique, the air volume matching of the return air of series and parallel of multi-stations and multi-fans is realized, about 29.22 m3/s air leakage of the mined-out area and 20.68 m3/s dirty air circulation are reduced, the effectively air volume rate is increased more than 10%,the underground environment quality is improved effectively, the social and economic benefits are obvious.

Multi-sections mining, Multi-stations ventilation, Air leakage, Network calculation, Air volume balance, Air pressure balance

2016-07-28)

王紅兵(1969—)，男，工程師，244031 安徽省銅陵市獅子山區(qū)。