王 維 王偉杰 吳冷峻 周 偉 魯智勇 畢福坤 夏功澤

(1.中鋼集團山東礦業(yè)有限公司；2.中鋼集團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.華唯金屬礦產資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；5.赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責任公司)

蒼山鐵礦礦井通風系統(tǒng)自建成運行至今已有6 a，隨著開采時間増加和開采范圍的變化，采場作業(yè)地點不斷調整，井下通風網絡結構發(fā)生了改變，使得通風系統(tǒng)管理難度加大。受多方面因素影響，當前主井溜破系統(tǒng)回風機站風機無法正常開啟，主井(箕斗井)進風量為56.28 m3/s，不符合《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB l6423—2006)有關“箕斗井不應兼作進風井”的規(guī)定[1]，同時，主井大量進風造成井下通風系統(tǒng)風流紊亂，作業(yè)場所空氣質量較差。本研究針對該礦主井溜破系統(tǒng)通風現(xiàn)狀，對其通風方案進行優(yōu)化。

1 礦山生產概況

蒼山鐵礦采用豎井開拓與斜坡道開拓相結合的開拓方案，即-140 m中段采用豎井開拓，由地表至-40 m水平的斜坡道按汽車運輸設計，-40 m水平以下按輔助斜坡道設計。各井筒主要參數(shù)見表1。

表1 礦山各井筒主要參數(shù)

注：主斜坡道的凈斷面面積為14.11 m2。

礦區(qū)地表無建筑物的礦段，采用空場法嗣后充填采空區(qū)防止地表塌陷，對于地表有建筑物需要保護的礦帶，則采用上向分層充填采礦法開采[2-3]。

該礦主井提升系統(tǒng)包括[3]：

(1)主井提升系統(tǒng)。主豎井擔負各中段的礦石提升任務，采用多繩摩擦式提升機提升。井下各中段的礦石經溜井進入井下破碎站，破碎成≤280 mm的塊度，溜入下部溜槽，經振動放礦機給入膠帶輸送機運至與箕斗配用的計量裝置，而后裝入多繩底卸式箕斗內，由塔式多繩摩擦式提升機提升至地表井塔樓內礦倉。地面礦倉內的礦石由振動放礦機給入皮帶機上，輸送至中碎皮帶機送至選廠中碎倉內。

(2)井下破碎系統(tǒng)。井下破碎系統(tǒng)采用單溜單破方式，井下破碎系統(tǒng)由主溜井、井下破碎硐室、皮帶巷、計量硐室、粉礦回收井、回風天井、粉礦清理平巷、大件道及聯(lián)絡道等組成。井下破碎硐室布置于-334 m水平，在該水平布置大件道與主井貫通，并布置聯(lián)絡道與粉礦回收井貫通，人員及材料、備件等通過粉礦回收井進出。粉礦清理在-400 m水平進行，在該水平布置粉礦清理道與粉礦回收井貫通，通過粉礦回收井提升至-334 m水平。通過溜井下放至-349 m皮帶道，由皮帶輸送至計量漏斗?；啡龅V經人工清理裝入YFC0.5-7翻斗式礦車，通過與粉礦回收井聯(lián)通的粉礦回收平巷，經粉礦回收井提升至-140 m中段，而后卸入主溜井。計量硐室布置于約-349 m水平。

2 通風系統(tǒng)現(xiàn)狀

蒼山鐵礦采用分區(qū)抽出通風方式，以副井、主井為界劃分東區(qū)、西區(qū)，設計風量283.4 m3/s。按-140 m 水平以上可采礦量及采場分布情況，風量分配西區(qū)約100 m3/s，東區(qū)約180 m3/s。井下共設置3個回風機站，西風井-90 m水平回風機站選用2臺K45-6-№17風機(110 kW/臺)并聯(lián)，東1回風井7 m水平回風機站選用2臺K45-6-№17風機(110 kW/臺)并聯(lián)，-40 m水平南回風機站選用2臺K45-6-№17風機(110 kW/臺)并聯(lián)，葉片安裝角度均為40°。副井、東2風井及主斜坡道進風，西風井、東1風井回風。東1回風井7 m水平回風機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風機(110 kW/臺)，回風量101.92 m3/s，風機效率65%；-40 m水平回風機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風機(110 kW/臺)，回風量118.55 m3/s，風機效率77%；西風井-90 m水平回風機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風機(110 kW/臺)，回風量85.45 m3/s，風機效率59%。主井溜破系統(tǒng)破碎硐室主井聯(lián)巷、皮帶道水平主井聯(lián)巷及粉礦回收水平主井聯(lián)巷分別設置輔助機站，各安裝1臺K40-4-№8風機(5.5 kW/臺)，風機停止運行。

該礦通風系統(tǒng)存在的問題有：①主井溜破系統(tǒng)回風機站風機經過多年運行，性能下降，機站風墻破損；②大量風流由主井進入井下，干擾系統(tǒng)風量分配，主井為箕斗井，大量粉塵隨著新風一道進入井下作業(yè)區(qū)域，影響進風風質；③受主井進風量偏大的影響，-40～-90 m水平斜坡道風流靜止，夏季時，風流中含有大量水汽，人員車輛通過時，無法有效辨認前方路況，安全隱患較大；④通風構筑物的設置及日常管理、維護存在不足。

3 溜破系統(tǒng)通風方案優(yōu)化

礦山生產系統(tǒng)具有動態(tài)性，隨著生產的調整，必然對通風系統(tǒng)產生一定的影響，當主井溜破系統(tǒng)通風效果影響了礦山正常生產時，須進行技術優(yōu)化，解決其存在的通風紊亂、作業(yè)環(huán)境差等問題，使之能夠更好地服務于井下生產[4-5]。

3.1 研究思路

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)[1]，入風井巷和采掘工作面的風源含塵量不宜大于0.5 mg/m3，并規(guī)定箕斗井不宜兼作進風井。蒼山鐵礦主井(箕斗井)井筒直徑為4.5 m，擔負各中段的礦石提升任務，采用多繩摩擦式提升機提升。井下溜破系統(tǒng)-334 m破碎水平、-349 m皮帶道水平及-400 m粉礦回收水平的主井聯(lián)巷分別設置有輔助回風機站，各安裝了1臺K40-4-№8風機。受到風機性能、風墻維護、系統(tǒng)風流短路以及主要進風井巷工程風量分配混亂等因素的影響，溜破系統(tǒng)3臺K40-4-№8風機正常開啟后均無法將溜破系統(tǒng)污風沿主井有效排出地表，主井入風風源含塵量超標，嚴重污染了井下作業(yè)環(huán)境。本研究主井溜破系統(tǒng)通風優(yōu)化方案擬在-334 m破碎水平、-349 m皮帶道水平及-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷重新設置輔助回風機站，針對該礦通風系統(tǒng)存在的多種影響因素，采用通風系統(tǒng)網絡模擬技術、風機優(yōu)選技術對溜破系統(tǒng)通風方案進行研究，確保主井溜破系統(tǒng)污風能夠沿主井有效排出地表。

3.2 通風方案

本研究通風方案沿用礦區(qū)現(xiàn)有分區(qū)抽出通風方式，在充分利用現(xiàn)有通風設施及井巷工程的基礎上，溜破系統(tǒng)新鮮風流由副井通過-140～-400 m水平盲豎井進入溜破系統(tǒng)各分層，污風由主井排出地表。在井下溜破系統(tǒng)-334 m破碎水平、-349 m皮帶道水平及-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷分別設置輔助回風機站，結合礦山實際生產條件，溜破系統(tǒng)回風機站風機需重新進行優(yōu)選。

3.3 溜破系統(tǒng)需風量核算

一般來說，可按排塵風速計算礦井需風量。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)[1]，硐室型采場最低風速不宜小于0.15 m/s，巷道型采場和掘進巷道的最低風速不宜小于0.25 m/s，電耙道和二次破碎巷道的最低風速不宜小于0.5 m/s。排塵風速增大時，粒徑稍大的塵粒也可以懸浮并被排出，同時增強了稀釋作用，在產塵強度一定的條件下，礦塵濃度將隨之降低。當風速達到一定值時，作業(yè)場所礦塵濃度可降至最小值，該風速可稱為最優(yōu)排塵風速。借鑒國內溜破系統(tǒng)各水平排塵風速的相關研究成果[6-8]，該礦破碎水平的最佳風速約為0.3 m/s，皮帶道水平最佳風速約為0.5 m/s，粉礦回收水平最佳風速約為1.0 m/s?？紤]到井下溜破系統(tǒng)作業(yè)面的工作性質、通風排塵所需風速以及系統(tǒng)風量漏風系數(shù)等，本研究計算出的溜破系統(tǒng)總風量為24.66 m3/s(表2)。

表2 按排塵風速計算的溜坡系統(tǒng)各中段的需風量

注：各中段需風量之和(18.97 m3/s)乘以系統(tǒng)漏風系數(shù)0.3后即為系統(tǒng)漏風量5.69 m3/s.

3.4 通風構筑物設置

通風構筑物設置對于通風系統(tǒng)實現(xiàn)預定風流的風量分配以及穩(wěn)定性具有重要作用。為確保該礦主井溜破系統(tǒng)的通風效果，需要設置通風構筑物的井下區(qū)域為：①-140 m水平主井聯(lián)巷設置1道風墻；②-334 m破碎水平主井聯(lián)巷回風機站風機設置1道風墻(留風門)；③-349 m皮帶道水平主井聯(lián)巷回風機站風機設置1道風墻(留風門)；④-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷回風機站風機設置1道風墻(留風門)。

3.5 溜破系統(tǒng)回風機站風機優(yōu)選

通風機選型及工況點調節(jié)對于礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化十分重要，是通風系統(tǒng)優(yōu)化的重要內容。K系列礦用節(jié)能通風機由DK40、DK45、K40、K45等礦用節(jié)能風機組成，K40、K45系列輔扇采用電機與葉輪直聯(lián)的最簡傳動結構，由集流器、主機體和擴散器等部件組成，采用新型高效機翼型扭曲葉片，安裝角度可調，敷設穩(wěn)流環(huán)裝置使得氣動性能曲線無駝峰，底座上可配帶軸向移動的車輪。DK40、DK45系列主扇采用同型號、同功率的2臺K40、K45型風機進行對接，兩級葉輪互為反向旋轉，構成對旋式結構，與長軸傳動型主扇相比具有運行效率高、運行局阻低、節(jié)省土建投資等優(yōu)點，具有顯著的節(jié)能效果[9]。結合溜破系統(tǒng)需風量及風壓等要求，溜破系統(tǒng)回風機站風機擬從K45-6-№10、K45-6-№11、K45-6-№12、K45-6-№13等風機中選擇。

3.6 通風系統(tǒng)優(yōu)化方案網絡解算

機械通風系統(tǒng)通過風機將新鮮風流送至井下各采掘作業(yè)需風點，由于通風網絡包括大量井巷，自然分風及風量調節(jié)計算比較復雜，且工作量大，因此，通風系統(tǒng)技術優(yōu)化方案基本確定后，需要建立通風網絡并利用多機站及多級機站通風軟件對方案進行通風效果模擬計算，并根據(jù)結果對方案進行調整修改使得最終確定的實施方案達到預期的通風效果[10-15]。

本研究通風系統(tǒng)主要回風機站的風機設置情況為：①東1回風井7 m水平回風機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風機(110 kW/臺)；②-40 m水平回風機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風機(110 kW/臺)；③西風井-90 m水平回風機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風機(110 kW/臺)。本研究采用通風軟件進行計算機網絡模擬解算時的主要輸入數(shù)據(jù)見表3。

針對本研究方案所設置的主井溜破系統(tǒng)回風機站，將不同的風機型號(K45-6-№10、K45-6-№11、K45-6-№12以及K45-6-№13)添加于構建的通風模型中進行網絡模擬，得出4種風機優(yōu)選方案，各方案的計算機網絡計算結果見表4。

表3 通風網絡模擬解算的主要輸入數(shù)據(jù)

表4 4種風機優(yōu)選方案計算機網絡解算結果

分析表4可知：4種溜破系統(tǒng)回風機站所優(yōu)選出的風機經過計算機通風網絡計算及模擬運行后，僅有方案I的溜破系統(tǒng)總風量達不到設計要求(24.66 m3/s)。

蒼山鐵礦生產規(guī)模為原礦產量200萬t/a、廢石30萬t/a，結合礦山年采掘計劃和實際生產情況，充分考慮了井下作業(yè)面的工作性質、通風排塵所需風速，計算出的礦井通風系統(tǒng)所需風量為218 m3/s?？紤]到在生產變動時通風系統(tǒng)調節(jié)不及時帶來的風量不均衡現(xiàn)象，礦井通風風量應在計算出的需風量的基礎上乘以系統(tǒng)風量備用系數(shù)(1.3)，則礦井總風量為283.4 m3/s。根據(jù)通風軟件網絡解算結果，方案Ⅱ解算出的礦井總風量(280.59 m3/s)無法滿足設計的礦井總風量要求，方案Ⅲ、Ⅳ則滿足礦井總風量設計要求(283.4m3/s)。從礦山節(jié)能角度考慮，本研究選用方案Ⅲ。該方案溜破系統(tǒng)風機安裝方案為：①溜破系統(tǒng)-334 m破碎水平主井聯(lián)巷回風機站安裝1臺K45-6-№12風機(18.5 kW/臺)，葉片安裝角度為35°；②溜破系統(tǒng)-349 m皮帶道水平主井聯(lián)巷回風機站安裝1臺K45-6-№12風機(18.5 kW/臺)，風機葉片安裝角度為35°；③溜破系統(tǒng)-400 m 粉礦回收水平主井聯(lián)巷回風機站安裝1臺K45-6-№12風機(18.5 kW/臺)，葉片安裝角度為35°。方案Ⅲ計算機通風網絡計算結果及相關技術參數(shù)見表5、表6。

表5 通風系統(tǒng)網絡解算結果

4 結 語

針對山東蒼山鐵礦溜破系統(tǒng)主井大量進風的特點，結合礦山在開采過程中形成的作業(yè)場所風流紊亂、風質差等問題，應用通風網絡優(yōu)化技術、通風機站優(yōu)化技術以及計算機通風網絡模擬技術，對通風網絡進行了優(yōu)化。該方案通過在溜破系統(tǒng)-334m破碎水平、-349m皮帶道水平以及

表6 各井筒進回風風量分配 m3/s

-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷各安裝1臺K45-6-№12風機(18.5 kW/臺)，使得溜破系統(tǒng)主井出風量為35.4 m3/s，達到設計要求。該方案可在滿足設計總風量要求的同時，改善溜破系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境，間接減少與預防職業(yè)病發(fā)病率，有助于確保礦山安全生產。

參 考 文 獻

[1] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 16423—2006 金屬非金屬礦山安全規(guī)程[S].北京：中國標準出版社，2006．

[2] 馬文標，劉明許，徐萬壽，等.點柱式上向分層充填法在大紅山鐵礦的應用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(3)：15-17.

[3] 張加春.中鋼山東礦業(yè)蒼山鐵礦設備管理體系研究[D].西安：西安建筑科技大學，2017.

[4] 傅 貴.礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008．

[5] 王劍波，周 偉，吳冷峻，等.遠程集中控制技術在調節(jié)通風系統(tǒng)風壓平衡中的應用[J].金屬礦山，2015(4)：278-281.

[6] 吳冷峻，宋愛東，周 偉，等.司家營鐵礦南區(qū)2 000萬t/a工程通風系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].金屬礦山，2011(10)：139-143．

[7] 周 偉，吳冷峻，賈安民，等.蒼山鐵礦井下通風技術研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010(11)：86-88．

[8] 吳 超.礦井通風與空氣調節(jié)[M].長沙：中南大學出版社，2008．

[9] 張惠忠.K系列礦用節(jié)能風機技術的發(fā)展與應用[J].國外金屬礦山，1998(3)：66-71．

[10] 陳 君.基于人工神經網絡的礦井通風系統(tǒng)安全可靠性評價[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，34(3)：60-61．

[11] 李潤求，施式亮.礦井通風系統(tǒng)安全評價方法及發(fā)展趨勢[J].中國安全科學學報，2008，18(1)：112-118．

[12] 潘軍義，蔡順塑，董振民，等.梅山鐵礦二期通風系統(tǒng)設計優(yōu)化[J].金屬礦山，2004(4)：69-71．

[13] 楊竹周，李 威，冀 東，等.三山島金礦深井通風降溫治理技術研究[J].金屬礦山，2011(11)：146-149.

[14] 梁 超，扈守全.阜山金礦通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案研究[J].中國礦業(yè)，2013(12)：134-126.

[15] 姚金蕊.馬路坪礦井通風控制新技術的應用研究[D].贛州：江西理工大學，2009.