均壓通風(fēng)防漏技術(shù)在金礦殘礦回收中的應(yīng)用

溫軍鎖，嚴(yán)鵬，唐學(xué)義，宋士生

（1.中國黃金集團公司，北京100011；2.長春黃金研究院，長春130012）

均壓通風(fēng)防漏技術(shù)在金礦殘礦回收中的應(yīng)用

溫軍鎖1，嚴(yán)鵬2，唐學(xué)義2，宋士生2

（1.中國黃金集團公司，北京100011；2.長春黃金研究院，長春130012）

近年來隨著黃金價格上漲，過去采易棄難、采富棄貧形成的殘余礦量已具備了較高的開采價值。由于大量采空區(qū)的存在以及井下采空區(qū)本身的復(fù)雜性，殘礦回收的通風(fēng)條件較差，存在著一定的通風(fēng)安全和職業(yè)健康隱患。利用輔扇開放式均壓通風(fēng)技術(shù)可以在減少專用通風(fēng)設(shè)施的情況下實現(xiàn)均壓通風(fēng)。經(jīng)過研究以及實際應(yīng)用，采用均壓通風(fēng)技術(shù)進行防漏取得明顯效果，通風(fēng)系統(tǒng)更安全可靠，扇風(fēng)機運轉(zhuǎn)效率更高，經(jīng)濟效果顯著。

均壓通風(fēng)；防漏技術(shù)；復(fù)雜采空區(qū)

近幾十年來，我國社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展加速帶動了礦產(chǎn)資源的需求。黃金礦山采用空場采礦法開采形成的大量地下采空區(qū)，正嚴(yán)重威脅著礦山的生產(chǎn)安全。同時，隨著資源價格上漲，過去采易棄難、采富棄貧形成的殘余礦量已具備了較高的開采價值。因此，殘礦回收這項工作目前在黃金礦山非常普遍，尤其在一些資源危機型礦山，殘礦回收的采礦量甚至占其總采礦量的一半以上。由于大量采空區(qū)的存在以及井下采空區(qū)本身的復(fù)雜性，殘礦回收的通風(fēng)條件變差，存在著一定的通風(fēng)安全和職業(yè)健康隱患。中國黃金集團公司控股的某金礦，由于多年的地下開采，井下累計形成總體積約30萬m3的采空區(qū)，這些采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜，相互連通，對井下通風(fēng)十分不利，殘礦回收面臨較大的通風(fēng)安全隱患［1－2］。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

某黃金礦山現(xiàn)采用混合式通風(fēng)系統(tǒng)，新、老豎井大體位于礦體走向中央作為進風(fēng)井，井下兩翼回風(fēng)，污風(fēng)由東回風(fēng)井排到地表；回風(fēng)井設(shè)有扇風(fēng)機房，安裝一臺75kW主扇做抽出式工作。該公司的采空區(qū)較為復(fù)雜，有多個殘礦回采中段，同時較長的通風(fēng)線路造成了漏風(fēng)地點多的問題。目前首先要解決的問題是根據(jù)礦體開采情況和地質(zhì)資源儲量優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)路，在此基礎(chǔ)上對防漏風(fēng)技術(shù)進行研究，形成完整的新型通風(fēng)系統(tǒng)［3－4］。

風(fēng)量測量結(jié)果表明，漏風(fēng)主要發(fā)生在通風(fēng)系統(tǒng)西部采空區(qū)，西部進風(fēng)通過采空區(qū)向總回風(fēng)道漏風(fēng)，西翼進風(fēng)量15.8m3/s，但進入150m、120m、100 m中段用風(fēng)段的風(fēng)量共為11m3/s，100m中段幾乎無風(fēng)，有效風(fēng)量率不足70%。

漏風(fēng)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）進風(fēng)向回風(fēng)漏風(fēng)，使采掘工作面，尤其是通風(fēng)系統(tǒng)的邊遠(yuǎn)作業(yè)面如100m中段的供風(fēng)量減少，有效風(fēng)量率降低，工作面空氣質(zhì)量下降，易發(fā)生炮煙中毒事故。

2）通風(fēng)系統(tǒng)西部回風(fēng)向進風(fēng)漏風(fēng)，造成污風(fēng)串聯(lián)，風(fēng)流循環(huán)，風(fēng)路紊亂，也會使工作面空氣質(zhì)量下降，發(fā)生通風(fēng)安全事故。

3）漏風(fēng)通道多與其它風(fēng)路構(gòu)成并聯(lián)網(wǎng)路，使整個通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)阻減少，主扇的工作風(fēng)阻相應(yīng)減少導(dǎo)致其運轉(zhuǎn)效率降低，增加扇風(fēng)機的無用功，使通風(fēng)成本增加；扇風(fēng)機效率分析說明，主扇效率不足60%。

4）漏風(fēng)通道及其漏風(fēng)的存在，改變了預(yù)設(shè)的通風(fēng)系統(tǒng)及風(fēng)路關(guān)系，造成通風(fēng)調(diào)節(jié)和管理的困難。

5）更為嚴(yán)重的是，給在發(fā)生礦井災(zāi)害時的救災(zāi)風(fēng)流控制帶來不確定性，影響救災(zāi)時的通風(fēng)效果。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)中發(fā)生漏風(fēng)的必要條件如下：一是存在漏風(fēng)通道；二是漏風(fēng)通道兩端存在風(fēng)壓差，缺少其中一個條件就不會發(fā)生漏風(fēng)。因此，只要破壞這兩個條件同時存在的狀態(tài)就能避免漏風(fēng)。具體做法是，或者堵塞漏風(fēng)通道，或者消除漏風(fēng)通道兩端的風(fēng)壓差；如果減少漏風(fēng)通道兩端的風(fēng)壓差，即可收到減少漏風(fēng)的效果［5］。

根據(jù)漏風(fēng)風(fēng)流的流動規(guī)律h＝R漏Q漏2，漏風(fēng)風(fēng)阻是漏風(fēng)通道的固有特性，R漏與井巷的摩擦阻力系數(shù)有關(guān)，通過實際測量，該金礦通風(fēng)系統(tǒng)中的漏風(fēng)主要發(fā)生在采空區(qū)。該礦采空區(qū)分布范圍大，形態(tài)復(fù)雜空間大，封堵難度大。為降低漏風(fēng)率，可降低漏風(fēng)巷道兩端的壓差，使漏風(fēng)巷道進出口兩端的通風(fēng)壓力達(dá)到平衡［6－8］。

2 均壓通風(fēng)技術(shù)

在礦山通風(fēng)系統(tǒng)的任何區(qū)域，通風(fēng)巷道兩個節(jié)點的壓力差及通風(fēng)巷道的風(fēng)阻決定通風(fēng)量的大小，兩個節(jié)點風(fēng)壓的相對大小決定風(fēng)流的方向。若通過調(diào)節(jié)風(fēng)壓大小的方式盡量使通風(fēng)巷道或者某個區(qū)域進出口的風(fēng)壓差減小，甚至為0，從而達(dá)到少漏風(fēng)或者不漏風(fēng)的目的，即為均壓通風(fēng)的基本原理［9］。

2.1 均壓通風(fēng)原則

在工程應(yīng)用中，實施均壓通風(fēng)技術(shù)需要滿足以下要求［10］：

1）為防止局扇發(fā)生循環(huán)風(fēng)，需使局扇的風(fēng)量小于全風(fēng)量。

2）使上、下風(fēng)道的絕對壓力盡量提高，以降低壓差。

2.2 均壓通風(fēng)方法

實現(xiàn)均壓通風(fēng)有多種方法。在實際工作中，根據(jù)漏風(fēng)通道或區(qū)域的具體情況，可以相應(yīng)地采用一種或幾種方法。

1）風(fēng)窗調(diào)節(jié)法

風(fēng)窗調(diào)節(jié)法就是通過在要改變風(fēng)壓的分支上設(shè)置風(fēng)窗，達(dá)到改變該分支風(fēng)壓的目的。將風(fēng)窗安設(shè)在一條有風(fēng)壓作用的風(fēng)路里，則該風(fēng)路中原有的壓力變化趨勢將改變，風(fēng)窗使前面風(fēng)路中的風(fēng)壓增高，后面風(fēng)路中的風(fēng)壓降低。開啟面積計算方法如下：

式中：Q—工作面風(fēng)量，m3/s；S回—回風(fēng)巷斷面面積，m2；hw—風(fēng)門的阻力，Pa，即風(fēng)門兩側(cè)壓差。

2）風(fēng)機調(diào)節(jié)法

通過在風(fēng)路上安裝輔扇來調(diào)節(jié)風(fēng)壓的方法即為風(fēng)機調(diào)節(jié)法。一般有如下兩種情況，有風(fēng)墻的輔扇和無風(fēng)墻的輔扇，若風(fēng)壓調(diào)節(jié)范圍較小，一般采用后者，可利用輔扇出口一部分風(fēng)流的動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，這種方法簡單易行收效快。

風(fēng)機調(diào)壓性能是使風(fēng)機前面的風(fēng)壓呈正壓狀態(tài)，后面的風(fēng)壓呈負(fù)壓狀態(tài)。如果將風(fēng)機安設(shè)在一條有風(fēng)壓作用的風(fēng)路內(nèi)，則風(fēng)機后面的相對壓力較前面的增高，前面的壓力則降低。

3）風(fēng)機、風(fēng)窗聯(lián)合調(diào)節(jié)法

顧名思義，風(fēng)機、風(fēng)窗聯(lián)合調(diào)節(jié)法就是將風(fēng)機和風(fēng)窗同時安設(shè)在需要調(diào)壓的巷道中。根據(jù)風(fēng)機調(diào)節(jié)法及風(fēng)窗調(diào)節(jié)法各自的特點可知，若風(fēng)機安設(shè)在風(fēng)窗之后，則使相對壓力降低；若風(fēng)機安設(shè)在風(fēng)窗之前，則使相對壓力提高。

4）通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)法

礦井通風(fēng)系統(tǒng)往往具有復(fù)雜性，其和礦山的開拓系統(tǒng)與回采工藝緊密聯(lián)系。為防止漏風(fēng)而優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，根本原理是降低漏風(fēng)通道兩端的風(fēng)壓差。具體措施為調(diào)節(jié)風(fēng)窗的面積的大小，改變或增減風(fēng)門、風(fēng)墻等通風(fēng)構(gòu)筑物的位置與數(shù)量，或者改善風(fēng)路的布局等，以達(dá)到防止漏風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)壓的目的。

現(xiàn)以圖1為例進行說明：

圖1 角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)路示意圖Fig.1 Diagonal ventilation network diagram

假設(shè)圖1所示的角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)路中4節(jié)點的風(fēng)壓比2節(jié)點的風(fēng)壓高，且4節(jié)點屬于采空區(qū)一側(cè)，2節(jié)點屬于工作面一側(cè)，因此，漏風(fēng)的風(fēng)流方向為節(jié)點4至節(jié)點2。若均衡2節(jié)點與4節(jié)點的風(fēng)壓，可通過提高2節(jié)點風(fēng)壓或降低4節(jié)點風(fēng)壓兩種方式。具體調(diào)節(jié)措施可在2、3節(jié)點之間安設(shè)2道調(diào)節(jié)風(fēng)窗，或者在2、6節(jié)點安設(shè)局扇和風(fēng)門，從而提高節(jié)點2處的風(fēng)壓。從而使2節(jié)點的風(fēng)壓高于4節(jié)點的風(fēng)壓，使漏風(fēng)風(fēng)流的方向改變?yōu)楣?jié)點2至節(jié)點4，即改變了采空區(qū)風(fēng)流的流動方向，達(dá)到均壓通風(fēng)的目的。

考慮到需要對采空區(qū)進行定期巡查，研究確定采用無風(fēng)墻輔扇升壓調(diào)節(jié)法實現(xiàn)均壓通風(fēng)，以減少采空區(qū)漏風(fēng)［11］。

2.3 均壓通風(fēng)參數(shù)

無風(fēng)墻輔扇升壓調(diào)節(jié)法的作用是靠它的出口動壓增壓并引射風(fēng)流。見圖2。

圖2 無風(fēng)墻輔扇Fig.2 The auxiliary fan without wind wall

無風(fēng)墻輔扇的有效風(fēng)壓是單位體積內(nèi)輔扇出口動壓除去能量損失后的能量，以ΔH表示。無風(fēng)墻輔扇在巷道中所造成的有效風(fēng)壓按式（2）計算。

式中：Hv—輔扇出口的動壓，Pa；S0—輔扇出口的斷面，m2；S—安設(shè)輔扇巷道的斷面，m2；K—試驗系數(shù)，它與輔扇在巷道中的安裝條件有關(guān)，K值變化于1.5～1.8，安裝條件較好時取大值。

式中：ν0—輔扇出口的風(fēng)速，m/s。

無風(fēng)墻輔扇應(yīng)用注意事項如下［12－13］：

1）為提高增壓效果，可以用其有效風(fēng)壓與輔扇出口動壓成正比的原理，在扇風(fēng)機出口安設(shè)合適的引射器來提高出口的動壓。

2）為減少能量損失，提高增壓效果，可利用其有效風(fēng)壓與巷道斷面面積成反比的原理，選擇平直、斷面面積較小的巷道安設(shè)輔扇，且最好將輔扇安設(shè)在巷道斷面中心位置，使風(fēng)流沿著巷道中心線流動。

3）若輔扇安裝巷道的風(fēng)阻較大，須防止輔扇附近出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)流。

輔扇調(diào)節(jié)法機動靈活、簡單易行，并能降低礦井阻力，減少礦井漏風(fēng)，增大礦井總風(fēng)量。

因此，從理論上說，漏風(fēng)通道的風(fēng)壓差h漏為零時即可杜絕漏風(fēng)，無風(fēng)墻輔扇在巷道中所造成的有效風(fēng)壓ΔH＝h漏就能抑制漏風(fēng)。

3 均壓通風(fēng)應(yīng)用方案

經(jīng)估測，通風(fēng)系統(tǒng)西側(cè)進風(fēng)段與回風(fēng)道的壓降之間的壓差為102Pa，根據(jù)這個風(fēng)壓值，選擇K40－4－NO.10（15kW）風(fēng)機作為增壓風(fēng)機，安裝在靠近330m中段西翼回風(fēng)道起點的位置。

另外，由于原有主扇在高壓低風(fēng)量下運行，效率低，風(fēng)機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，井下工作面風(fēng)量不足，影響安全生產(chǎn)，經(jīng)過優(yōu)化配置，改用兩臺K40－4－NO.12（37kW）風(fēng)機作為主扇，兩臺風(fēng)機串聯(lián)作業(yè)，一臺安裝在回風(fēng)井井口，另一臺安裝在靠近總回風(fēng)道末端的位置。同時對通風(fēng)構(gòu)筑物，主要是密閉進行必要的調(diào)整。

3.1 均壓通風(fēng)系統(tǒng)模擬

采用Ventsim軟件進行通風(fēng)系統(tǒng)的仿真分析。Ventsim軟件能夠較好地模擬礦井通風(fēng)網(wǎng)路，可方便建立礦井通風(fēng)網(wǎng)路三維模型，具有良好的可視性，通過路徑模擬、風(fēng)網(wǎng)參數(shù)解算及風(fēng)機設(shè)置，可模擬通風(fēng)系統(tǒng)的運行效果與優(yōu)化設(shè)計［14］，見圖3。

模型解算結(jié)果與通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)論基本符合，系統(tǒng)的總風(fēng)量不足23m3/s，100中段的風(fēng)量不到1m3/s；尤其嚴(yán)重的是75kW的主扇低效率運行，高風(fēng)壓，低風(fēng)量，主扇與通風(fēng)系統(tǒng)不相匹配。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化模型

圖4為優(yōu)化后的礦井通風(fēng)系統(tǒng)。通過模型解算，總進風(fēng)量由原來不足23m3/s增加到27m3/s，尤其是深部100m中段風(fēng)量增加一倍，保證了系統(tǒng)中邊遠(yuǎn)工作面的通風(fēng)要求。在新系統(tǒng)中，所有扇風(fēng)機均為高效運轉(zhuǎn)，運轉(zhuǎn)效率均達(dá)90%。

圖3 Ventsim軟件應(yīng)用界面Fig.3 The application interface of Ventsim software

圖4 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化模型Fig.4 The optimization model of ventilation system

原有通風(fēng)系統(tǒng)可能存在采空區(qū)的多點漏風(fēng)，漏風(fēng)點不易準(zhǔn)確了解。通過在系統(tǒng)西翼150m中段進風(fēng)段與300m中段回風(fēng)段之間虛增一條漏風(fēng)通道，通道出口位于增壓輔扇前方；由于有輔扇的作用，使得漏風(fēng)通道兩端的壓差減少，從而實現(xiàn)減少漏風(fēng)。經(jīng)模型運算，虛設(shè)漏風(fēng)通道的漏風(fēng)量為0.6 m3/s，抑制漏風(fēng)的效果十分顯著。

4 結(jié)論

1）以均壓通風(fēng)技術(shù)抑制漏風(fēng)為主要目的的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，除增加了礦井總風(fēng)量、有效抑制漏風(fēng)、通風(fēng)系統(tǒng)更為穩(wěn)定、扇風(fēng)機運轉(zhuǎn)效率更高、通風(fēng)安全更為可靠等技術(shù)效益之外，還具有明顯的經(jīng)濟效益。

2）以扇風(fēng)機運轉(zhuǎn)效率90%為標(biāo)準(zhǔn)，原通風(fēng)系統(tǒng)的75kW主扇應(yīng)當(dāng)以67.5kW功率做功，但其實際效率只有60%，即只有45kW功率做功，損失功率22.5kW。優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)總裝機容量89kW，與原系統(tǒng)相比增加14kW，增加的功耗比損失的功耗少8.5kW，一年節(jié)省的電費即可收回更新設(shè)備的投入。

3）實踐證明，優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)使得殘礦回收過程中的通風(fēng)條件變好，存在的一定的通風(fēng)安全和職業(yè)健康隱患得到了極大改善。

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Application of pressure balance leakage protection technology in recovering remnant ore of gold mine

WEN Junsuo1，YAN Peng2，TANG Xueyi2，SONG Shisheng2
（1.China National Gold Group Co.，Ltd.，Beijing 100011，China；2.Changchun Gold Research Institute，Changchun 130012，China）

As the gold price rising in recent years，residual ore reserves formed by the blindly pursuing economic pattern of mining have become highly economically recoverable.But the mined－out area due to underground mining can be very complicated，and ventilation conditions during remnant ore mining become worse.Then there are potential safety risks in ventilation and occupational health.The technology of pressure equalizing open auxiliary fan can realize pressure equalization ventilation and decrease special ventilation facility.Due to research and practical application，adopting the technology of pressure equalizing open auxiliary fan to prevent loss of ventilation，the result has obtained obvious good effects.Ventilating system is more safety and reliable.Auxiliary fan is more efficient and the economic effect is remarkable.

pressure balance ventilation；leakage protection technology；complex cavity

TD725

Α

1671－4172（2015）02－0100－04

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.023

溫軍鎖（1960－），男，工程師，采礦工程專業(yè)，主要從事采礦技術(shù)及生產(chǎn)管理工作。