胡樹軍連歡超張明峰吳冷峻周 偉

（1.河鋼礦業(yè)集團(tuán)有限公司；2.河鋼集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司;4.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦床位于透水性強(qiáng)的奧陶紀(jì)灰?guī)r分布范圍內(nèi)，礦山周圍被小煤礦包圍，水文地質(zhì)條件復(fù)雜、礦坑涌水量較大。礦山設(shè)計(jì)采用地下開采，空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú傻V，生產(chǎn)鐵礦石200萬t/a。通風(fēng)采用中央副井進(jìn)風(fēng)，南北兩翼回風(fēng)井回風(fēng)的對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮風(fēng)流由副井、中段平巷、天井等進(jìn)入井下各工作面，清洗工作面后的污風(fēng)通過4條采區(qū)回風(fēng)天井和-110 m水平回風(fēng)巷及南北回風(fēng)井排出地表［1-2］。中關(guān)鐵礦于2010年開始基建，2020年試運(yùn)行，在建設(shè)和試運(yùn)行過程中，存在采區(qū)回風(fēng)天井變更、溜破系統(tǒng)通風(fēng)不完善、主風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率未理論計(jì)算等導(dǎo)致礦井總風(fēng)量不足，溜破系統(tǒng)通風(fēng)效果不佳以及回風(fēng)機(jī)站并聯(lián)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)不合理等問題。為此，對(duì)該礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整技術(shù)研究與實(shí)踐［3］，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 礦山概況

中關(guān)鐵礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模200萬t/a，采用豎井+采區(qū)斜坡道聯(lián)合開拓，根據(jù)礦體賦存和地下水帷幕注漿條件，沿礦體走向分區(qū)開采，先開采南區(qū)，后開采北區(qū)。南區(qū)礦體分期開采，一期開采-350 m以上的礦體，二期開采-350 m以下的礦體；一期生產(chǎn)中段劃分為-230 m以上和-230～-350 m2個(gè)區(qū)段，先采-230 m以上區(qū)段，后采-230～-350 m區(qū)段；區(qū)段內(nèi)生產(chǎn)中段自下而上開采，一期生產(chǎn)中段總體開采順序?yàn)?230 m→-170 m→-110 m→-350 m→-290 m。

開拓工程：①主井凈直徑5.2 m，井口標(biāo)高+222.5 m，井底標(biāo)高-488 m，井深710.5 m，井下設(shè)礦石溜破裝載系統(tǒng)；②副井凈直徑7.0 m，井口標(biāo)高+222.5 m，井底標(biāo)高-436.3 m，井深659.8 m，副井在-409 m與破碎機(jī)硐室相通；③南北兩端分別布置南北回風(fēng)井，井筒凈直徑均為4.0 m，北風(fēng)井井口標(biāo)高+222 m，井筒向下分段延深，上段井底標(biāo)高-258.8 m，井深480.8 m，上段井筒在基建期施工，下段在生產(chǎn)期施工，井底標(biāo)高-380 m，需延深120 m。南風(fēng)井（前期）井口標(biāo)高+238 m，基建期施工至-241.7 m水平，井深479.7 m，生產(chǎn)期根據(jù)需要向下延深至-290 m；后期開鑿的南風(fēng)井井口標(biāo)高+234 m，井底標(biāo)高-110 m，井深344 m，在-110 m水平通過回風(fēng)平巷與前期開鑿的南風(fēng)井相通；④采區(qū)斜坡道從-170 m水平施工至-245 m水平，總長625 m，并與-170～-245 m各分段連通。

采礦方法：采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，中段高60 m，分段高15 m，礦塊寬18 m，礦塊長≤50 m，礦塊長為礦體厚。采用房柱采礦嗣后充填采礦方法，礦塊沿礦體走向布置，礦塊寬36 m，礦塊高15～25 m，礦塊長≤50 m。

2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及建設(shè)運(yùn)行過程中的問題

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

中關(guān)鐵礦設(shè)計(jì)采用兩翼對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮風(fēng)流由副井、中段平巷、天井等進(jìn)入井下各工作面，清洗工作面后的污風(fēng)通過采區(qū)回風(fēng)天井、回風(fēng)巷道、兩翼風(fēng)井排出地表。出礦巷道、穿孔鑿巖和巷道掘進(jìn)工作面為獨(dú)頭作業(yè)，采用JK58-1No4型局扇輔助通風(fēng)，污風(fēng)經(jīng)通風(fēng)天井排至上部回風(fēng)巷。井下破碎機(jī)硐室、皮帶道、粉礦回收巷、水泵硐室、變電硐室、炸藥庫等亦采用局扇和輔扇輔助通風(fēng)，由端部回風(fēng)天井排至-110 m回風(fēng)巷。

系統(tǒng)回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)設(shè)在井下靠近南、北風(fēng)井的回風(fēng)巷道中，地表集中控制。設(shè)計(jì)總風(fēng)量為249.26 m3/s。初期-230 m中段生產(chǎn)時(shí)北風(fēng)井通風(fēng)阻力為2 528.70 Pa，南風(fēng)井通風(fēng)阻力為2 243.99 Pa；后期-350 m中段生產(chǎn)時(shí)北風(fēng)井通風(fēng)阻力為2 856.09 Pa，南風(fēng)井通風(fēng)阻力為2 659.32 Pa。南北回風(fēng)井各選用2臺(tái)DK45-6-№19型軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)安裝。選用34臺(tái)JK58-1No.4和7臺(tái)JK58-2No.4型局扇輔助通風(fēng)。

2.2 建設(shè)和運(yùn)行過程中存在的問題

礦山于2020年9月建成并試投產(chǎn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查檢測(cè)、設(shè)計(jì)資料分析及通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀檢測(cè)結(jié)果分析，通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題有：

（1）南、北風(fēng)機(jī)站間及站內(nèi)并聯(lián)安裝的對(duì)旋風(fēng)機(jī)工況不合理。試運(yùn)行時(shí)，南北回風(fēng)井機(jī)站間及各自機(jī)站內(nèi)的對(duì)旋風(fēng)機(jī)共計(jì)有8臺(tái)同型號(hào)200 kW電機(jī)，其運(yùn)行頻率未經(jīng)理論計(jì)算，均不一致，性能不匹配、不合理，需要重新計(jì)算調(diào)整，在保證礦井總風(fēng)量滿足需求的前提下協(xié)調(diào)合理運(yùn)行。

（2）采區(qū)通風(fēng)天井?dāng)?shù)量變少，需重新核算采區(qū)通風(fēng)能力。該礦在基建過程中，對(duì)開拓通風(fēng)系統(tǒng)井巷工程進(jìn)行了部分變更，原設(shè)計(jì)-110～-245 m中段的5#、6#、7#、8#通風(fēng)天井中，7#、8#通風(fēng)天井施工完成，5#通風(fēng)天井施工了-170～-245 m段，6#通風(fēng)天井施工了-110～-170 m段，相當(dāng)于減少了一條通風(fēng)天井，礦井通風(fēng)網(wǎng)路結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，需要重新核算通風(fēng)能力。

（3）溜破系統(tǒng)回風(fēng)回路不順，通風(fēng)效果有待改善。設(shè)計(jì)溜破系統(tǒng)新風(fēng)從電梯井進(jìn)入，沖洗溜破系統(tǒng)各水平后，污風(fēng)從-488～-110 m人行回風(fēng)天井回至北風(fēng)井回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷道，實(shí)際該人行回風(fēng)天井在-260 m水平形成了倒段，且北風(fēng)井-260 m石門巷道密閉不嚴(yán)，導(dǎo)致溜破系統(tǒng)回風(fēng)效果差。

（4）-170 m炸藥庫通風(fēng)問題。井下炸藥庫位于-170 m水平南翼，沒有通上部-110 m回風(fēng)水平的回風(fēng)天井，雖然-170 m本水平與南風(fēng)井貫通，但其回風(fēng)受到上部-110 m南回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)出口正壓抑制。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整方案

（1）優(yōu)化調(diào)整技術(shù)路線。為解決中關(guān)鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，保障礦山正常安全生產(chǎn)，并滿足設(shè)計(jì)、安全驗(yàn)收要求，公司專業(yè)技術(shù)人員與中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司專業(yè)人員對(duì)上述通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了研究，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、實(shí)測(cè)，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行核定、分析與評(píng)價(jià)，運(yùn)用通風(fēng)系統(tǒng)三維動(dòng)態(tài)模擬、通風(fēng)網(wǎng)路優(yōu)化、風(fēng)量合理分配與調(diào)控及多風(fēng)機(jī)工況協(xié)同調(diào)控等綜合技術(shù)研究［3-5］，從系統(tǒng)的角度提出通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)改造方案和具體措施，改善礦井通風(fēng)效果，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到安全可靠、高效節(jié)能的工作狀態(tài)。

（2）機(jī)站風(fēng)機(jī)性能評(píng)定及頻率協(xié)同優(yōu)化。南北回風(fēng)井均選用2臺(tái)FBCDZ-6-№19型軸流對(duì)旋風(fēng)機(jī)，分2條回風(fēng)機(jī)站巷并聯(lián)安裝，葉片角度45°/40°，變頻調(diào)控。在機(jī)站建成后試運(yùn)行時(shí)，2個(gè)機(jī)站4臺(tái)風(fēng)機(jī)8臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行頻率從25 Hz到35 Hz，均不相同，機(jī)站風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況不匹配，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率偏低。為解決該問題，對(duì)南、北風(fēng)井機(jī)站風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行了理論計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，確定8臺(tái)電機(jī)運(yùn)行頻率均為30 Hz左右，可使其運(yùn)行工況協(xié)同匹配，保證通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定可控、經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行［6-8］。

（3）礦井總風(fēng)量及采區(qū)通風(fēng)能力校核。通過核算，確認(rèn)設(shè)計(jì)的礦井總風(fēng)量249.26 m3/s，其中采區(qū)和運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)量225.60 m3/s。原設(shè)計(jì)有4條采區(qū)回風(fēng)天井，直徑均為3 m，由于施工過程遇到的地質(zhì)斷層問題，實(shí)際完成了3條采區(qū)回風(fēng)井。經(jīng)回風(fēng)能力驗(yàn)算，3條采區(qū)回風(fēng)天井亦能滿足采區(qū)通風(fēng)要求。

（4）溜破系統(tǒng)通風(fēng)調(diào)整完善。針對(duì)溜破系統(tǒng)回風(fēng)風(fēng)路曲折及通風(fēng)量不足的問題，通過分析研究，采取以下措施理順溜破系統(tǒng)風(fēng)路、完善系統(tǒng)、保證溜破系統(tǒng)通風(fēng)除塵效果。①在-260 m溜破回風(fēng)倒段聯(lián)巷增設(shè)1臺(tái)K40-6№14/30kW型輔扇，確保溜破系統(tǒng)回風(fēng)量；②加強(qiáng)-260 m水平北風(fēng)井底石門巷密閉，避免污風(fēng)循環(huán)；③-260 m溜破系統(tǒng)倒段回風(fēng)聯(lián)巷與副井石門巷之間設(shè)置風(fēng)門，并留風(fēng)窗。

（5）-170 m南翼炸藥庫通風(fēng)。由于該炸藥庫沒有通上部-110 m回風(fēng)水平的回風(fēng)天井，根據(jù)已實(shí)施工程，在-170 m炸藥庫通南風(fēng)井的回風(fēng)聯(lián)巷設(shè)置1臺(tái)JK58-2No.4/11kW型局扇，接直徑0.6 m硬質(zhì)阻燃風(fēng)筒送入南風(fēng)井，風(fēng)筒出口高出-110 m回風(fēng)巷5 m。

（6）通風(fēng)優(yōu)化方案模擬解算。通過建立通風(fēng)網(wǎng)路模型，利用多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)路解算軟件，輸入網(wǎng)路分支節(jié)點(diǎn)參數(shù)、井巷風(fēng)阻參數(shù)、機(jī)站通風(fēng)參數(shù)、風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)通風(fēng)要求，-170 m炸藥庫回風(fēng)路線變通到-110 m南回風(fēng)井進(jìn)風(fēng)側(cè)巷道。對(duì)調(diào)整的通風(fēng)系統(tǒng)方案進(jìn)行模擬解算，風(fēng)量和風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況解算結(jié)果見表1、表2。

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根據(jù)通風(fēng)優(yōu)化調(diào)整方案網(wǎng)路解算結(jié)果，礦井總風(fēng)量達(dá)267.57 m3/s，滿足總風(fēng)量設(shè)計(jì)要求。其中，-110 m北風(fēng)井回風(fēng)機(jī)站風(fēng)量為138.67 m3/s（2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的對(duì)旋風(fēng)機(jī)葉片角度均為最大值45°/40°，運(yùn)行頻率30 Hz），南風(fēng)井回風(fēng)機(jī)站風(fēng)量為128.90 m3/s（2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的對(duì)旋風(fēng)機(jī)葉片角度也為最大值45°/40°，運(yùn)行頻率30 Hz）；溜破系統(tǒng)回風(fēng)量31.82 m3/s；炸藥庫回風(fēng)量8.03 m3/s。

（7）優(yōu)化調(diào)整方案實(shí)施效果。中關(guān)鐵礦按照優(yōu)化方案對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整完善后，試運(yùn)行期間對(duì)南北回風(fēng)井-110 m水平回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)進(jìn)行了協(xié)同調(diào)試，并對(duì)調(diào)整效果進(jìn)行了檢測(cè)，根據(jù)表3數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率均調(diào)整為30 Hz左右，礦井總風(fēng)量287.4 m3/s，南北回風(fēng)機(jī)站4臺(tái)風(fēng)機(jī)協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)機(jī)性能基本一致，實(shí)耗功率747.66 kW，4臺(tái)風(fēng)機(jī)平均運(yùn)行效率80.23%。各水平風(fēng)量基本與設(shè)計(jì)一致，溜破系統(tǒng)回風(fēng)量30.24 m3/s，炸藥庫回風(fēng)量4.95 m3/s。結(jié)果見表3。

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4 結(jié)論

（1）中關(guān)鐵礦采用兩翼對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮風(fēng)流由副井進(jìn)入井下，南北兩翼回風(fēng)井排出地表。建設(shè)及試運(yùn)行過程中存在機(jī)站風(fēng)機(jī)工況不合理、采區(qū)通風(fēng)天井?dāng)?shù)量變少、溜破系統(tǒng)回風(fēng)回路不順和-170 m炸藥庫通風(fēng)受阻等問題。

（2）從系統(tǒng)的角度，提出了協(xié)同優(yōu)化南北回風(fēng)井8臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率（統(tǒng)一至30 Hz左右）、校核礦井總風(fēng)量及采區(qū)通風(fēng)能力、調(diào)整完善溜破系統(tǒng)的通風(fēng)、增強(qiáng)-170 m炸藥庫局扇通風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)改造調(diào)整方案，并經(jīng)過了網(wǎng)路解算驗(yàn)證。

（3）優(yōu)化調(diào)整實(shí)施后，礦井總風(fēng)量達(dá)到267.57 m3/s，滿足設(shè)計(jì)要求（249.26 m3/s），南北回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)運(yùn)行平衡，實(shí)耗功率747.66 kW，4臺(tái)風(fēng)機(jī)平均運(yùn)行效率80.23%，采區(qū)風(fēng)量分配合理，溜破系統(tǒng)和炸藥庫通風(fēng)效果符合安全規(guī)程要求，通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。