譚星宇，楊 倩，盛建紅

(1. 長沙礦山研究有限責任公司，長沙 410012；2. 金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，長沙 410012)

我國是一個資源消耗大國，隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的需要與日俱增，很多礦山開始擴產(chǎn)擴能，很多大型礦山開始步入深部開采[1]。大中型地下開采金屬礦山由于開采深度增加和范圍擴大，形成了更為復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，為礦山通風(fēng)帶來了很多復(fù)雜難題，如：礦山多區(qū)域多中段同時開采，采掘作業(yè)面分散，風(fēng)量按需分配困難，有效風(fēng)量率較低；多風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)，風(fēng)機運行效率較低，通風(fēng)系統(tǒng)能耗高；風(fēng)流路線加長，礦井風(fēng)阻增大，其中回風(fēng)段風(fēng)阻增大尤為突出；漏風(fēng)、污風(fēng)串聯(lián)、污風(fēng)循環(huán)、風(fēng)流短路等現(xiàn)象嚴重。因此，根據(jù)礦山實際情況，選擇和構(gòu)建科學(xué)合理的通風(fēng)方式，改善井下作業(yè)環(huán)境，減少安全生產(chǎn)事故具有重要意義。

1 單元通風(fēng)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)宏觀構(gòu)建方案，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為統(tǒng)一通風(fēng)、分區(qū)通風(fēng)和單元通風(fēng)三種類型[2]。單元通風(fēng)由段永祥、王育軍等人提出[3-4]，所謂單元通風(fēng)，是依據(jù)各礦用風(fēng)部分通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和采掘規(guī)劃布局,以工作面為核心，將用風(fēng)部分復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個相對簡單的、相互獨立的、現(xiàn)有手段可以調(diào)控的、分風(fēng)穩(wěn)定性能夠適應(yīng)生產(chǎn)工作面變化的通風(fēng)單元,用風(fēng)機等調(diào)控措施控制風(fēng)流按需分配。單元通風(fēng)以工作面為核心，將復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)單元化后，具有風(fēng)流調(diào)控相對容易、有效風(fēng)量率高和通風(fēng)能耗小等優(yōu)點，且能有效地控制漏風(fēng)和污風(fēng)串聯(lián)。通過近20年的發(fā)展，單元通風(fēng)在國內(nèi)大中型礦山得到了較為廣泛的應(yīng)用，取得了明顯的效益，如：云南大紅山鐵礦[5]、西藏甲瑪多金屬礦[6]和云南大姚銅礦[7]等。

2 多中段開采單元通風(fēng)方式的研究

對于開采極薄(厚度小于0.8 m)或薄礦體(厚度0.8～4 m)的大中型金屬礦山，由于產(chǎn)量的要求，受礦體賦存和目前開采工藝的制約，多采用多中段同時開采，通風(fēng)系統(tǒng)存在風(fēng)流調(diào)控困難，風(fēng)機效率低等問題。本文針對開采極薄礦體或薄礦體且為急傾斜礦體(傾角大于55°)的金屬礦山，運用單元通風(fēng)的原理，提出一種多中段開采單元通風(fēng)的構(gòu)建方式，典型構(gòu)建方式如圖1。礦山通常由進風(fēng)井巷、回風(fēng)井巷和生產(chǎn)中段等組成，如圖1有6個生產(chǎn)中段。

圖1 多中段開采單元通風(fēng)典型構(gòu)建方式圖Fig.1 Typical construction mode of multi-section mining unit ventilation

單元通風(fēng)方式的構(gòu)建：

1)將多個生產(chǎn)中段分成若干通風(fēng)單元，各單元通風(fēng)相對獨立，新鮮風(fēng)由進風(fēng)井進入各單元，單元污風(fēng)回至回風(fēng)井。如圖1將6個生產(chǎn)中段2個通風(fēng)單元，新鮮風(fēng)由進風(fēng)井進入各單元，各單元污風(fēng)通過回風(fēng)井排出地表。單元污風(fēng)直接排至回風(fēng)井巷內(nèi)，可避免單元之間的污風(fēng)串聯(lián)；各通風(fēng)單元共用進風(fēng)和回風(fēng)井巷，相對于分區(qū)通風(fēng)不需設(shè)置獨立的進風(fēng)和回風(fēng)井巷，可減少工程投入。

2)每個通風(fēng)單元可由兩個或兩個以上中段組成，單元內(nèi)安裝一臺單元主扇，負責該單元的通風(fēng)，設(shè)置1條單元回風(fēng)井，負責單元回風(fēng)，通過設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)門、調(diào)節(jié)風(fēng)窗等調(diào)節(jié)設(shè)施調(diào)節(jié)單元內(nèi)各中段的風(fēng)量。如圖1通風(fēng)單元(一)由一、二、三中段組成，安裝一臺單元輔扇，設(shè)置1條單元回風(fēng)井，一、二、三中段污風(fēng)進入單元回風(fēng)井，一、二中段單元主扇側(cè)分別設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)門和調(diào)節(jié)風(fēng)窗。各單元有相互獨立的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，自成體系的通風(fēng)動力和調(diào)控設(shè)施，便于各單元和單元內(nèi)各生產(chǎn)中段的風(fēng)量調(diào)控，單元的風(fēng)量通過單元主扇調(diào)控，單元內(nèi)各生產(chǎn)中段的風(fēng)量通過中段調(diào)節(jié)設(shè)施調(diào)控，可實現(xiàn)風(fēng)量按需分配，從而提高有效風(fēng)量率，降低主扇能耗；相對于在回風(fēng)井安裝主扇，安裝兩臺單元主扇，可減小井下最大負壓，減少系統(tǒng)漏風(fēng)。

此外，上部單元回采結(jié)束時，單元回風(fēng)井與回風(fēng)井巷并行，可利用單元回風(fēng)井作為輔助回風(fēng)井。如圖2，隨著礦山開采的深入，通風(fēng)單元(一)回采結(jié)束后，在單元回風(fēng)天井附近封堵一、二、三中段，掘進天井聯(lián)通三中段與四中段，作為輔助回風(fēng)井。對于進入深部開采的礦山，利用單元回風(fēng)井作為輔助回風(fēng)井，相當于增加回風(fēng)井巷的斷面，利于深部開采通風(fēng)，可大大降低回風(fēng)段的風(fēng)阻。

圖2 利用單元回風(fēng)井作為輔助回風(fēng)井示意圖Fig.2 Schematic diagram of using unit return-air shaft as auxiliary return-air shaft

3 多中段開采單元通風(fēng)方式應(yīng)用

河南某金礦采用平硐+豎井+盲斜井聯(lián)合開拓，目前主要開采ⅣN2-1、ⅣN2、ⅣS和Ⅳ3四個礦體，均為不規(guī)則脈狀礦體，平均傾角65°～70°，平均厚度為3.2～4.2 m。礦圍巖均極不穩(wěn)固，采用下向進路充填法采礦，采場生產(chǎn)能力約為30 t/d。礦山生產(chǎn)能力25萬t/a，日生產(chǎn)任務(wù)為760 t，需22個采場同時作業(yè)才能滿足礦山生產(chǎn)要求。目前有+250 m、+210 m、+170 m、+130 m、+90 m、+50 m和+10 m中段共7個中段，其中+210 m和+170 m中段為殘采中段，+130 m、+90 m、+50 m和+10 m中段為回采中段，共有6個生產(chǎn)中段。

3.1 礦山通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦山采用兩翼對角抽出式通風(fēng)，新鮮風(fēng)由中央主井、副井進入，經(jīng)各中段石門進入生產(chǎn)中段；污風(fēng)回至東、西兩翼回風(fēng)井，再排出地表，通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀圖如圖3。東、西兩翼回風(fēng)井口各安裝一臺主扇，井下共安裝4臺輔扇，主扇、輔扇安裝位置和參數(shù)見表1。

通過通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀測定和分析，主要存在以下問題：

圖3 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀示意圖Fig.3 Schematic current diagram of ventilation system

主、輔扇安裝位置型號電機功率/kW東翼主扇東翼回風(fēng)井口K45-4-No1030西翼主扇西翼回風(fēng)井口K45-4-No1030130 m中段東翼輔扇130 m中段東翼K45-4-No1030130 m中段西翼輔扇130 m中段西翼K45-4-No103010 m中段東翼輔扇10 m中段東翼K40-4-No101510 m中段西翼輔扇10 m中段西翼K40-4-No910

1)主、輔扇串聯(lián)作業(yè)，聯(lián)合作業(yè)方式不合理，風(fēng)機運行效率低。東、西翼主扇分別與+130 m中段東、西翼輔扇串聯(lián)，型號相同，東、西翼主扇分別負責礦山東、西翼回風(fēng)，+130 m中段東、西翼輔扇分別負責+130 m中段及以下東、西翼回風(fēng)，主扇與輔扇通過風(fēng)量不同，必然有兩臺風(fēng)機工作效率低。通過實測：東翼主扇、西翼主扇、+130 m中段東翼輔扇和+130 m中段西翼輔扇效率分別為62.5%、68.2%、41.7%和46.4%，輔扇運行效率低。

2)礦山總風(fēng)量不足。經(jīng)計算礦山總需風(fēng)量為59.04 m3/s，主、副井總進風(fēng)量為34.63 m3/s，較總需風(fēng)量少24.41 m3/s，不能滿足生產(chǎn)需要。

3)各生產(chǎn)中段風(fēng)量分配不合理。+210 m、+130 m和+10 m中段進風(fēng)量分別為9.49 m3/s、10.97 m3/s和8.84 m3/s，占各中段總進風(fēng)量的84.6%；+170 m、+90 m、+50 m中段進風(fēng)量分別為2.23 m3/s、4.78 m3/s和0 m3/s，這部分中段布置有較多采掘作業(yè)面，中段風(fēng)量不足。

4)風(fēng)流反向、污風(fēng)串聯(lián)。+170 m、+50 m中段東翼回風(fēng)側(cè)和+170 m西翼回風(fēng)側(cè)風(fēng)量反向，風(fēng)流從東、西翼回風(fēng)天井進入中段運輸巷，污風(fēng)重新進入+170 m、+50 m中段采場，重復(fù)使用。

已探明礦山+10 m以下賦存資源較好，將繼續(xù)深入開采。由于礦山通風(fēng)系統(tǒng)存在以上主要問題，制約礦山目前的生產(chǎn)和深部開采，需對通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

3.2 基于單元通風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)改造

1)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案

根據(jù)礦山目前開拓系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，運用前文所述單元通風(fēng)方式構(gòu)建原理，提出該金礦多中段開采單元通風(fēng)優(yōu)化改造方案，優(yōu)化改造方案示意圖如圖4。全礦由主井、副井進風(fēng)，東、西兩翼回風(fēng)井回風(fēng)；井下生產(chǎn)區(qū)域設(shè)置4個通風(fēng)單元(分別為：250～130 m東翼單元、250～130 m西翼單元、90～10 m東翼單元、90～10 m西翼單元)，各安裝一臺單元主扇，負責該單元的通風(fēng)。各單元分別設(shè)置單元回風(fēng)井(分別為：250～130 m東翼單元回風(fēng)井、250～130 m西翼單元回風(fēng)井、90～10 m東翼單元回風(fēng)井、90～10 m西翼單元回風(fēng)井)，負責單元回風(fēng)；單元內(nèi)各中段設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)門或調(diào)節(jié)風(fēng)窗，負責調(diào)節(jié)單元內(nèi)中段風(fēng)量。此方案以生產(chǎn)中段和工作面為核心設(shè)置通風(fēng)單元，單元主扇并聯(lián)作業(yè)，風(fēng)量按需調(diào)節(jié)靈活。今后礦山開采深度增加，上部250～130 m東、西翼單元回采結(jié)束時，可利用250～130 m東、西翼單元回風(fēng)井作為輔助回風(fēng)井，降低回風(fēng)段的風(fēng)阻，利于深部開采通風(fēng)。

圖4 單元通風(fēng)優(yōu)化改造方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of unit ventilation optimization plan

2)需風(fēng)量計算和風(fēng)量分配

通過計算，回采作業(yè)面的需風(fēng)量為1.38 m3/s，備采作業(yè)面的需風(fēng)量為0.69 m3/s，掘進作業(yè)面的需風(fēng)量為1.15 m3/s。礦山回采作業(yè)面26個，備采作業(yè)面6個，掘進作業(yè)面8個，各中段采掘作業(yè)面的分布和需風(fēng)量如表2，全礦總需風(fēng)量為59.06 m3/s。250～130 m東、西翼單元需風(fēng)量均為13.52 m3/s，90～10 m東、西翼單元需風(fēng)量均為16.01 m3/s。

3)單元主扇選型

通過風(fēng)量分配結(jié)果，計算各單元主扇應(yīng)提供的風(fēng)量和風(fēng)壓，根據(jù)計算結(jié)果選擇單元主扇。如表3為選型結(jié)果表，由選型結(jié)果可知，通風(fēng)系統(tǒng)改造后風(fēng)機總裝機功率為120 kW，改造前風(fēng)機總裝機功率為145 kW，改造后通風(fēng)系統(tǒng)能耗將降低。

3.3 數(shù)值模擬與分析

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造設(shè)計，運用AutoCAD和Ventsim軟件建立通風(fēng)系統(tǒng)三維模型，然后運用Ventsim對改造后通風(fēng)系統(tǒng)進行仿真模擬和分析。Ventsim軟件風(fēng)流模擬采用Hardy—cross法進行風(fēng)網(wǎng)解算(回路法)，根據(jù)三維模型屬性數(shù)據(jù)、風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律、風(fēng)阻定律來建立數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過多次迭代至收斂，得出解算結(jié)果[8-9]。表4為該礦山單元主扇模擬運行情況和主要通風(fēng)井巷的模擬風(fēng)速和風(fēng)量。

表2 需風(fēng)量計算結(jié)果表

表3 單元主扇選型表

表4 通風(fēng)系統(tǒng)模擬結(jié)果

由模擬結(jié)果可知：

1)主井、副井的總進風(fēng)量為62.89 m3/s，礦山總需風(fēng)量為59.06 m3/s，系統(tǒng)總進風(fēng)量滿足生產(chǎn)需要。

2)250～130 m東、西翼單元風(fēng)量分別為13.71 m3/s、13.75 m3/s，90～10 m東、西翼單元風(fēng)量分別為16.58 m3/s、16.81 m3/s，能滿足各單元的生產(chǎn)要求，各單元和中段風(fēng)量實現(xiàn)了按需分配。

3)各單元主扇運行效率較高，均大于75%，風(fēng)機運行工況合理。

4 結(jié)論

1)分析目前礦山多中段同時開采通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問題，運用單元通風(fēng)的原理，提出了一種多中段開采的單元通風(fēng)方式，適用于開采急傾斜極薄或薄礦體的金屬礦山。

2)將多中段開采單元通風(fēng)方式應(yīng)用于河南某金礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造，根據(jù)礦山開拓系統(tǒng)布置，設(shè)置了4個通風(fēng)單元，解決了目前通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問題，實現(xiàn)了各生產(chǎn)中段風(fēng)量按需分配，降低了通風(fēng)能耗。