羅河鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化與調(diào)控技術(shù)*

賈敏濤 吳冷峻 張 輝

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；

3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司)

羅河鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化與調(diào)控技術(shù)*

賈敏濤1,2,3吳冷峻1,2,3張 輝4

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；

3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司)

馬鋼羅河鐵礦一期開采初步設(shè)計采用無底柱分段崩落法開采，之后由于該鐵礦征地動遷可操作性差，采礦方法改用充填法，同時通風(fēng)系統(tǒng)也需要進行重新優(yōu)化設(shè)計。通過井巷工程的現(xiàn)場調(diào)研、采礦工藝研究和礦山熱環(huán)境綜合評價，確定了羅河鐵礦多級機站通風(fēng)技術(shù)方案。方案實施后，經(jīng)現(xiàn)場檢測，通風(fēng)效果良好，井下作業(yè)環(huán)境明顯改善。

多級機站通風(fēng) 系統(tǒng)優(yōu)化 網(wǎng)絡(luò)解算

礦井通風(fēng)是礦井安全生產(chǎn)的基本保障，是保證井下人員安全、健康，促進地下開采高效生產(chǎn)的一個重要因素[1]。我國自上世紀50年代初實行機械通風(fēng)以來，在通風(fēng)系統(tǒng)的完善和改進方面進行了大量工作，80年代以來又對礦井通風(fēng)節(jié)能技術(shù)進行了探索，為建立適合我國特點的可靠而經(jīng)濟的通風(fēng)系統(tǒng)積累了豐富的經(jīng)驗。以羅河鐵礦為例，對其通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，為確保該礦山安全生產(chǎn)提供參考。

1 礦山概況

1.1 開拓系統(tǒng)

羅河鐵礦礦體埋藏深度為-382～-846 m，一期首采礦體主要賦存深度為-440～-620 m。礦山開拓采用豎井開拓方式，一期形成6條豎井，即一期主井、副井、措施井、進風(fēng)井、1#回風(fēng)井和2#回風(fēng)井，各井筒主要參數(shù)見表1。

表1 礦山井下主要井巷工程

1.2 采礦工藝

羅河鐵礦初步設(shè)計初期采用無底柱分段崩落法開采，之后改為充填法：①垂直深孔階段空場嗣后充填采礦法；②中深孔分段空場嗣后充填采礦法；③點柱式上向分層充填采礦法。

2 初步設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)分析

2.1 初步設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)

初步設(shè)計采用多級機站通風(fēng)系統(tǒng)，在-545 m 水平設(shè)置專用進風(fēng)水平，-440 m設(shè)置回風(fēng)水平。在8#勘探線附近設(shè)置采區(qū)進風(fēng)天井，每條采區(qū)進風(fēng)天井與每個分層采礦進路聯(lián)絡(luò)巷相接，在采場東側(cè)設(shè)置采區(qū)回風(fēng)天井，每個分層的采礦進路聯(lián)絡(luò)巷與采區(qū)回風(fēng)天井相接。

新鮮風(fēng)流從副井和進風(fēng)井進入，經(jīng)-545 m水平專用進風(fēng)巷，通過采區(qū)進風(fēng)天井進入采礦進路聯(lián)絡(luò)巷，清洗工作面后的污風(fēng)經(jīng)采區(qū)回風(fēng)天井回至-440 m 回風(fēng)水平，經(jīng)1#、2#主回風(fēng)井排出地表，形成副井、進風(fēng)井進風(fēng)，主回風(fēng)井回風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)存在問題

(1)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不完整。通風(fēng)系統(tǒng)缺主井、采區(qū)電梯井、斜坡道、聯(lián)絡(luò)巷，容易造成采區(qū)風(fēng)流短路及污風(fēng)循環(huán)問題，導(dǎo)致系統(tǒng)總風(fēng)量不足。

(2)機站風(fēng)機設(shè)置不合理。3級機站均為有風(fēng)墻機站，一級進風(fēng)機站風(fēng)壓較大，將在進風(fēng)側(cè)產(chǎn)生風(fēng)流循環(huán)現(xiàn)象，且-545 m采區(qū)進風(fēng)機站易受采區(qū)爆破沖擊波和泄水(采區(qū)進風(fēng)井兼作泄水井)影響而毀壞，直接導(dǎo)致系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行。

(3)通風(fēng)系統(tǒng)能耗偏高。通風(fēng)系統(tǒng)裝機容量為4 713.5 kW，系統(tǒng)通風(fēng)阻力為4 210 Pa(包括機站局部阻力，不包括通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)局部阻力)，通風(fēng)能耗及系統(tǒng)阻力偏大。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控

3.1 技術(shù)路線

在分析研究了初步設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)方案和采礦工藝的基礎(chǔ)上，進行了通風(fēng)系統(tǒng)方案優(yōu)選和風(fēng)機型號優(yōu)選。在此基礎(chǔ)上進行了通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算，對方案的實施效果進行預(yù)測。在方案實施后，對整個通風(fēng)系統(tǒng)實施效果進行全面檢測，提出進一步整改意見。技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線

3.2 礦井總供風(fēng)量計算

正確計算礦井總需風(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)，礦井總風(fēng)量供給不足，易導(dǎo)致井下勞動條件惡化，達不到安全通風(fēng)的要求[2-3]。根據(jù)羅河鐵礦井下柴油設(shè)備運行、采場分布、各大硐室分布和井下人員作業(yè)情況，核算了該礦井下通風(fēng)系統(tǒng)總需風(fēng)量為357.9m3/s，考慮到通風(fēng)系統(tǒng)的動態(tài)性、需風(fēng)地點的可變性和羅河鐵礦存在高地溫情況，在礦井總需風(fēng)量的基礎(chǔ)上需增加一定的備用系數(shù)。經(jīng)核算，最終確定羅河鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)總供風(fēng)量為450 m3/s，按初步設(shè)計中礦山生產(chǎn)規(guī)模300萬t/a計算，萬噸風(fēng)量比為1.5[4-5]。

3.3 通風(fēng)方式與通風(fēng)系統(tǒng)

羅河鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合礦山基建措施工程的布置，設(shè)計采用“三進二回”的通風(fēng)網(wǎng)路，進風(fēng)井、措施井和副井進風(fēng)，專用回風(fēng)井回風(fēng)的中央對角式通風(fēng)系統(tǒng)。新風(fēng)由進風(fēng)井、副井和措施井進入井下-545 m進風(fēng)水平和-560 m運輸水平后通過設(shè)置于采場東側(cè)的采區(qū)進風(fēng)天井進入各個水平，風(fēng)流通過用風(fēng)地點后由設(shè)置于采場西側(cè)的回風(fēng)天井上排至-455 m回風(fēng)水平，最后經(jīng)總回風(fēng)機站通過1#、2#主回風(fēng)井排出地表。溜破系統(tǒng)的新鮮風(fēng)流通過粉礦回收電梯井分別進入到破碎水平、皮帶道水平、粉礦回收水平，清洗工作面以后通過破碎系統(tǒng)回風(fēng)井上排至-560 m運輸水平，在-560 m破碎系統(tǒng)回風(fēng)井口設(shè)置溜破系統(tǒng)回風(fēng)機站和除塵設(shè)備，污風(fēng)經(jīng)過除塵設(shè)備除塵達標后排放至-560 m運輸水平。

3.4 通風(fēng)設(shè)備與通風(fēng)工程

井下共設(shè)3級機站，通風(fēng)設(shè)備型號及安裝形式見表2。

表2 井下主要風(fēng)機安裝分布

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，-455 m水平4條主回風(fēng)巷斷面設(shè)計施工面積為9 m2，4條巷道回風(fēng)斷面施工面積共計36 m2，系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)量為450 m3/s，4條大巷回風(fēng)斷面偏小。為了保證通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，為礦山后續(xù)持續(xù)發(fā)展留有余地，設(shè)計將-455 m水平4條回風(fēng)大巷斷面均刷大至15.49 m2。同時考慮到井下通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)控，在井下設(shè)置了部分通風(fēng)構(gòu)筑物，具體安裝位置和安裝形式見表3。

3.5 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

羅河鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)共包括115個節(jié)點、181條分支、10個機站。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案計算機網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果分別見表4、表5。

羅河鐵礦礦井總風(fēng)量為457.46 m3/s，滿足設(shè)計的礦井總風(fēng)量要求(450 m3/s)，溜破系統(tǒng)進風(fēng)量為40.89 m3/s,通風(fēng)系統(tǒng)機站平均效率為85.3%。進風(fēng)井平均風(fēng)速為8.91 m/s；措施井平均風(fēng)速為1.24 m/s；副井進風(fēng)量為181.39 m3/s，平均風(fēng)速為5.47 m/s。1#回風(fēng)井平均風(fēng)速為9.29 m/s；2#回風(fēng)井平均風(fēng)速為9.97 m/s，各井筒進回風(fēng)風(fēng)速均符合礦山安全規(guī)程要求。

4 應(yīng)用效果檢測

(1)通風(fēng)系統(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)總風(fēng)量為469.21 m3/s，滿足通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計要求。系統(tǒng)風(fēng)機裝機容量為2 065 kW，實耗功率合計1 607.86 kW，系統(tǒng)風(fēng)機平均效率為80.96%，滿足“系統(tǒng)平均風(fēng)機靜壓效率不小于70%”[6]的要求。

表3 主要通風(fēng)工程和通風(fēng)構(gòu)筑物

表4 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案解算結(jié)果

表5 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案網(wǎng)絡(luò)解算風(fēng)量分配 m3/s

(2)溜破系統(tǒng)總進風(fēng)量為38.35 m3/s，溜破系統(tǒng)總回風(fēng)量為38.35 m3/s。

(3)通風(fēng)系統(tǒng)有效風(fēng)量合計326.20 m3/s，系統(tǒng)有效風(fēng)量率為69.52%，滿足通風(fēng)系統(tǒng)有效風(fēng)量率≥60%的合格標準[6]。

(4)各檢測點CO檢測值為(0～6 )×10-6，NO2檢測值為(0～0.1) ×10-6，SO2檢測值為(0～0.2) ×10-6，各測點均未檢測到H2S氣體，有毒有害氣體滿足規(guī)定限值要求[6]，井下空氣質(zhì)量合格率為100%。

5 結(jié) 論

(1)在進行主要通風(fēng)設(shè)備選型時，應(yīng)充分考慮到井下分風(fēng)的問題，進風(fēng)機站風(fēng)機全壓不宜過高，僅克服進風(fēng)井筒通風(fēng)阻力即可，應(yīng)避免進風(fēng)機站風(fēng)壓過高而在進風(fēng)側(cè)形成的風(fēng)流循環(huán)現(xiàn)象。

(2)井下主要井筒和巷道的風(fēng)速在滿足安全規(guī)程要求的前提下還應(yīng)當(dāng)考慮其經(jīng)濟性，在保證通風(fēng)需要和規(guī)程要求的情況下應(yīng)進行通風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析，避免因盲目減小通風(fēng)系統(tǒng)初期建設(shè)投資而增加通風(fēng)系統(tǒng)能耗，造成通風(fēng)系統(tǒng)運行成本過高。

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

[2] 《金屬礦井通風(fēng)防塵設(shè)計參考資料》編寫組.金屬礦井通風(fēng)防塵設(shè)計參考資料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1982.

[3] 王運敏.現(xiàn)代采礦手冊：下冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[4] 《采礦設(shè)計手冊》編寫委員會.采礦設(shè)計手冊：礦床開采卷[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986.

[5] 周培棋，李弘煜，賈敏濤.丁家山鉛鋅礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(9)：148-149.

[6] 中華人民共和國國家安全監(jiān)督管理總局.AQ 2013.2—2008 金屬非金屬地下礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

*“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB14B01)。

2015-01-01)

賈敏濤(1987—)，男，助理工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。