程 力 劉興全 張皓欽 尹延天

(山東黃金集團(tuán)有限公司深井開采實驗室)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是保證地下金屬礦床安全高效開采的重要環(huán)節(jié)，也是礦山工人職業(yè)健康的基礎(chǔ)保障[1-2]。通過對通風(fēng)系統(tǒng)的綜合評價，了解礦山安全生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，提出相關(guān)治理改善措施，從而有效預(yù)防和遏制安全事故的發(fā)生。三山島金礦是我國第一個地下開采的濱海礦床硬巖礦山，礦山下設(shè)西山、新立、平里店3個礦區(qū)。當(dāng)前西山礦區(qū)已開拓至-960 m水平，在開采過程中F3斷層伴有水溫達(dá)42 ℃的涌水點。同時，隨著開采深度、采掘總量及深部機(jī)械化作業(yè)水平提升導(dǎo)致的機(jī)械設(shè)備散熱增加，井下作業(yè)環(huán)境更加惡劣。相關(guān)通風(fēng)技術(shù)人員多次對井下通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實測，檢測到個別局部獨頭掘進(jìn)作業(yè)面溫度達(dá)40 ℃，相對濕度為100%，礦山深部高溫高濕熱害日益凸顯。本研究通過對三山島金礦西山礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，確保礦井安全生產(chǎn)[3]。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

西山礦區(qū)采用豎井+斜坡道開拓系統(tǒng)，主要采用上向進(jìn)路充填采礦法和上向水平分層充填采礦法。礦區(qū)現(xiàn)階段采用主混合井、主斜坡道、進(jìn)風(fēng)井、輔助斜坡道進(jìn)風(fēng)，南、北兩翼回風(fēng)井回風(fēng)的通風(fēng)方式。礦區(qū)南風(fēng)井-330 m水平回風(fēng)機(jī)站設(shè)置1臺DK46(CII)-8-№28風(fēng)機(jī)，機(jī)站回風(fēng)量為233.15 m3/s。北風(fēng)井-150 m水平回風(fēng)機(jī)站設(shè)置1臺DK46(CII)-8-№28對旋風(fēng)機(jī)(主扇)，機(jī)站回風(fēng)量為190 m3/s。

相關(guān)技術(shù)管理人員多次對礦山井下主要作業(yè)區(qū)域的通風(fēng)情況進(jìn)行了全面檢測。經(jīng)現(xiàn)場勘查和分析，西山礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)存在以下幾個問題。

(1)通風(fēng)系統(tǒng)可靠性較差，總風(fēng)量不足，各作業(yè)區(qū)域風(fēng)量分配不合理。

(2)回風(fēng)系統(tǒng)工程欠缺。南翼南風(fēng)井及老南風(fēng)井(倒段風(fēng)井)承擔(dān)深部總回風(fēng)，-600～-780 m水平回風(fēng)井凈斷面為23.63 m2，與-600 m水平以上回風(fēng)斷面(32.55 m2)及-780 m水平以下回風(fēng)斷面(32 m2)匹配性較差，出現(xiàn)卡脖現(xiàn)象，導(dǎo)致南翼回風(fēng)系統(tǒng)阻力偏大。

(3)南翼-780 m水平接力回風(fēng)風(fēng)機(jī)性能下降明顯，深部回風(fēng)量(90 m3/s)明顯不足，導(dǎo)致深部井下作業(yè)環(huán)境溫度、濕度偏高。

由于上述問題的存在，導(dǎo)致該礦井下通風(fēng)效果較差，不符合《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)要求[4]。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控

2.1 優(yōu)化思路

西山礦區(qū)作為三山島金礦當(dāng)前主要生產(chǎn)礦區(qū)，為本次通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的重點。為此，需要對系統(tǒng)總風(fēng)量、通風(fēng)方式、機(jī)站設(shè)置、風(fēng)機(jī)選型、采區(qū)各中段風(fēng)量合理分配和調(diào)控等內(nèi)容進(jìn)行改造研究[5-6]。首先，核定西山礦區(qū)總風(fēng)量，在此基礎(chǔ)上提出符合井下生產(chǎn)實際的通風(fēng)方式。其次，通過機(jī)站優(yōu)化、新掘通風(fēng)井巷工程及設(shè)置合理的通風(fēng)構(gòu)筑物，解決礦區(qū)風(fēng)量不足以及風(fēng)量分配不合理等問題。最后利用三維通風(fēng)動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)對該礦通風(fēng)系統(tǒng)改造方案進(jìn)行模擬解算，對方案進(jìn)行修改和比較，使其更加符合現(xiàn)場實際。

2.2 總風(fēng)量核定

礦山所需要的總風(fēng)量為各工作面所需風(fēng)量與需要獨立通風(fēng)的硐室所需風(fēng)量之和，礦井總風(fēng)量一般按排塵風(fēng)速計算[7]，即

Q=vS，

(1)

式中，Q為作業(yè)工作面所需風(fēng)量，m3/s;v為作業(yè)工作面要求的排塵風(fēng)速，0.15～0.5 m/s;S為采場作業(yè)地點的過風(fēng)斷面，m2。

參照礦區(qū)采掘生產(chǎn)計劃，按排塵風(fēng)速計算每個工作面所需的的風(fēng)量，計算出總風(fēng)量為420.2 m3/s，其中深部-780 m水平以下風(fēng)量為337.22 m3/s。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)回風(fēng)方式

結(jié)合西山礦區(qū)深部開拓工程的布置，西山礦區(qū)未來幾年仍將承擔(dān)約6 000 t/d的生產(chǎn)任務(wù)，因此，礦井通風(fēng)系統(tǒng)總體上采用南、北兩翼分區(qū)通風(fēng)方式，形成主輔扇聯(lián)合抽出式分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)。

南翼通風(fēng)方式為盲豎井(斷面積為23.75 m2)、1620線管纜井(斷面積為11.95 m2)主要進(jìn)風(fēng)、斜坡道輔助進(jìn)風(fēng)，南風(fēng)井、老南風(fēng)井(倒段)及新掘回風(fēng)井回風(fēng)。新掘回風(fēng)井工程為-600～-870 m水平回風(fēng)井，承擔(dān)-870 m水平及未來-1 140 m水平回風(fēng)。

北翼通風(fēng)方式為1860線管纜井主要進(jìn)風(fēng)、斜坡道輔助進(jìn)風(fēng)，北翼倒段風(fēng)井回風(fēng)。

主斜坡道通風(fēng)方式為上部新鮮風(fēng)從-600 m水平補(bǔ)充進(jìn)入，下部新鮮風(fēng)從-960 m盲豎井補(bǔ)充進(jìn)入，污風(fēng)從-720、-955 m水平分段斜坡道聯(lián)巷進(jìn)入原南風(fēng)井回風(fēng)系統(tǒng)。

2.4 機(jī)站優(yōu)化設(shè)置

2.4.1 主回風(fēng)機(jī)站優(yōu)化

由于現(xiàn)有南翼-330 m水平主回風(fēng)機(jī)站回風(fēng)量僅為233 m3/s，達(dá)不到設(shè)計要求(約330 m3/s)，因此，擬在-330 m水平現(xiàn)有回風(fēng)機(jī)站巷道北側(cè)回風(fēng)巷設(shè)一回風(fēng)機(jī)站，與現(xiàn)有機(jī)站形成并聯(lián)通風(fēng)方式。

北翼通風(fēng)系統(tǒng)-150 m水平主回風(fēng)機(jī)站位置及型號不變，前期仍運行1臺DK46(CII)-8-№28對旋風(fēng)機(jī)(主扇)，電機(jī)功率2×400 kW，變頻控制。后續(xù)待南翼通風(fēng)系統(tǒng)改造完成后與西嶺礦山通風(fēng)設(shè)計統(tǒng)籌部署，機(jī)站設(shè)置及風(fēng)機(jī)重新設(shè)計。

2.4.2 接力回風(fēng)機(jī)站優(yōu)化

(1)南翼接力回風(fēng)機(jī)站。由于原南翼-780 m水平主接力回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)性能下降，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，接力主扇位置調(diào)整至-795 m水平，承擔(dān)南翼深部回風(fēng)。

(2)北翼接力回風(fēng)機(jī)站。北翼深部新增接力主扇設(shè)在-645 m水平回風(fēng)井聯(lián)巷。

2.4.3 輔助通風(fēng)機(jī)站

南翼主要生產(chǎn)區(qū)域，前期擬在-870～-915 m水平回風(fēng)井及-870 m水平聯(lián)巷設(shè)二級接力回風(fēng)輔扇，調(diào)控-915、-960 m水平回風(fēng)量；后期擬在礦體南翼新掘-870～-960 m回風(fēng)井工程，-870、-915及-960 m水平回風(fēng)側(cè)均設(shè)回風(fēng)輔扇。風(fēng)機(jī)優(yōu)選，變頻控制。

北翼主要生產(chǎn)區(qū)域，擬在-690、-735 m水平回風(fēng)側(cè)設(shè)回風(fēng)輔扇，調(diào)控各水平回風(fēng)量，風(fēng)機(jī)優(yōu)選，變頻控制。

2.5 新增通風(fēng)井巷工程

(1)-600 m至-870 m水平回風(fēng)井工程。由于南翼-600～-780 m水平回風(fēng)井?dāng)嗝娣e為23.63 m2，與-600 m水平以上南翼回風(fēng)井?dāng)嗝娣e(32.55 m2)不匹配，因此，擬在老南風(fēng)井附近新掘凈斷面為15～20 m2的回風(fēng)井，改善南翼深部通風(fēng)條件。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，可選擇將-600～-615 m水平1340線回風(fēng)井(2 m×2 m)擴(kuò)刷，并將該井倒段延深至-870 m水平。

(2)-870 m水平南風(fēng)井回風(fēng)巷工程。由于-780～-825 m回風(fēng)工程為斜井，斷面積為10.96 m2，與南翼-600～-780 m水平回風(fēng)井?dāng)嗝娣e(23.63 m2)不匹配，因此建議在南端新掘-870 m水平南風(fēng)井回風(fēng)巷工程(斷面規(guī)格為3.6 m×3.6 m)與南盲回風(fēng)井(斷面積為23.76 m2)貫通銜接，目前該回風(fēng)巷已施工完成。

2.6 通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置

通風(fēng)構(gòu)筑物是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的3大組成部分之一，構(gòu)筑物的數(shù)量與質(zhì)量對井下生產(chǎn)、安全有直接影響，通過設(shè)置風(fēng)門、風(fēng)墻等對風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保井下通風(fēng)效果。通過現(xiàn)場調(diào)查與分析，西山礦區(qū)通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置見表1。

表1 通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案網(wǎng)絡(luò)解算

通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案基本確定后，需建立三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用三維通風(fēng)軟件Ventsim對方案進(jìn)行系統(tǒng)通風(fēng)動態(tài)仿真模擬解算[8-10]，根據(jù)結(jié)果對方案進(jìn)行調(diào)整修改使最終確定的實施方案達(dá)到預(yù)期效果。

針對優(yōu)化方案所設(shè)置的通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)機(jī)站，將風(fēng)機(jī)型號帶入創(chuàng)建的三維通風(fēng)模型進(jìn)行動態(tài)仿真模擬，風(fēng)機(jī)優(yōu)選方案計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果見表2。

表2 主要風(fēng)機(jī)優(yōu)選方案網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

風(fēng)機(jī)優(yōu)選方案通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)模擬解算結(jié)果見表3。

表3 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

方案實施后，西山礦區(qū)礦井總風(fēng)量為666.78 m3/s(含西嶺礦區(qū)南翼回風(fēng)量)，較現(xiàn)有風(fēng)量提高240 m3/s。南翼深部回風(fēng)量為294.78 m3/s，較現(xiàn)有風(fēng)量提高150 m3/s。北翼深部回風(fēng)量為91.12 m3/s，較優(yōu)化之前風(fēng)量提高50 m3/s。經(jīng)輔扇調(diào)節(jié)后，各水平風(fēng)量合理分配，采掘工程按需通風(fēng)，井下作業(yè)環(huán)境得到明顯改善。

4 結(jié) 語

針對三山島金礦西山礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合礦山實際情況，計算了西山礦區(qū)所需風(fēng)量，通過在南翼-330 m水平主回風(fēng)機(jī)站并聯(lián)運行2臺DK46(CII)-8-№28風(fēng)機(jī)、調(diào)整南翼接力回風(fēng)機(jī)站位置、新掘通風(fēng)井巷工程及設(shè)置合理的通風(fēng)構(gòu)筑物等措施，經(jīng)三維通風(fēng)軟件模擬解算，確定了最優(yōu)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案。優(yōu)化后系統(tǒng)總風(fēng)量提高至666.78 m3/s，機(jī)站風(fēng)機(jī)效率達(dá)到80.8%，可有效解決該礦井下通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量不足以及通風(fēng)阻力過大等問題。