阜山金礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案研究

梁 超，扈守全

(山東中礦集團(tuán)，山東煙臺(tái)264000)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是地下開采礦山礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)安全，對(duì)礦井的安全性、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起著十分重要的作用[1-3]。

阜山金礦根據(jù)礦體的賦存特征及圍巖特性，采礦方法為上向水平分層尾砂充填法，目前礦山采礦規(guī)模為800t/d，2011年采掘總量為65萬t。礦山開拓系統(tǒng)采用豎井、盲豎井聯(lián)合開拓方式，主要開拓井巷有主豎井、副井、充填井、207#主井、2#豎井、盲主井、1#盲豎井、2#盲豎井、3#盲豎井、5#盲豎井及 6#措施井等。

目前井下采場(chǎng)工作面16個(gè)，掘進(jìn)工作面25個(gè)，主要集中在15中段至24中段。隨著生產(chǎn)的進(jìn)一步進(jìn)行，礦山通風(fēng)系統(tǒng)面臨主豎井出風(fēng)、生產(chǎn)區(qū)域處于污風(fēng)帶、深部生產(chǎn)中段高溫高濕及有害氣體超標(biāo)等通風(fēng)安全問題，對(duì)井下作業(yè)人員身體健康造成危害，并對(duì)井口提升設(shè)施形成安全隱患，因此需對(duì)礦山目前的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，保障礦井安全生產(chǎn)。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 通風(fēng)方式

阜山金礦井下現(xiàn)有通風(fēng)方式為副井、充填井、采空區(qū)進(jìn)風(fēng)，主豎井回風(fēng)，整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)大致可分為以下三個(gè)通風(fēng)區(qū)域。

1)207#礦體新鮮風(fēng)流經(jīng)副井、充填井、采空區(qū)下到14中段后，經(jīng)14中段至16中段的風(fēng)井到達(dá)16中段，沿6#措施井下到深部 17、18、19、20 等中段的作業(yè)水平。清洗工作面后的污風(fēng)一部分沿盲主井上到16中段、一部分沿3#盲豎井上到16中段，再經(jīng)主豎井排出地表。

2)206#礦體新鮮風(fēng)流通過2#盲豎井和采空區(qū)下深部17、19、20、21等作業(yè)中段，清洗工作面后的污風(fēng)沿5#盲豎井經(jīng)20中段、16中段大巷至主豎井排出地表。

3)南部礦體新鮮風(fēng)流經(jīng)過副井、1#盲豎井、2#盲豎井下到深部 17、18、19、20、21 等作業(yè)中段，清洗工作面后的污風(fēng)沿各中段通風(fēng)天井上到15中段，沿大巷到206#礦體再通過采場(chǎng)天井下到16中段，最后經(jīng)主豎井排出地表。

1.2 目前存在的問題

通過對(duì)阜山金礦井下通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行全面檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示阜山金礦通風(fēng)系統(tǒng)存在如下問題。

1)主豎井為混合井，承擔(dān)礦石、廢石、材料、人員的提升，同時(shí)作為井下主回風(fēng)井，16中段是礦石、材料及人員的主要通道，兼作礦井總回風(fēng)通道，作業(yè)人員及主要采掘運(yùn)輸設(shè)施設(shè)備處于污風(fēng)區(qū)域，對(duì)人員身心健康及設(shè)施設(shè)備造成危害。

2)22中段到28中段深部開拓區(qū)域未形成有效通風(fēng)風(fēng)路，通風(fēng)量僅有14.34m3/s，測(cè)點(diǎn)風(fēng)溫30℃→33℃，高溫高濕及有害氣體累積問題嚴(yán)重。

3)2#盲豎井南部采區(qū)無專用回風(fēng)井巷工程，無法有效解決該采區(qū)通風(fēng)困難問題。

4)井下設(shè)置了大量風(fēng)門阻風(fēng)，因設(shè)置地點(diǎn)多位于運(yùn)輸行人通道，常處于開啟狀態(tài)而形同虛設(shè)。

5)大部分新鮮風(fēng)通過采空區(qū)在自然風(fēng)壓作用下進(jìn)入井下。自然風(fēng)壓隨季節(jié)性變化，使得井下通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，可能造成巷道無風(fēng)及風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)。

6)井下各中段無專用回風(fēng)巷道，多中段同時(shí)作業(yè)存在污風(fēng)串聯(lián)現(xiàn)象。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 礦井總風(fēng)量核定

礦井總風(fēng)量計(jì)算是礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)的一個(gè)極其重要的內(nèi)容，正確計(jì)算礦井總風(fēng)量是選擇主要通風(fēng)設(shè)備和布置通風(fēng)工程的重要依據(jù)。礦井風(fēng)量計(jì)算時(shí)，因按排塵計(jì)算的風(fēng)量一般大于排煙風(fēng)量，故通常采掘工作面按排塵風(fēng)速計(jì)算。

分項(xiàng)計(jì)算全礦總風(fēng)量

式中:K為礦井漏風(fēng)系數(shù);n采為同時(shí)工作的某類回采工作面數(shù);q采為某類回采工作面的計(jì)算風(fēng)量;n備為某類回采備用工作面的數(shù)量;q備為某類回采備用工作面的計(jì)算風(fēng)量;n掘?yàn)橥瑫r(shí)工作的某類掘進(jìn)工作面數(shù);q掘?yàn)槟愁惥蜻M(jìn)工作面的計(jì)算風(fēng)量;n硐為某類硐室的數(shù)量，主要指炸藥庫、破碎硐室等;q硐為某類硐室的計(jì)算風(fēng)量;n其他為某類其他需風(fēng)點(diǎn)的數(shù)量，包括主溜井裝卸礦點(diǎn)、噴錨支護(hù)工作面等，并考慮具體情況供風(fēng);q其他為某類其他需風(fēng)點(diǎn)的計(jì)算風(fēng)量。

結(jié)合礦山生產(chǎn)技術(shù)條件，充分考慮井下作業(yè)面的工作性質(zhì)、通風(fēng)排塵所需風(fēng)速，計(jì)算所需風(fēng)量為100.5m3/s，風(fēng)量計(jì)算詳見表 1。

表1 礦井需風(fēng)量計(jì)算表

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)方式

根據(jù)阜山金礦井下通風(fēng)系統(tǒng)存在問題，經(jīng)研究提出的優(yōu)化改造方案如下所示。

1)采用主豎井進(jìn)風(fēng)，副井及1#盲豎井(改作專用回風(fēng)井，可保留提升設(shè)施或設(shè)置梯子間作為安全出口)、充填井回風(fēng)的單翼對(duì)角抽出式通風(fēng)。

2)16中段作為進(jìn)風(fēng)水平，總的新鮮風(fēng)流通過主豎井直接下行到16中段井底車場(chǎng)，新鮮風(fēng)流經(jīng)3#盲豎井、盲主井、2#盲豎井進(jìn)入深部作業(yè)中段。

3)14中段作為總回風(fēng)水平，清洗工作面后的污風(fēng)通過5#盲豎井、6#措施井上行匯至14中段總回風(fēng)水平，再經(jīng)1#盲豎井、充填斜井、回風(fēng)天井進(jìn)入副井和充填井排出地表。

4)主回風(fēng)機(jī)站設(shè)在14中段盲主井西側(cè)(原進(jìn)風(fēng)機(jī)站)以及8#穿脈巷。

5)采區(qū)及采場(chǎng)風(fēng)量依靠輔扇進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。

2.3 機(jī)站設(shè)置和通風(fēng)設(shè)備

本次通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造共設(shè)兩個(gè)主回風(fēng)機(jī)站，分別設(shè)在14中段盲主井西側(cè)(原進(jìn)風(fēng)機(jī)站)和8#穿脈巷。通過對(duì)不同型號(hào)風(fēng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)解算比較，確定2個(gè)主回風(fēng)機(jī)站各選用1臺(tái)DK45-6-No.17對(duì)旋風(fēng)機(jī)，其中:14中段盲主井西側(cè)回風(fēng)機(jī)站(原進(jìn)風(fēng)機(jī)站)選用一臺(tái) DK45-6-No.17對(duì)旋風(fēng)機(jī)(2×132kW/臺(tái))，設(shè)計(jì)該機(jī)站風(fēng)機(jī)葉片安裝角度取最大值45°/40°，變頻控制;14中段8#穿脈巷回風(fēng)機(jī)站選用一臺(tái) DK45-6-No.17對(duì)旋風(fēng)機(jī)(2×132kW/臺(tái))，根據(jù)系統(tǒng)總風(fēng)量要求和該型號(hào)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，設(shè)計(jì)該機(jī)站風(fēng)機(jī)葉片安裝角度取最大值45°/40°，變頻控制;15中段2#盲豎井西側(cè)大巷和22中段5#盲豎井聯(lián)巷各選用一臺(tái)K40-6-No.15輔扇(37kW/臺(tái))，16中段3#盲豎井東大巷保留原K40-6-No.15輔扇(37kW/臺(tái))，均采取無風(fēng)墻形式安裝抽出式運(yùn)行，輔扇葉片安裝角度取26°。

2.4 主要通風(fēng)構(gòu)筑物

經(jīng)優(yōu)化改造，井下新增通道構(gòu)筑物有12中段主豎井石門設(shè)置2道風(fēng)門;14中段2#盲豎井聯(lián)巷分別設(shè)置2道風(fēng)門;14中段盲主井西側(cè)大巷以及下16中段風(fēng)井聯(lián)巷分別設(shè)置2道風(fēng)門;污風(fēng)通過5#盲豎井至15中段后，需施工一條回風(fēng)井，使污風(fēng)上到14中段總回風(fēng)水平;主要生產(chǎn)中段下降到22中段以下時(shí)，需新掘一條回風(fēng)井，解決深部作業(yè)區(qū)域通風(fēng)。

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，需建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)利用多機(jī)站及多級(jí)機(jī)站通風(fēng)軟件對(duì)方案進(jìn)行系統(tǒng)通風(fēng)效果模擬計(jì)算，根據(jù)結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整修改使最終確定的實(shí)施方案達(dá)到預(yù)期效果[4-8]。

3.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算基本原理

機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)通過風(fēng)機(jī)將新鮮風(fēng)流送到井下各采掘作業(yè)需風(fēng)點(diǎn)，由于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)包括大量的井巷，自然分風(fēng)及風(fēng)量調(diào)節(jié)計(jì)算比較復(fù)雜，且工作量大，為此必須借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行通風(fēng)方案網(wǎng)路解算。

風(fēng)流在通風(fēng)網(wǎng)路中流動(dòng)時(shí)，除服從能量守衡定律(伯努里方程)，還遵守風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律和阻力平衡定律。任何通風(fēng)網(wǎng)路均由N條巷道、J個(gè)節(jié)點(diǎn)和M個(gè)網(wǎng)孔構(gòu)成(M=N－J+1)，在網(wǎng)路解算時(shí)，應(yīng)用阻力平衡定律列出N個(gè)方程，求解N個(gè)巷道的風(fēng)壓未知數(shù)。應(yīng)用風(fēng)量平衡定律列出J－1條巷道風(fēng)量。應(yīng)用風(fēng)壓平衡定律列出M(N－J+1)個(gè)網(wǎng)孔(由兩條以上巷道分支首尾相聯(lián)形成回路)風(fēng)壓平衡方程，聯(lián)合前面方程求解巷道的自然分配風(fēng)量。

根據(jù)阜山金礦井下開采現(xiàn)狀，對(duì)井下各種類型井巷規(guī)格及作業(yè)中段布置、作業(yè)點(diǎn)分布、典型巷道的通風(fēng)阻力等進(jìn)行了調(diào)查與數(shù)據(jù)整理，建立了井巷風(fēng)阻原始數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分支原始數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)參數(shù)原始數(shù)據(jù)、機(jī)站參數(shù)原始數(shù)據(jù)等通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

阜山金礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)共包括57個(gè)節(jié)點(diǎn)、87條分支。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

阜山金礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造設(shè)計(jì)方案計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果見表2。

表2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案解算結(jié)果

由表2中的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案解算結(jié)果可知，經(jīng)優(yōu)化提出的通風(fēng)改造方案達(dá)到預(yù)期效果，滿足礦山安全生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

針對(duì)阜山金礦井下通風(fēng)系統(tǒng)存在的主豎井出風(fēng)、生產(chǎn)區(qū)域處于污風(fēng)帶、深部生產(chǎn)中段高溫高濕及有害氣體超標(biāo)等通風(fēng)安全問題，結(jié)合開采條件和井巷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)主要井巷通風(fēng)能力、作業(yè)中段風(fēng)量分配、機(jī)站設(shè)置及風(fēng)機(jī)優(yōu)選、通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置等進(jìn)行了綜合分析研究，提出了通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案，并對(duì)優(yōu)化改造方案進(jìn)行了模擬解算，結(jié)算結(jié)果表明優(yōu)化改造方案達(dá)到了預(yù)期效果。

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