大冶鐵礦尖林山車間井下通風系統(tǒng)改造

陳國平，阮德超，胡文軍，呂 玲，蔡 勇

(1.武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學環(huán)境與城市建設學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

礦井通風是創(chuàng)造礦井正常生產(chǎn)環(huán)境和安全生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)，也是礦井安全生產(chǎn)的基本保障[1].據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，到2007年底，我國有金屬非金屬地下礦山11 799座.其中，已建立機械通風系統(tǒng)的6 826座，占地下礦山總數(shù)的57.9%，未建立機械通風系統(tǒng)的4 973座，占地下礦山總數(shù)的42.1%[2].然而隨著許多礦山生產(chǎn)的發(fā)展以及礦井通風系統(tǒng)管理不善，導致出現(xiàn)井下采空區(qū)多、漏風大、風流紊亂、串聯(lián)風多、風量與風質(zhì)達不到要求等問題，而且由于有效風量率低直接造成較高的通風成本.這是我國目前地下開采礦山普遍存在的問題，不僅是經(jīng)濟上的損失，更關(guān)系到井下作業(yè)的每一名礦工的生命安全.

對礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化的研究很有必要，國內(nèi)外許多專家和學者對此進行了廣泛深入的研究，并取得了許多成果，如在礦井通風網(wǎng)絡解算和通風系統(tǒng)圖的建立幾個方面都開發(fā)出了相應的運用軟件.先進的計算機技術(shù)為系統(tǒng)優(yōu)化帶來極大方便，上世紀80年代初，以加拿大、澳大利亞、美國和英國為代表陸續(xù)開發(fā)出整套礦井通風管理軟件.在國內(nèi)，由于語言和價格等方面的原因并沒有普及這些軟件，自80年代末始，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，不少軟件已開始成功投入使用.中國礦業(yè)大學開發(fā)的計算機圖形系統(tǒng)軟件，專門用于礦井通風系統(tǒng)圖形管理和事故救災輔助決策，并很方便地生成礦井通風系統(tǒng)圖.貴州工業(yè)大學采礦教研室研發(fā)的MVS-MIS系統(tǒng)，系統(tǒng)使用方便，資源共享性強，安全可靠性高，加速了礦山信息化管理步伐.但是在實際通風系統(tǒng)優(yōu)化工作中，由于缺乏專門的優(yōu)化決策支持軟件，工程人員面對大量的數(shù)據(jù)而無法運用科學的方法進行定量計算.另外，通風系統(tǒng)優(yōu)化的不同環(huán)節(jié)中運用不同的軟件，不但繁瑣而且不利于信息處理和記錄，加上受當時計算機編程語言的限制，之前開發(fā)的軟件在信息輸入、軟件操作、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面都存在著缺陷[3].

通過運用系統(tǒng)論、圖論、拓撲學的觀點，對大冶鐵礦尖林山礦井通風系統(tǒng)進行改造設計，進行風網(wǎng)解算，以求達到技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的風網(wǎng)風流控制方案，從技術(shù)上解決上述存在的問題.

1 工程概況

武鋼礦業(yè)公司大冶鐵礦礦區(qū)位于湖北省黃石市鐵山區(qū)，東距黃石市區(qū)25 km，東南距大冶市15 km.礦區(qū)水陸交通十分方便.礦區(qū)內(nèi)氣候冬冷夏熱，四季分明，雨量充沛，為典型的亞熱帶大陸性氣候.開采標高為+276 m至-280 m.開采礦種：鐵礦.

礦區(qū)共分布有6個主要大礦體，自西向東依次為鐵門坎、龍洞、尖林山、象鼻山、獅子山、尖山礦體，除尖林山為隱伏礦體外，其余均露出地表.礦體呈似層狀、透鏡狀，礦體總體走向為北西西，向深部轉(zhuǎn)向南南東傾斜.礦體北部是閃長巖，地勢高；南部是大理巖，地勢低[4].

2 通風系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題

目前，尖林山車間井下通風系統(tǒng)存在風機機站分布分散、通風網(wǎng)絡復雜、風路較長、通風費用高、主扇能力不足、礦井總風量不足、采區(qū)通風困難，系統(tǒng)外部漏風等問題[5].具體如下：

(1) 礦山各采區(qū)均已轉(zhuǎn)入-110 m以下二期開采，各采區(qū)二期開采的回風井與上部一期開采的回風井在-110 m水平錯開，并且與-110 m中段運輸巷相通，造成大量新鮮風流直接從-110 m中段運輸巷流入上部回風井排出而不能進入-110 m以下作業(yè)中段.

(2) 由于上述原因，龍洞采區(qū)與鐵門坎東區(qū)-110 m以下作業(yè)面風量嚴重不足，鐵門坎東區(qū)風流甚至反向西行下到-17 0m、-230 m、-270 m水平.

(3) 鐵門坎北區(qū)-110 m以上一期工程電梯井已破舊不能正常運行，給設于鐵門坎北回風斜井口的風機管理帶來極大困難.北區(qū)-110 m以上各水平漏風嚴重，造成-110 m以下回風能力過小.

(4) 鐵門坎南回風斜井口的風機已拆除，南區(qū)的通風系統(tǒng)已癱瘓，-110m以下作業(yè)面的炮煙下行到-170m中段，影響到運輸作業(yè)的安全.

(5)鐵門坎西區(qū)和東區(qū)的需風量主要是來自于鐵門坎副井，然而隨著深部開采的繼續(xù)，系統(tǒng)外部漏風增加，進風量已滿足不了各采場的需求.

(6)現(xiàn)有的通風系統(tǒng)，特別是鐵門坎西區(qū)的通風線路長，通風巷道復雜紊亂，這不僅給通風管理造成不便，而且局部可能存在的污風循環(huán)，給井下開采作業(yè)造成嚴重安全隱患.

為了能最大限度地解決這些問題，并節(jié)約通風能耗，降低通風費用，提高通風系統(tǒng)管理水平，有必要對系統(tǒng)進行改造設計.

3 通風系統(tǒng)改造方案

3.1 鐵門坎采區(qū)

鐵門坎采區(qū)分鐵門坎西區(qū)與鐵門坎東區(qū)兩個通風系統(tǒng).鐵門坎西區(qū)原北回風斜井改為進風井(拆除北回風斜井下部風機)，一部分新鮮風流由北進風斜井(原北回風斜井)分別經(jīng)過-50 m水平原北進風井、北提升井和北回風井至-110 m中段，再經(jīng)電梯井、斜坡道進入各作業(yè)分層；另一部分新鮮風流由鐵門坎副井分別進入-110 m、-170 m 中段，再從斜坡道、電梯井進入各作業(yè)分層，作業(yè)排出的污風匯集于礦體北端與西端的回風井上至-110 m水平，再經(jīng)南回風井和南措井上升至-50 m水平，最后由設在南回風斜井井口的兩臺并聯(lián)風機抽出至地表(拆除南回風斜井下部風機).

鐵門坎-45 m水平溜破回風井口設有一臺風機，將破碎硐室污風抽出至南回風斜井，最后由南回風井口的兩臺并聯(lián)風機抽出至地表.

鐵門坎東區(qū)新鮮風流從鐵門坎副井下至-170 m階段運輸巷，再由-170 m階段運輸巷進入東區(qū)人行通風天井上至各作業(yè)分層，作業(yè)排出的污風匯集于礦體東端的回風井上至-110 m水平，經(jīng)-110 m階段原鐵門坎東回風井至-50 m水平，再由設于+90 m地表的兩臺并聯(lián)風機通過電梯井、鐵龍回風斜井抽出排至地表[6].

3.2 龍洞采區(qū)

龍洞采區(qū)新鮮風流從龍洞斜坡道與龍洞主進風井、階段進風井及原提升井進入-110 m階段運輸巷，再由斜坡道下至-170 m階段運輸巷，并由位于礦體東端、中部的進風井進入各作業(yè)分層.作業(yè)排出的污風匯集于礦體西端的回風井上至-110 m水平，經(jīng)龍洞回風井至-50 m水平，再由設于+90 m地表的兩臺并聯(lián)風機通過鐵龍回風斜井抽出排至地表.

3.3 尖林山采區(qū)

尖林山采區(qū)新鮮風流從石塔溝主井分別進入-110 m、-170 m水平階段運輸巷，再從斜坡道、電梯井進入各作業(yè)分層，作業(yè)排出的污風匯集于礦體東端的回風井上至-110 m水平，由設于+105 m水平的兩臺并聯(lián)風機抽出，通過-50～-110階段回風井、尖林山回風斜井排至地表.

針對通風系統(tǒng)存在的問題，此次改造的目標是研究滿足井下尖林山、鐵門坎、龍洞三個采區(qū)-170 m中段生產(chǎn)比較合理的通風方式，建立一個有效風量率≥65%，風機平均效率≥65%，滿足-170 m中段作業(yè)的高效運行井下通風系統(tǒng)[7-8].

4 礦井通風阻力及需風量計算

4.1 井下需風量

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》對于井下通風安全的規(guī)定和各采區(qū)生產(chǎn)情況，同時考慮礦井漏風及風量調(diào)整不及時的備用風量，取漏風系數(shù)0.40，各采區(qū)需風量計算如表1所示.

表1 各采區(qū)需風量Table 1 Required amount of air in each mining area

4.2 礦井通風阻力計算

由于礦井巷道極少為圓形，可用當量直徑d=4S/U代入沿程阻力公式得：

則井巷摩擦阻力計算公式為

Hf=RfQ2

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；S為巷道斷面積，m2；U為巷道周界，m；L為巷道長度，m.

5 通風系統(tǒng)網(wǎng)絡解算

風網(wǎng)解算時，考慮到大冶鐵礦鐵門坎、龍洞和尖林山的通風網(wǎng)路是一個整體，構(gòu)成一個通風系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)論的觀點，不能將三個工區(qū)截然分開.因此，解算時我們將整個通風系統(tǒng)經(jīng)過拓撲變換，然后代入原始數(shù)據(jù)進行計算機解算.原始數(shù)據(jù)包括分支的起始結(jié)點號、風阻、需風量、自然風壓或恒壓源壓頭等，分支、主扇曲線條數(shù)和曲線特征點的風量、風壓，以及迭代限與迭代精度[9].

5.1 風網(wǎng)分析方法及解算軟件

常用的風網(wǎng)解算方法有斯科特·辛斯利Scott-Hinsley)法和牛頓·拉夫遜(Newton-Raphson)法.其中Newton-Raphson法是一種斜量法，其收斂速度快，但對內(nèi)存要求量大而每次計算占機時間較長；Scott-Hinsley法是一種迭代法，雖然其收斂速度受所圈劃回路的影響，但其算法簡單，內(nèi)存要求不大，每次迭代運算速度較快，收斂性較好，故本文采用Scott-Hinsley法進行風網(wǎng)分析.

在上述方法的基礎(chǔ)上開發(fā)出新的風網(wǎng)分析軟件Mvnet Version1.4對大冶尖林山鐵礦井下通風系統(tǒng)網(wǎng)絡進行解算，該軟件的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示.

5.2 風網(wǎng)解算步驟

由主程序輸入原始數(shù)據(jù)進行風阻計算，通風阻力R=aPL/S3，a為摩阻系數(shù)，P為巷道周長，L為長度，S為面積.再通過最小二乘法進行風機特性曲線擬合.風網(wǎng)解算程序框圖如圖2所示.

5.3 主扇性能曲線擬合

風網(wǎng)主扇K40-6-№16、K40-4-№11的性能曲線分別如圖3、圖4所示.注意并聯(lián)主扇特性曲線按照“風壓相等，風量相加”的原則合成.

圖3 K40-4-№11等風機特性曲線圖Fig.3 Characteristic curve of K40-4-№11

5.4 通風網(wǎng)絡解算

根據(jù)通風方案和通風解算網(wǎng)絡圖以及相關(guān)基礎(chǔ)資料，編制巷道風阻、網(wǎng)孔、風機及機站原始參數(shù)文件，然后利用礦井通風系統(tǒng)解算軟件Mvnet version1.4進行網(wǎng)絡解算.

圖4 K40-6-№16等風機特性曲線圖Fig.4 Characteristic curve of K40-6-№16

風網(wǎng)分支數(shù)NB=264，迭代最大次數(shù)MIT=500，迭代限E=0.001.風網(wǎng)主扇數(shù)NFC=4，根據(jù)結(jié)算結(jié)果對各主扇性能曲線參數(shù)進行擬合.

6 機站解算結(jié)果及鑒定指標

通過計算工作面需風量，巷道通風阻力和風機特性等參數(shù)，運用風網(wǎng)分析軟件Mvnet Version1.4進行風網(wǎng)解算.風機參數(shù)解算結(jié)果如表2所示.其中風機實耗功率計算公式為

式中：N為風機所需功率；P為風機全壓，Pa；Q為風機風量，m3/s；K為電機容量儲備系數(shù)；η1為風機全壓效率；η2為機械效率.

同時，為檢驗結(jié)算結(jié)果的正確性，還應根據(jù)《冶金礦山礦井通風系統(tǒng)鑒定指標》相關(guān)規(guī)定，對改造后的尖林山礦區(qū)通風系統(tǒng)進行全面的檢測，并按照基本指標、綜合指標和輔助指標對其進行評價[9]，評價指標如表3所示.

表2 機站參數(shù)解算結(jié)果Table 2 Calculating results of ventilation station parameters

表3 通風系統(tǒng)鑒定指標Table 3 Evaluation index of ventilation system

7 通風系統(tǒng)改造工程

(1)輔扇.根據(jù)解算結(jié)果，需要在以下兩處安裝輔扇進行增壓調(diào)節(jié)：

龍洞-122 m開采水平安裝一臺型號為K40-6-NO13風機，其功率為3.6 kW.

龍洞-134 m開采水平安裝一臺型號為K40-6-NO13風機，其功率為3.6 kW.

輔扇也可以使用原鐵門坎北回風斜井和南回風斜井拆下來的風機.

(2)通風構(gòu)筑物.為保證風流按生產(chǎn)需要和已設計的通風路線流動，需建立和設置必要的通風構(gòu)筑物以實現(xiàn)風量的有效調(diào)節(jié)和合理分配[10-12].

在鐵門坎東區(qū)-170 m至-110 m北端回風井聯(lián)巷設置調(diào)節(jié)風窗進行風量增阻調(diào)節(jié).

在龍洞采區(qū)-170 m至-110 m中部進風井聯(lián)巷設置調(diào)節(jié)風窗，進行風量調(diào)節(jié).

(3)通風井巷工程.拆除-50 m水平北回風斜井風機，將鐵門坎北區(qū)北回風斜井改為進風井，-50 m至-110 m原北進風井、北提升井、北回風井均改為進風井；拆除南區(qū)-50 m電梯井風機及相關(guān)設備，將鐵門坎南區(qū)南回風井、南措井均作為回風井用[13].

8 結(jié) 語

a.針對大冶鐵礦尖林山車間通風系統(tǒng)存在的問題，在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上提出了通風系統(tǒng)改造方案.

b.采用Scott-Hinsley風網(wǎng)解算方法，參與開發(fā)了Mvnet Version1.4 風網(wǎng)分析軟件，并用該軟件進行了風網(wǎng)解算，獲得了使風機效率較高的解算結(jié)果，同時提出了采用增阻和輔扇調(diào)節(jié)方案進行風量調(diào)節(jié).

c.通過對礦井通風系統(tǒng)進行改造，解決了以往通風系統(tǒng)中存在的問題，提高了礦井安全性，并且節(jié)約了通風費用，具有較大的經(jīng)濟和社會效益.

致謝

感謝環(huán)城學院張電吉院長的支持和幫助，以及武鋼大冶鐵礦領(lǐng)導和工程師們的指導，他們?yōu)轫椖宽樌M行提供了必要的數(shù)據(jù)和資料.

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