白 偉

（蕪湖和成礦業(yè)發(fā)展有限公司）

通風(fēng)作為井下安全可持續(xù)生產(chǎn)的輔助保障系統(tǒng)，承擔(dān)起補(bǔ)充新風(fēng)、置換污風(fēng)的任務(wù)［1-2］。礦井專(zhuān)用進(jìn)、回風(fēng)井巷一般形成于礦井基建時(shí)期，最初服務(wù)于礦井基建時(shí)期開(kāi)拓作業(yè)［3-4］。隨著基建結(jié)束，礦井通風(fēng)開(kāi)始服務(wù)于生產(chǎn)系統(tǒng)［5］。礦山生產(chǎn)初期，通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷小，但隨著多中段多工作面的鋪展，通風(fēng)并聯(lián)、角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成，出現(xiàn)了局部風(fēng)流紊亂、風(fēng)流短路、污風(fēng)串聯(lián)等現(xiàn)象［6-9］。

本研究總結(jié)了國(guó)內(nèi)金屬非金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題，分析其誘發(fā)原因，并從礦井總風(fēng)量核算、通風(fēng)方式、網(wǎng)絡(luò)解算及風(fēng)機(jī)選型解算四方面給出一套礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究方案，為礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

提供依據(jù)。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題

金屬非金屬礦山初期生產(chǎn)中段少，作業(yè)面集中，通風(fēng)容易。隨著生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，同時(shí)生產(chǎn)的中段增多，作業(yè)面較為分散，部分井巷功能調(diào)整，致使通風(fēng)系統(tǒng)難以覆蓋全礦用風(fēng)地點(diǎn)，出現(xiàn)以下問(wèn)題。

（1）井巷風(fēng)流流向與設(shè)計(jì)不符。礦石賦存條件、工程地質(zhì)條件、掘進(jìn)施工技術(shù)、井下涌水、生產(chǎn)開(kāi)采技術(shù)等因素變化，影響原設(shè)計(jì)井巷進(jìn)風(fēng)或回風(fēng)作用功能，風(fēng)流流動(dòng)與設(shè)計(jì)不符。

造成井巷風(fēng)流與設(shè)計(jì)不符的原因主要有3種：①地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的井巷工程無(wú)法開(kāi)拓或已形成的井巷工程無(wú)法使用，例如水淹井巷、巖石破碎帶處無(wú)法成巷等；②開(kāi)拓系統(tǒng)發(fā)生改變，井巷掘進(jìn)過(guò)程中，局部巖石破碎，成井成巷難度大或井巷設(shè)計(jì)規(guī)格達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，通風(fēng)時(shí)易造成局部風(fēng)速超出規(guī)定限制；③礦井用風(fēng)地點(diǎn)分散，通風(fēng)機(jī)站和通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置不合理，井下風(fēng)壓分配不合理，風(fēng)流紊亂。

（2）礦山基建期、過(guò)渡期局部通風(fēng)困難。多數(shù)鐵礦井下礦石賦存集中，儲(chǔ)量大，計(jì)劃開(kāi)采年限達(dá)30 a之久，礦井基建和開(kāi)采設(shè)計(jì)分2～3期進(jìn)行。礦井基建過(guò)渡時(shí)期，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)尚未成型，獨(dú)頭井巷的開(kāi)拓作業(yè)采用局部通風(fēng)方式，存在局部通風(fēng)機(jī)接風(fēng)筒長(zhǎng)引新鮮風(fēng)困難、污風(fēng)串聯(lián)等問(wèn)題。

（3）深部開(kāi)采通風(fēng)降溫需風(fēng)量大。我國(guó)金屬非金屬礦山開(kāi)拓已至千米深度，圍巖溫度明顯，深井熱害凸顯。通過(guò)增大深部通風(fēng)量實(shí)現(xiàn)深井作業(yè)面降溫。通風(fēng)量增大，加之通風(fēng)路線變長(zhǎng)，礦井通風(fēng)阻力顯著增加，礦用主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況改變。

（4）礦井漏風(fēng)致使有效風(fēng)量率低。上世紀(jì)民采井經(jīng)資源整合后納入到規(guī)范秩序的開(kāi)采中，但非法無(wú)序開(kāi)采遺留下來(lái)的采空區(qū)尚未得到治理。采空區(qū)漏風(fēng)致使井下需風(fēng)作業(yè)點(diǎn)風(fēng)量低，有效風(fēng)量率低，不滿足排塵要求。

（5）通風(fēng)管理存在缺陷。金屬非金屬礦山多為多中段多采場(chǎng)同時(shí)生產(chǎn)，用風(fēng)地點(diǎn)分散，各中段用風(fēng)量調(diào)控技術(shù)復(fù)雜，加之礦井通風(fēng)設(shè)施的不完善，礦井通風(fēng)管理困難。

2 礦井通風(fēng)優(yōu)化方案

為解決上述問(wèn)題，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)做出優(yōu)化研究，其研究思路如下。

（1）核算礦井總風(fēng)量。通風(fēng)系統(tǒng)的核心功能是將一定量的新鮮空氣搬運(yùn)至井下，合適的礦井總風(fēng)量直接影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效果。礦井總風(fēng)量核算有多種方式，取其最大值。國(guó)內(nèi)金屬非金屬礦山多以排塵風(fēng)速和降溫風(fēng)速核算礦井總風(fēng)量。井下用風(fēng)地點(diǎn)主要為回采工作面、充填作業(yè)面、鑿巖打孔作業(yè)面、掘進(jìn)作業(yè)面、炸藥發(fā)放庫(kù)及其他用風(fēng)硐室。

（2）調(diào)整礦井通風(fēng)方式。井巷功能變更后，通風(fēng)能力發(fā)生改變后，需重新評(píng)估井巷的通風(fēng)能力。井筒通風(fēng)能力評(píng)估需考慮井筒功能、斷面規(guī)格和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)井下礦體賦存條件、采場(chǎng)分布、礦井開(kāi)拓系統(tǒng)及各井巷通風(fēng)能力調(diào)整礦井通風(fēng)方式。常見(jiàn)的通風(fēng)方式分為中央式通風(fēng)、對(duì)角式通風(fēng)及混合式通風(fēng)。

（3）通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算是通風(fēng)系統(tǒng)定量分析與調(diào)控的核心技術(shù)手段。依據(jù)網(wǎng)孔風(fēng)壓平衡理論，節(jié)點(diǎn)風(fēng)量守恒定律，風(fēng)機(jī)特性曲線，采用非線性Hardy-Coss迭代法解算出通風(fēng)系統(tǒng)各條巷道風(fēng)量、風(fēng)壓及風(fēng)阻值。

（4）風(fēng)機(jī)選型。風(fēng)機(jī)是通風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，經(jīng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算得出系統(tǒng)通風(fēng)阻力，根據(jù)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓—風(fēng)量特性曲線選擇適宜風(fēng)機(jī)。

3 案例分析

3.1 礦山通風(fēng)系統(tǒng)概況

（1）開(kāi)拓現(xiàn)狀。龍?zhí)裂罔F礦位于安徽省蕪湖市，采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，生產(chǎn)規(guī)模為130萬(wàn)t/a。采用中央主副井、南北兩翼回風(fēng)井的豎井開(kāi)拓方案，共布置5條豎井，即主井、副井、措施井、北風(fēng)井、南風(fēng)井。龍?zhí)裂罔F礦井筒特征簡(jiǎn)介見(jiàn)表1。

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（2）通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀。在礦山基建過(guò)程中，通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)以下問(wèn)題：-320 m水平防水閘門(mén)處承擔(dān)-320 m總進(jìn)風(fēng)功能，礦山投產(chǎn)后將承擔(dān)礦山80%以上進(jìn)風(fēng)，巷道斷面小，出現(xiàn)風(fēng)量“卡脖子”現(xiàn)象；南風(fēng)井處于水淹狀態(tài)，無(wú)法恢復(fù)，礦井回風(fēng)井缺失。

3.2 總風(fēng)量核算

井下采場(chǎng)數(shù)量及作業(yè)人員未發(fā)生改變，礦井總風(fēng)量延用初步設(shè)計(jì)總風(fēng)量。礦井總風(fēng)量為131 m3/s，溜破系統(tǒng)風(fēng)量為30 m3/s，上部回采工作面及硐室總風(fēng)量為101.00 m3/s。

3.3 通風(fēng)方式調(diào)整

由于-320 m中段風(fēng)量“卡脖子”及南風(fēng)井的封閉，造成原設(shè)計(jì)的中央進(jìn)風(fēng)、兩翼回風(fēng)的通風(fēng)方式難以滿足礦井生產(chǎn)需要。故根據(jù)龍?zhí)裂罔F礦開(kāi)拓系統(tǒng)及深部礦床賦存條件調(diào)整礦井通風(fēng)方式。

南風(fēng)井封閉，北風(fēng)井及-240 m回風(fēng)巷承擔(dān)礦井總回風(fēng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，北風(fēng)井回風(fēng)路徑中最小斷面為7 m2，長(zhǎng)度為80 m，依據(jù)《金屬非金屬安全規(guī)程》專(zhuān)用回風(fēng)巷回風(fēng)風(fēng)速限值20 m/s，回風(fēng)量為140 m3/s，能承擔(dān)礦井101 m3/s回風(fēng)任務(wù)。

通風(fēng)方式調(diào)整為措施井和副井進(jìn)風(fēng)，北風(fēng)井回風(fēng)。新鮮風(fēng)流由措施井進(jìn)入-280 m中段馬頭門(mén)（或-320 m中段馬頭門(mén)），經(jīng)分段進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入分段，沖刷采場(chǎng)后，污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)井回至-240 m回風(fēng)水平，經(jīng)北風(fēng)井排出地表。

新鮮風(fēng)流經(jīng)-320 m副井石門(mén)至-320 m大巷，通過(guò)分段進(jìn)風(fēng)井至分段采場(chǎng)，采場(chǎng)污風(fēng)通過(guò)回風(fēng)井回至-240 m回風(fēng)水平，經(jīng)北風(fēng)井排出地表。

通風(fēng)方式調(diào)整為“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式，增加措施井進(jìn)風(fēng)，分擔(dān)-320 m水平防水閘門(mén)進(jìn)風(fēng)量，有效解決了通風(fēng)“卡脖子”現(xiàn)象。

3.4 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算與風(fēng)機(jī)選型

基于Fortran語(yǔ)言自主編著多級(jí)機(jī)站通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件，根據(jù)龍?zhí)裂亻_(kāi)拓現(xiàn)狀及圖形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅碚?，利用Ventism三維仿真通風(fēng)模擬系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行解算，建立井下23個(gè)節(jié)點(diǎn)、30條分支通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。預(yù)設(shè)-240 m總回風(fēng)巷回風(fēng)機(jī)站回風(fēng)量為101.00 m3/s，溜破系統(tǒng)主井回風(fēng)為30.00 m3/s，井巷摩擦阻力系數(shù)及局部阻力系數(shù)根據(jù)井巷支護(hù)條件及功能取值。圖1為龍?zhí)裂罔F礦通風(fēng)系統(tǒng)，表2為龍?zhí)裂罔F礦主要井巷通風(fēng)解算結(jié)果。

龍?zhí)裂罔F礦最長(zhǎng)通風(fēng)線路為1-8-20-21-23-22-1，回風(fēng)量為101.00 m3/s，礦井通風(fēng)總阻力為2 157.7 Pa。由表2可知，礦井通風(fēng)阻力主要集中于-240 m主回風(fēng)巷（30號(hào)分支），通風(fēng)阻力為1 538 Pa，占礦井總阻力的71.28%。

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龍?zhí)裂罔F礦自然風(fēng)壓為150～200 Pa，機(jī)站局部阻力為200～350 Pa，風(fēng)機(jī)選型時(shí)考慮礦井通風(fēng)阻力不低于2 088 Pa，考慮機(jī)站漏風(fēng)系數(shù)1.15，機(jī)站回風(fēng)量不低于116.15 m3/s（不含溜破系統(tǒng)），風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率不低于75%。滿足上述條件的適宜風(fēng)機(jī)型號(hào)有DK62（A）-10-№27（2×250 kW）、DK62（B）-10-№28（2×315 kW）和DK62（B）-10-№29（2×355 kW）。

分別將離散化后的風(fēng)量—風(fēng)壓和風(fēng)量—效率特性曲線賦予通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解算。3種型號(hào)的風(fēng)機(jī)均能滿足礦井總風(fēng)量需求，其運(yùn)行工況見(jiàn)表3。由表3可知，3種風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓極差為67 Pa，實(shí)耗功率極差為36.05 kW，風(fēng)壓和實(shí)耗功率無(wú)顯著差異。3種風(fēng)機(jī)的回風(fēng)量差異較大，DK62（B）-10-№29風(fēng)機(jī)回風(fēng)量最大，為131.28 m3/s，DK62（B）-10-№28風(fēng)機(jī)回風(fēng)量最小，為118.45 m3/s。

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綜上所述，龍?zhí)裂罔F礦主回風(fēng)機(jī)站主通風(fēng)機(jī)選型為DK62（B）-10-№29。

4 結(jié) 論

（1）金屬非金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題有井巷風(fēng)流流向與設(shè)計(jì)不符、礦山基建期、過(guò)渡期局部通風(fēng)困難、深部開(kāi)采通風(fēng)降溫需風(fēng)量大、采空區(qū)漏風(fēng)礦井有效風(fēng)量率低和通風(fēng)管理存在缺陷。

（2）為解決通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，以排塵風(fēng)速和通風(fēng)降溫風(fēng)速核算礦井總風(fēng)量，根據(jù)礦井開(kāi)拓系統(tǒng)井巷規(guī)格評(píng)估風(fēng)路通風(fēng)量，調(diào)整礦井通風(fēng)方式，利用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)展開(kāi)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算與風(fēng)機(jī)選型，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整提供理論指導(dǎo)。

（3）龍?zhí)裂罔F礦南風(fēng)井淹井無(wú)法承擔(dān)回風(fēng)任務(wù)，調(diào)整中央進(jìn)風(fēng)兩翼回風(fēng)方式為中央副井進(jìn)風(fēng)和南翼措施井進(jìn)風(fēng)，北風(fēng)井回風(fēng)不僅實(shí)現(xiàn)井下通風(fēng)，還解決了龍?zhí)裂罔F礦-320 m副井防水門(mén)巷道風(fēng)量“卡脖子”現(xiàn)象。

（4）利用Fortran語(yǔ)言建立龍?zhí)裂罔F礦23個(gè)節(jié)點(diǎn)、30條分支通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)設(shè)風(fēng)路摩擦阻力系數(shù)及局部阻力系數(shù)，導(dǎo)入風(fēng)機(jī)特性曲線，解算得出礦井主回風(fēng)機(jī)站運(yùn)行1臺(tái)DK62（B）-10-№29型風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)回風(fēng)量為131.28 m3/s，風(fēng)壓為2 765 Pa，實(shí)耗功率為437.34 kW。