茶山礦南礦段通風(fēng)系統(tǒng)改造研究

謝世勇，黃俊歆

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000;2.湖南工學(xué)院 安全與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

1 礦井概況

茶山礦隸屬于南星銻業(yè)有限公司，始建于1975年，位于南丹市車河鎮(zhèn)西南3.5 km處。全區(qū)地質(zhì)礦量269.5萬(wàn)t，生產(chǎn)正常期年產(chǎn)礦石量10～15萬(wàn)t，其中南礦段為 6～9萬(wàn) t，北礦段為 4～6萬(wàn) t，年均工業(yè)總產(chǎn)值約5000～6000萬(wàn)元，屬于小型礦山。

礦區(qū)有兩種類型的礦床，一種為夕卡巖型鋅銅礦床，多呈礦化，僅局部呈層間小礦體，由北向南逐漸減弱。一種為熱液充填石英脈型銻鎢礦床，即28號(hào)脈，伴生有銀、鉛、鋅、銅、金和瑩石等，由若干條呈側(cè)幕排列的脈組成，北段開采的為28號(hào)脈。采用留頂、底柱和間柱的普通淺孔留礦法進(jìn)行開采，目前使用自然通風(fēng)方式，井下通風(fēng)狀況較差。

2 通風(fēng)系統(tǒng)改造的必要性

茶山礦屬于小型礦山，當(dāng)前的采掘作業(yè)區(qū)，多為堅(jiān)硬的塊狀體，礦體頂?shù)装宓膸r石主要為泥灰?guī)r，巖性比較堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)中等穩(wěn)固。目前已開拓形成355、310、290、260、230、190、170、150、120、100、70 中段，其中170以上的中段已開采完畢，相鄰各中段有人行通風(fēng)井作為應(yīng)急出口，采用斜井絞車提升。礦井采用自然通風(fēng)，原設(shè)計(jì)新鮮風(fēng)流由斜井坑口（井口標(biāo)高+444.68 m）和淺部斜井（原五一窿平巷，井口標(biāo)高+444.68 m）經(jīng)各級(jí)斜井進(jìn)入各個(gè)開采中段的各個(gè)采場(chǎng)，再經(jīng)各中段回風(fēng)天井進(jìn)入上中段的回風(fēng)巷，從三岔河坑口（井口標(biāo)高+474.704 m）和六廟坑口（井口標(biāo)高+442 m）排出地表?，F(xiàn)階段通風(fēng)系統(tǒng)圖見圖1。

但實(shí)際上，由于自然風(fēng)壓隨氣候、季節(jié)的變化而變化，而且礦井開采已轉(zhuǎn)入深部，通風(fēng)問題日益突出，已經(jīng)成為制約茶山礦安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”。目前南礦段存在的問題如下：

（1）礦井風(fēng)量小，風(fēng)壓低。南礦段現(xiàn)有四個(gè)坑口：深部斜井、三岔河坑口、淺部斜井、六廟坑口，每個(gè)坑口均有提升運(yùn)輸和行人?，F(xiàn)有的進(jìn)風(fēng)井有深部斜井、淺部斜井等處，風(fēng)量分別為3.85 m3/s和1.28 m3/s，風(fēng)速分別為0.35 m/s和0.41 m/s。出風(fēng)井有三岔河、六廟坑口，出風(fēng)量分別為8.73 m3/s和3.95 m3/s，風(fēng)速分別為1.36 m/s和0.38 m/s，進(jìn)、回風(fēng)井的自然風(fēng)壓為87 Pa。由于礦井總進(jìn)風(fēng)量很小，風(fēng)壓低，造成井下工作環(huán)境極為惡劣，有的采掘工作面基本上無(wú)風(fēng)，嚴(yán)重缺氧，所有指標(biāo)均不符合規(guī)范[1]，現(xiàn)有的自然通風(fēng)不能滿足礦井通風(fēng)要求。

（2）井下溫度高，濕度大。我國(guó)現(xiàn)行評(píng)價(jià)礦井氣候的指標(biāo)是干球溫度，金屬礦山最高允許的干球溫度為28°[1]，而井下測(cè)試的溫度絕大部分都在此值以上，有的超過(guò)37°，并且濕度高達(dá)100%。

圖1 茶山礦南礦段現(xiàn)階段通風(fēng)系統(tǒng)

（3）通風(fēng)系統(tǒng)紊亂，漏風(fēng)嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)南礦段通風(fēng)現(xiàn)狀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察及測(cè)試，發(fā)現(xiàn)井下無(wú)任何通風(fēng)設(shè)施及通風(fēng)構(gòu)筑物，導(dǎo)致風(fēng)流亂串，漏風(fēng)嚴(yán)重；且有多處與老塘相通，對(duì)已廢棄巷道或采場(chǎng)未采取封閉措施或封閉不嚴(yán)，許多中段巷道受地壓破壞，漏風(fēng)嚴(yán)重，有效風(fēng)量嚴(yán)重不足[1]，有效風(fēng)量率僅為46.9%。

（4）事故隱患多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，茶山礦自建礦以來(lái)，發(fā)生過(guò)多起傷亡事故，從事故發(fā)生的時(shí)間看，主要集中在每年的4～7月份。其原因主要是在這一段時(shí)間雨水多，空氣濕度大，天氣變化無(wú)常，井下空氣質(zhì)量差，作業(yè)環(huán)境十分惡劣，采場(chǎng)工人容易疲勞困乏，事故隱患增加。

綜上所述，茶山礦目前的通風(fēng)狀況已嚴(yán)重制約礦井的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高，已到了非改不可的地步。小型礦山合理開采服務(wù)年限為30年，礦井按照設(shè)計(jì)開采了10余年，按提交的儲(chǔ)量情況尚可服務(wù)近20年。因此，改造設(shè)計(jì)和優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)，對(duì)于茶山礦的安全生產(chǎn)和礦井的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

3 通風(fēng)阻力測(cè)定與分析

3.1 通風(fēng)阻力的測(cè)定

采用氣壓計(jì)逐點(diǎn)測(cè)定法進(jìn)行礦井通風(fēng)阻力測(cè)定。選定1條主要測(cè)風(fēng)路線，基點(diǎn)定在進(jìn)風(fēng)斜井井口。將2臺(tái)同型號(hào)的精密氣壓計(jì)放置在基點(diǎn)處，同時(shí)讀取絕對(duì)壓力值后，一臺(tái)氣壓計(jì)留在基點(diǎn)，每隔5 min記錄一次氣壓計(jì)變化值；另一臺(tái)氣壓計(jì)用于井下沿預(yù)定測(cè)定路線逐點(diǎn)測(cè)壓，記錄測(cè)壓時(shí)間、讀取壓力變化值并測(cè)量其他通風(fēng)相關(guān)參數(shù)。待全部測(cè)定完畢，重新回到基點(diǎn)，再校對(duì)氣壓計(jì)的讀數(shù)[2～4]。

礦井其他次要巷道通風(fēng)阻力以及局部通風(fēng)阻力采用膠皮管－壓差計(jì)測(cè)定方法。測(cè)定過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)選擇要求風(fēng)流沒有分風(fēng)或匯風(fēng)流，且風(fēng)流穩(wěn)定、巷道斷面比較規(guī)整，測(cè)站擺放在節(jié)點(diǎn)上下側(cè)5～7 m的位置。

表1 測(cè)點(diǎn)位置說(shuō)明

3.2 測(cè)定結(jié)果分析

測(cè)定后，對(duì)通風(fēng)阻力分布情況、礦井有效風(fēng)量率等測(cè)定結(jié)果進(jìn)行了分析。

（1）通風(fēng)阻力分布情況。礦井通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)路可分為進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段。所測(cè)定路線上通風(fēng)阻力分布比例為 1∶1.05∶8.94，見表 2。

一般礦井的進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段阻力分配比例為3∶3∶4[4-5]，從茶山礦南礦段實(shí)際測(cè)量結(jié)果看出，測(cè)試通風(fēng)路線上，回風(fēng)段通風(fēng)阻力所占比例過(guò)大。

表2 礦井主要通風(fēng)路線阻力分布情況

（2）礦井有效風(fēng)量率。礦井有效風(fēng)量是指風(fēng)流通過(guò)井下各工作地點(diǎn)，包括獨(dú)立采礦工作面、掘進(jìn)工作面、硐室和其他用風(fēng)地點(diǎn)的實(shí)際風(fēng)量的總和。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，礦井總風(fēng)量為8.73 m3/s，礦井有效風(fēng)量為4.09 m3/s。因此礦井有效風(fēng)量率為：

不符合規(guī)范中礦井有效風(fēng)量率不低于60%的規(guī)定[1]。

4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案

4.1 通風(fēng)系統(tǒng)的選擇

根據(jù)28號(hào)礦體在礦區(qū)的分布范圍、現(xiàn)有礦井開拓方法、井巷的布置、采準(zhǔn)布置形式、采空區(qū)和老塘的位置、大小以及它們和地表的溝通程度，茶山礦的通風(fēng)系統(tǒng)從技術(shù)上考慮可采用集中通風(fēng)系統(tǒng)和分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)兩種。但從經(jīng)濟(jì)上分析，構(gòu)成集中通風(fēng)系統(tǒng)較理想，但由于28號(hào)礦體在第2和第16勘探線尖滅，兩勘探線之間無(wú)礦體，相距有700 m，且在此范圍內(nèi)無(wú)任何可作通風(fēng)用的巷道。采用集中通風(fēng)方式要增加大量的通風(fēng)工程，這對(duì)于一個(gè)小型礦山來(lái)說(shuō)在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。因此，選取分區(qū)通風(fēng)較為合理，即選擇分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)[6-10]。

采用分區(qū)通風(fēng)則具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）風(fēng)路短，阻力小，通風(fēng)網(wǎng)路簡(jiǎn)單，通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠性高。

（2）風(fēng)流容易控制，風(fēng)量易分配，滿足生產(chǎn)需要，漏風(fēng)少。

（3）通風(fēng)構(gòu)筑物少，便于維護(hù)管理。

（4）專用通風(fēng)井巷工程量少，施工方便。

（5）通風(fēng)動(dòng)力消耗少，通風(fēng)費(fèi)用低。

4.2 風(fēng)量計(jì)算

4.2.1 風(fēng)量計(jì)算原則

根據(jù)規(guī)范要求，礦井需風(fēng)量須按下列要求分別計(jì)算，并取其中最大值[1]。

（1）按井下同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算，每人供給風(fēng)量不得少于4m3/min。

（2）按分項(xiàng)計(jì)算風(fēng)量法進(jìn)行計(jì)算。

4.2.2 礦井需風(fēng)量的計(jì)算

（1）回采工作面風(fēng)量計(jì)算。按通風(fēng)排塵風(fēng)量、排塵風(fēng)速（峒室型采場(chǎng)最低風(fēng)速）不應(yīng)小于0.15 m/s。

采場(chǎng)和掘進(jìn)巷道不應(yīng)小于0.25 m/s、排除炮煙計(jì)算，取其最大值作為回采工作面風(fēng)量，每個(gè)回采工作面風(fēng)量為2.5 m3/s。

（2）備用工作面風(fēng)量計(jì)算?？紤]茶山礦生產(chǎn)管理的具體情況并結(jié)合井下采場(chǎng)布置，備用工作面不設(shè)計(jì)臨時(shí)密閉措施，故每個(gè)備用工作面風(fēng)量設(shè)計(jì)取1.5 m3/s。

（3）掘進(jìn)工作面風(fēng)量計(jì)算。掘進(jìn)工作面的分布和數(shù)量由礦井采掘比大致確定。按現(xiàn)有開拓采準(zhǔn)巷道斷面，每個(gè)掘進(jìn)工作面風(fēng)量設(shè)計(jì)取1.5 m3/s。

（4）硐室風(fēng)量。硐室不單獨(dú)占用風(fēng)量，與礦井進(jìn)風(fēng)巷道串聯(lián)，對(duì)主風(fēng)流無(wú)污染，不計(jì)全礦風(fēng)量。

（5）分項(xiàng)計(jì)算總風(fēng)量：Q=32.4 m3/s。

4.3 通風(fēng)總阻力計(jì)算

4.3.1 風(fēng)量分配的基本原則

（1）采掘工作面、井下硐室等需風(fēng)點(diǎn)應(yīng)按照各工作面所需風(fēng)量和采掘進(jìn)度計(jì)劃的要求分配風(fēng)量。

（2）風(fēng)量分配應(yīng)符合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中巷道阻力條件，否則應(yīng)采取措施進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）各需風(fēng)點(diǎn)、井巷的風(fēng)速必須符合規(guī)程規(guī)定。

4.3.2 主扇安裝位置的選擇

從南礦段通風(fēng)實(shí)測(cè)的礦井總出風(fēng)量大于實(shí)測(cè)進(jìn)風(fēng)量的結(jié)果，結(jié)合礦井的具體開采情況可以了解到回風(fēng)段存在嚴(yán)重漏風(fēng)現(xiàn)象。由于170以上的中段基本上已采完，有些已廢采場(chǎng)和巷道并沒有得到有效的封閉，并且從120中段到六廟坑口的通風(fēng)路線很長(zhǎng)，達(dá)千余米，如果將主扇安裝在六廟坑口，回風(fēng)段密閉工程量勢(shì)必相當(dāng)大，難度也會(huì)很大，稍有密閉不嚴(yán)，很可能在回風(fēng)段造成風(fēng)流短路，新風(fēng)到不了工作面，污風(fēng)排不出。所以為了提高礦井有效風(fēng)量率，減小井下密閉工程，降低礦井的通風(fēng)阻力，確定將主扇安裝在坑內(nèi)。

主扇安裝在坑內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)是：主扇裝置的漏風(fēng)較少；主扇靠近工作面，礦井有效風(fēng)量率較高；可以同時(shí)利用多井巷進(jìn)風(fēng)和多井巷回風(fēng)，因而降低礦井通風(fēng)阻力并節(jié)省大量密閉工程。

其缺點(diǎn)是：安裝供電檢修維護(hù)不方便；容易遭受井下大爆破或其他災(zāi)害的破壞。

考慮到六廟工區(qū)深部盲斜井與北120中段貫通處，比較靠近工作面，較少受爆破沖擊波的影響，沒有地壓及其他自然災(zāi)害的影響，進(jìn)風(fēng)風(fēng)路和回風(fēng)風(fēng)路易于嚴(yán)密隔絕，主扇運(yùn)輸?shù)桨惭b地點(diǎn)要方便，供電方便，電源可靠，選擇在六廟工區(qū)深部盲斜井與北120中段貫通40 m處安裝主扇。

4.3.3 礦井通風(fēng)總阻力計(jì)算

在主扇的服務(wù)期內(nèi)，隨著采掘工作面及中段接替的變化，通風(fēng)系統(tǒng)的總阻力也將因之變化。為了使主扇在整個(gè)服務(wù)期限都能滿足需要，而且有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，按照礦井開拓布局和采掘工作面接替安排，對(duì)主扇服務(wù)期內(nèi)不同時(shí)期的系統(tǒng)總阻力的變化進(jìn)行分析，將礦井通風(fēng)劃分為兩個(gè)時(shí)期：通風(fēng)容易時(shí)期和困難時(shí)期。然后，根據(jù)風(fēng)量和巷道參數(shù)計(jì)算出最大總阻力。沿著通風(fēng)容易和困難時(shí)期的風(fēng)流路線，依次計(jì)算各段摩擦阻力，然后分別累計(jì)得出容易和困難時(shí)期的總摩擦阻力。

通風(fēng)容易時(shí)期的總阻力 hme=1.15h1=1823 Pa

通風(fēng)困難時(shí)期的總阻力 hmd=1.15h2=2352 Pa

4.4 風(fēng)機(jī)選型

（1）計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)量 Qf。

式中：Qf為主要風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量，m3/s；Qm為礦井需風(fēng)量，m3/s；k為漏風(fēng)損失系數(shù)，取k=1.1。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得：Qf=35.64 m3/s

（2）計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)壓。

風(fēng)壓計(jì)算式為：Htd=hm+hd+hvd±HN

容易時(shí)期：Htd=hm+hd+hvd-HN

困難時(shí)期：Htd=hm+hd+hvd+HN

式中：Htd為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；HN為礦井自然風(fēng)壓，Pa；hm為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的總阻力，Pa；hd為通風(fēng)機(jī)附屬裝置的阻力，Pa；hvd為擴(kuò)散器出口動(dòng)能損失，Pa。

對(duì)于軸流式風(fēng)機(jī)，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得風(fēng)機(jī)的最小、最大風(fēng)壓為：

根據(jù)通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)參數(shù)對(duì)初選的通風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全性比較，最后確定通風(fēng)機(jī)的型號(hào)為DK62―No16 和轉(zhuǎn)速 n=960 r/min，安裝角 2.5°，風(fēng)量為 20 m3/s～62 m3/s，風(fēng)阻為 960 Pa～2960 Pa，效率為80%，其性能曲線如圖2所示。

圖2 DK62―No16性能曲線

4.5 電動(dòng)機(jī)選型

（1）通風(fēng)機(jī)輸入功率按通風(fēng)容易及困難時(shí)期，分別計(jì)算通風(fēng)機(jī)所需輸入功率Nmin、Nmax。

式中：ηs為通風(fēng)機(jī)靜壓效率，取 ηs=0.8；Nmin、Nmax分別為礦井通風(fēng)容易時(shí)期和通風(fēng)困難時(shí)期通風(fēng)機(jī)的輸入功率，kW。

經(jīng)計(jì)算，得：

（2）電動(dòng)機(jī)的臺(tái)數(shù)及種類?？紤]到風(fēng)機(jī)動(dòng)壓的損失（漏風(fēng)等損失）,取動(dòng)壓系數(shù)為1.05。

式中：K為電機(jī)功率貯備系數(shù)，一般情況下取1.1～1.20,現(xiàn)取K=1.10；ηs為通風(fēng)機(jī)靜壓效率，取ηs=0.75；N為所需兩臺(tái)電機(jī)的總功率。

（3）設(shè)計(jì)選型。根據(jù)通風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)要求及礦井無(wú)爆炸性氣體、粉塵，設(shè)計(jì)選取普通型電機(jī)。

（4）備用電機(jī)。根據(jù)《金屬非金屬地下礦山安全規(guī)程》的規(guī)定：礦井每臺(tái)主扇必須具有相同型號(hào)和規(guī)格的備用電機(jī)。因此，設(shè)計(jì)選取備用電機(jī)一臺(tái)，電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)技術(shù)參數(shù)

5 通風(fēng)系統(tǒng)改造后的實(shí)測(cè)效果

茶山礦南礦段通風(fēng)系統(tǒng)改造完成后，選定了測(cè)點(diǎn)，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行了全面的測(cè)定，阻力測(cè)定工作采用基點(diǎn)氣壓法，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表4。

表4 南礦段各測(cè)點(diǎn)通風(fēng)參數(shù)測(cè)定記錄表

從表4可以看出，改造后的礦井通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)符合有關(guān)規(guī)范的規(guī)定[1，5]，井下溫度已經(jīng)全部降到27℃以下，而在改造前的溫度最高達(dá)37℃以上；礦井有效風(fēng)量達(dá)30.58 m3/s，而改造前僅有6.142m3/s；礦井有效風(fēng)量率為90.98%，已經(jīng)超過(guò)規(guī)范中不得小于60%的規(guī)定，而改造前礦井的有效風(fēng)量率僅為46.9%；外部漏風(fēng)量為3.03 m3/s，外部漏風(fēng)率僅為9%，小于15%，而改造前礦井外部漏風(fēng)率為29.5%，井下新鮮風(fēng)流大大增加，工作環(huán)境大大改善，已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

（1）在對(duì)改造前的茶山礦南礦段通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)阻力測(cè)定的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題，應(yīng)當(dāng)改造成機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，并增加必要的通風(fēng)構(gòu)筑物。

（2）根據(jù)茶山礦南礦段的生產(chǎn)部署及需風(fēng)量情況，選擇南礦段和北礦段分別采用獨(dú)立通風(fēng)方式的方案進(jìn)行改造。

（3）通風(fēng)系統(tǒng)的改造調(diào)整，要對(duì)井下作業(yè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)際測(cè)定，并進(jìn)行充分的必要性論證、嚴(yán)密的組織工作、周密完善的安全技術(shù)措施，最終保證工作的順利實(shí)施。

[1]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.GB16423—2006金屬非金屬礦山安全規(guī)程[S].北京，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2]吳 超.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2008.

[3]劉 劍.流體網(wǎng)絡(luò)理論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002.

[4]馬萃林.某有色金屬礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014，30（2）：70-73.

[5]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ2013.2—2008金屬非金屬地下礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范[S].北京，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[6]汪光鑫，汪驚奇，王海寧，等.技改礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2013，42（6）：76-79.

[7]田長(zhǎng)順，黃洪祥，王志勇.金屬非金屬地下礦山通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[J].有色金屬科學(xué)與工程，2013，4（1），67-71.

[8]宋澤陽(yáng)，李學(xué)創(chuàng)，齊文宇，等.礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性定量判定方法研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，21（9）：119-124.

[9]劉雪峰，程元平，胡星科，等.礦井通風(fēng)安全管理計(jì)算方法與程序設(shè)計(jì)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[10]程 哲.大型銅礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究與應(yīng)用[D].贛州，江西理工大學(xué)，2011.