某大型錳礦山通風系統(tǒng)優(yōu)化研究

覃紅亮 達權昌 羅 燁

(1.貴州省地礦局102地質大隊；2.貴州省地礦局103地質大隊；3.甕福(集團)有限責任公司)

·安全·環(huán)?！?/p>

某大型錳礦山通風系統(tǒng)優(yōu)化研究

覃紅亮1達權昌2羅 燁3

(1.貴州省地礦局102地質大隊；2.貴州省地礦局103地質大隊；3.甕福(集團)有限責任公司)

為有效解決某大型錳礦通風系統(tǒng)串聯(lián)通風及風流頻繁短路等主要問題，采取修筑膠筒風橋，安裝雙道風門，封閉廢棄巷道，更換備用主扇和大直徑風筒等優(yōu)化措施，在工程實踐中得到了成功應用，顯著改善了通風效果，提高了井下安全作業(yè)條件，并提出了進一步優(yōu)化通風管理的建議，為類似非煤礦山通風系統(tǒng)優(yōu)化提供了參考與指導。

通風系統(tǒng) 風量換算 主扇風機能力 局扇風筒能力

非煤礦山采場數(shù)量多、作業(yè)點多，井下不同程度存在風量不足、風質差等問題，且隨著礦山開采深度的增加逐漸加劇，威脅礦山從業(yè)人員的身體健康及生命安全。因此，通風系統(tǒng)優(yōu)化研究十分必要[1-5]。 某大型錳礦于2006年建設，2011正式投產。礦山采用平硐+斜坡道綜合開拓方式，生產規(guī)模為15萬t/a。目前井下有1#平硐、2#平硐、460 m中段、435 m中段、420 m中段等主要井巷設施，目前采掘工程主要集中在420 m中段以下水平。本文通過分析該錳礦通風系統(tǒng)存在的問題，提出了優(yōu)化方案，并核算了優(yōu)化后的通風參數(shù)，分析了風機能力及優(yōu)化成本，最后提出了進一步改進的建議。

1 優(yōu)化前通風系統(tǒng)

該錳礦采用中央并列式負壓通風。2#平硐旁設置有引風道，安裝2臺抽出式通風機，1臺工作，1臺備用。通風系統(tǒng)為1#平硐進風、2#平硐回風，掘進工作面采用局部通風機壓入式通風。優(yōu)化前的礦山通風設備見表1。優(yōu)化前通風網絡見圖1。

表1 優(yōu)化前的礦山通風設備

礦山優(yōu)化前的通風線路有6條：通風線路1為鮮風→1#平硐→主巷副井→1#下山→1#下山Ⅱ切割→3#下山→420 m中段→4#下山→4#下山Ⅰ聯(lián)絡巷→5#下山→回風巷→460 m中段回風巷→2#平硐→地面；通風線路2為鮮風→1#平硐→主巷副井→1#下山→1#下山Ⅱ切割→3#下山→420 m中段→4#下山→4#下山Ⅱ聯(lián)絡巷→5#下山→回風巷→460 m中段回風巷→2#平硐→地面；通風線路3為鮮風→1#平硐→主巷副井→1#下山→1#下山Ⅳ切割→3#下山→420 m中段→4#下山→4#下山Ⅰ聯(lián)絡巷→5#下山→回風巷→460 m中段回風巷→2#平硐→地面；通風線路4為鮮風→1#平硐→主巷副井→1#下山→1#下山Ⅳ切割→3#下山→420中段→4#下山→4#下山Ⅱ聯(lián)絡巷→5#下山→回風巷→460 m中段回風巷→2#平硐→地面；通風線路5為鮮風→1#平硐→435 m中段→斜坡道→420 m中段→4#下山→4#下山Ⅰ聯(lián)絡巷→回風巷→460 m中段回風巷→2#平硐→地面；通風線路6為鮮風→1#平硐→435 m中段→斜坡道→420 m中段→4#下山→4#下山Ⅱ聯(lián)絡巷→5#下山→回風巷→460 m中段回風巷→2#平硐→地面。

圖1 優(yōu)化前的通風網絡示意

2 優(yōu)化前存在的問題

(1)串聯(lián)通風。目前礦山井下共有8個工作面同時作業(yè)，分別是420 m中段1#下山2個工作面，420 m中段3#下山2個工作面，420 m中段4#下山1個工作面，420 m中段5#下山3個工作面。結合圖1，可以分析出，3#節(jié)點流向4#節(jié)點的風流實際上已經通過了4個工作面，為粉塵等有害成分較多的污風，這些污風并沒有進入回風巷，而是與經1#平硐、435 m中段、斜坡道的新鮮風流在4#節(jié)點匯合后，共同經420 m中段向4#下山與5#下山共計4個工作面提供風源。由此可見，優(yōu)化前的通風系統(tǒng)存在大串聯(lián)通風的問題，既違反了《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)的規(guī)定，又極大降低4#下山與5#下山工作面的通風質量，危害作業(yè)人員的身體健康甚至生命安全。

(2)風流頻繁短路。2#平硐是該礦山的回風井，兼作運輸及行人通道。2#平硐口僅安裝有一道風門，人員、車輛從2#平硐出入時需開啟風門，此時地面風流經2#平硐、引風道，由主風機抽出，在主風機口和2#平硐口之間形成了風流短路。由于2#平硐承擔整個二工區(qū)礦石及廢渣的運輸及行人，運輸任務重，平均約10 min就需開啟一次2#平硐口風門，會導致風流短路；由于2#平硐口風門設置處于整個礦井通風系統(tǒng)的關鍵位置，其風流短路對礦井通風影響是全局性的，風流短路時井下各巷道及工作面風速風量驟減，甚至風流基本呈靜止狀態(tài)。風流頻繁短路嚴重影響井下的通風效果，成為該礦山通風系統(tǒng)優(yōu)化亟需解決的問題。

3 通風系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 通風優(yōu)化方案

礦井通風效果很大程度上取決于通風構筑物的設置和管理。該礦山通風系統(tǒng)存在大串聯(lián)通風和風流頻繁短路兩大主要問題，是由于未按規(guī)程要求設置風橋、風門及擋風墻等通風構筑物。由此提出通風系統(tǒng)優(yōu)化方案：

(1)修筑膠筒風橋，防止污風串聯(lián)。通風系統(tǒng)中進風道與回風道交叉時，為使新鮮風流與污風流互相隔開，需構筑風橋。該礦山在420 m中段3#下山修筑一個膠筒風橋，把1#下山和3#下山的污風通過風橋引到回風巷，避免與經1#平硐、435 m中段、斜坡道的新鮮風流在420 m中段3#下山口會合，從而保證420 m中段4#下山和5#下山的風流為新鮮風，有效解決了大串聯(lián)通風的問題。為使風橋更好地發(fā)揮作用，增加一臺11 kW輔助通風機。由于3#下山口承擔運輸行人任務，故在3#下山口增加一道自動風門。修筑風橋方案實施后的風橋、配套輔扇及風門見圖2。

圖2 420 m中段3#下山口修筑的風橋等設施

(2)安裝雙道風門，防止風流短路。通風系統(tǒng)中既需要遮斷風流，又需要通車行人的地方，就要建立風門。在只行人不通車或者車輛稀少的巷道內，可安設普通風門；在通車行人比較頻繁的巷道內，則應構筑自動風門。根據(jù)該錳礦實際情況，在距2#平硐口8 m處新增加一道自動風門，與原風門形成雙道風門(圖3)。當車輛行人由2#平硐到地表時，靠近引風道的第一道風門先打開，待車輛行人通過后自動關閉；待第一道風門關閉后車輛行人再通過第二道風門。該礦山車輛行人頻繁通過2#平硐口，雙道風門方案有效地解決了在主風機口與2#平硐口之間風流短路問題。

圖3 2#平硐口安裝雙道風門

(3)封閉廢棄巷道，有效減少漏風。礦山在生產過程中會不斷形成廢棄的巷道及采空區(qū)，若不及時封閉，一方面人員容易誤入發(fā)生危險，另一方面將會使井下風流紊亂并增大礦井漏風量。為使井下風流按規(guī)定方向流通并有效減少礦井漏風，應對非生產巷道及時修筑密閉墻，遮斷風流。永久性密閉墻用磚或料石砌筑，臨時性密閉墻可用木柱、木板和廢舊風筒布制作。根據(jù)該礦山井下廢棄巷道及采空區(qū)的實際情況，采用25 cm×15 cm×12.5 cm預制磚新筑16道密閉墻(圖4)，具體分布位置見表2。

圖4 礦山構筑的典型密閉墻

表2 封閉廢棄巷道分布位置 道

優(yōu)化后的礦山通風網絡見圖5。通風線路有4條：通風線路1為鮮風→1#平硐→主巷副井→1#下山→1#下山Ⅱ切割→3#下山→風橋→460 m中段回風巷→2#平硐→地面；通風線路2為鮮風→1#平硐→主巷副井→1#下山→1#下山Ⅳ切割→3#下山→風橋→460 m中段回風巷→2#平硐→地面；通風線路3為鮮風→1#平硐→435 m中段→斜坡道→420 m中段→4#下山→4#下山Ⅰ聯(lián)絡巷→回風巷→460 m中段回風巷→2#平硐→地面；通風線路4為鮮風→1#平硐→435 m中段→斜坡道→420 m中段→4#下山→4#下山Ⅱ聯(lián)絡巷→5#下山→回風巷→460 m中段回風巷→2#平硐→地面。

圖5 優(yōu)化后的通風網絡示意

3.2 通風參數(shù)核算

3.2.1 風量核算

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)計算風量。

3.2.1.1 按井下各需風點實際需風量計算

根據(jù)礦山生產特點，所需總風量為各工作面需要的最大風量與獨立通風硐室的風量之和,即

(1)

其中

(2)

(3)

式中,Q為礦井所需總風量，m3/s；Qs為回采工作面所需的風量，m3/s；Qd為掘進工作面所需風量，m3/s；Qr為硐室所需風量，根據(jù)《采礦設計手冊》，井下水泵站、壓氣站、供配電硐室的供風量取1～3 m3/s，根據(jù)礦山實際,取2 m3/s；Qq為除了采礦、掘進和硐室地點外的其他井巷所需風量總和，取1 m3/s；K為礦井風量備用系數(shù)，取1.2；Ss為采場內作業(yè)地點的過風斷面，7.7 m2；Vs為回采工作面要求的最低排塵風速，0.25 m/s；ns為回采工作面數(shù)量，4個；Sd為掘進巷道斷面，5.28 m2；Vd為掘進巷道要求的最低排塵風速，0.25 m/s；nd為掘進工作面數(shù)量，4個。

計算得出礦井所需總風量Q=19.18 m3/s。

3.2.1.2 按井下同時工作的最多人數(shù)計算

礦山風量為

(4)

式中，q為每人需風量，4 m3/min；N為井下同時工作的最多人數(shù)，54人；k為礦山通風系數(shù)，取1.25。

計算得出Q=4.5 m3/s。

3.2.1.3 按柴油設備需風量計算

礦山風量為

(5)

式中，P為柴油拖拉機的功率，20.3 kW；N為井下同時工作的柴油機臺數(shù)，8臺；q′為每分鐘供風量，4 m3/kW。

計算得出Q=10.8 m3/s。

以上3種方法計算的礦井所需風量取最大值，即19.18 m3/s，故該礦山目前所需風量取20 m3/s。

3.2.2 風壓核算

根據(jù)礦山井下各用風地點風量分配及巷道規(guī)格，礦井通風摩擦阻力計算公式為[6]

(6)

式中，hf為摩擦阻力,Pa；a為摩擦阻力系數(shù),Ns2/m4；P為巷道凈斷面周長,m；L為巷道長度,m；S為巷道凈斷面積,m2；Q為通過巷道的風量,m3/s；Rf為巷道的摩擦風阻,Ns2/m8。

計算得出礦山目前通風阻力為764.59 Pa，詳細計算結果見表3。

表3 礦山通風阻力核算結果

從表3可以看出，井巷總風阻R=3.63 Ns2/m8>1.42 Ns2/m8，則井巷等積孔為

(7)

計算得出A=0.63<1，可以分析出該礦山為大阻力礦，且隨著礦山采掘工程持續(xù)進行，通風線路將不斷延長，通風阻力將持續(xù)增大，通風難易程度將日益增大。

3.3 主風機能力分析

3.3.1 主風機風量

因風井風門和主要通風機周圍不可避免地存在漏風，通過主要扇風機的風量Qz必須大于回風井的礦井總風量Q。抽出式通風機風量為

(8)

式中，kf為抽出式通風機礦井漏風系數(shù)，抽出式風機無提升任務時取1.05，有提升任務時取1.10。

計算得出Qz=22 m3/s。

從表4可以看出，K45-NO-11型工作主扇的風量能夠滿足礦井需求，而FBCZNO10型備用主扇的風量上限接近礦井需求但并不能完全滿足。

表4 礦山主通風機參數(shù)

3.3.2 主風機風壓

扇風機產生的靜壓不僅用于克服礦井總阻力hf，同時還要克服反向的礦井自然風壓hz、扇風機裝置的通風阻力hr,即扇風機靜壓為

(9)

式中，hz按科馬洛夫經驗公式計算得30.43 Pa，hr按經驗取100 Pa。

計算得出hj=895.02 Pa。

從表4可以看出，K45-NO-11型工作主扇的風壓能夠滿足需求(895.02 Pa<1 295 Pa×90%=1 165.5 Pa)；FBCZNO10型備用主扇的風壓已接近上限(895.02 Pa<1 100 Pa×90%=990 Pa)。

綜上所述，目前礦山K45-NO-11型工作主扇能夠滿足礦山風量及風壓需要；FBCZNO10型備用主扇的風壓基本滿足需要，但是風量不能完全滿足礦井需求，應予以更換。

3.4 局扇風筒能力分析

由摩擦風阻公式

(10)

可以推出風筒摩擦風阻

(11)

即風筒摩擦風阻與風筒半徑的5次方成反比。若更換采掘工作面φ20 cm風筒為φ40 cm風筒，風筒風阻將降低為原來的1/32，可極大提高采掘工作面局部通風效果，尤其是遠距離通風效果。

4 通風優(yōu)化成本分析

本次通風系統(tǒng)優(yōu)化工程涉及修筑膠筒風橋1架，制作并安裝風門2扇，砌筑密閉墻16道。

(1)風橋施工。架設的風橋為2根φ35 cm的礦山閑置塑料風筒，安裝的輔扇為11 kW的礦山閑置風機。風橋施工的成本包括巷道修整費約0.4萬元、風橋及輔扇安裝費約0.1萬元，共0.5萬元(不含風橋配套風門制安費)。

(2)風門制作安裝。礦山在420 m中段3#下山風橋處安裝1扇配套風門，2#平硐口新增加1扇風門，共計2扇。每扇風門制造及安裝費用包括鋼材及電動機等材料設備費0.2萬元，風門制安人工費0.8萬元，共1萬元/扇。

(3)密閉墻構筑。每道密閉墻需預制磚約280塊(5元/塊)、水泥2包(30元/包)、沙子1 m3(150元/m3)、人工2個(200元/人工)，共0.2萬元/道。

通風優(yōu)化工程成本見表5。

表5 通風優(yōu)化工程成本 萬元

綜上所述，此次通風系統(tǒng)優(yōu)化工程總成本約為5.7萬元。該優(yōu)化方案充分利用了礦山已有局扇、風筒等閑置設備材料，以較少的成本投入完成通風系統(tǒng)優(yōu)化工程，明顯改善了通風效果，有利于井下作業(yè)人員的健康和安全。

5 結 語

通過對某大型錳礦通風系統(tǒng)優(yōu)化，修筑膠筒風橋有效防止污風串聯(lián)，安裝雙道風門有效防止風流短路，封閉廢棄巷道有效減少漏風，分析主風機能力得出應更換備用主扇，分析局扇風筒能力得出應更換大直徑風筒以降低風阻，實踐表明，優(yōu)化方案顯著改善了通風效果及井下安全作業(yè)條件，對其他類似非煤礦山通風系統(tǒng)優(yōu)化具有一定的借鑒意義。同時針對類似非煤礦山通風管理提出以下建議：

(1)不斷優(yōu)化通風線路。礦山井下通風線路隨井下采掘工程的推進呈動態(tài)變化，建議由通風技術人員跟蹤分析，不斷優(yōu)化通風路線，及時修筑密閉墻、風門及風橋等通風構筑物，確保風流按規(guī)定方向流動，減少風損。

(2)強化通風設施管理。很多礦山對通風構筑物缺少管理，往往不按要求設置風門或其他構筑物，或者設置了風門不及時關閉，造成漏風很多，需要通風的地方沒有風流。要保證礦井的通風效果，很大程度上取決于通風構筑物的設置和管理，減少通風系統(tǒng)的漏風和風流短路。

(3)強化通風監(jiān)測監(jiān)控。所有通風機必須安裝開停傳感器，主要通風機必須安裝風壓傳感器，回風巷必須設置風速傳感器；必須為井下每一個作業(yè)班組配備便攜式氣體檢測報警儀，人員進入采掘工作面之前，必須檢測有毒有害氣體，出現(xiàn)報警時嚴禁進入。主要通風機機房應設有風壓、風量、電流、電壓及軸承溫度等測量儀表，每班都應對扇風機運轉情況進行檢查，并填寫運轉記錄。礦山必須配備足夠數(shù)量的測風儀表、測塵儀器和氣體測定分析儀器等，并按國家規(guī)定進行校準。

(4)提升礦山應急能力。必須為每一位入井人員配備自救器，并確保隨身攜帶；在井下主要通道明確標示避災路線，并確保安全出口暢通；制定中毒窒息事故現(xiàn)場處置方案，定期對入井人員進行通風安全管理和防中毒窒息事故專題培訓，開展防中毒窒息事故應急演練；制定反風演習方案并定期開展反風演習，提高進風平硐或井底車場附近發(fā)生火災時應急處置能力。

[1] 王乃斌.非煤地下礦山礦井通風技術的探討[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010(2):134-135.

[2] 邱繼發(fā).關于礦井通風若干問題的探討[J].煤炭技術，2008，27(4):151-152.

[3] 鄔長福，田美智，李樂農.某銅礦通風系統(tǒng)優(yōu)化方案[J].有色金屬科學與工程，2011，2(4):34-38.

[4] 席龍安，楊 震.陜西省鎮(zhèn)巴屈家山錳礦通風系統(tǒng)的改造[J].中國錳業(yè)，2010，28(3):41-44.

[5] 王貽明，沈顯嶺，吳愛祥.湯丹銅礦通風系統(tǒng)優(yōu)化與應用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(7):132-139.

[6] 支學藝，張紅嬰.礦井通風與防塵[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.

Study of the Optimization of Ventilation System of a Large Manganese Mine

Qin Hongliang1Da Quanchang2Luo Ye3

(1.102 Geological Team,Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resource Exploration; 2.103 Geological Team，Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resource Exploration;3.Wenfu (Group) Co., Ltd.)

In order to solve the main problems of series ventilation and air short circuit frequent of the ventilation system in a large manganese mine, the optimization measures of building rubber drum wind bridge, installation of the double air door, closing abandoned roadway, replacing the standby main fan and large diameter tunnel are taken. The engineering practice results show that the application results of the above measures proposed in this paper is good, the ventilation effects is improved significantly, the underground safety working coefficient is raised，and some suggestions are proposed to optimize ventilation management. The above study results of this paper can provide some reference and guidance for the optimization of ventilation system in non-coal mines.

Ventilation system, Conversion of air flow, Main fan capacity, Local fan ram capacity

2016-11-03)

覃紅亮(1984—)，男，工程師，碩士，563003 貴州省遵義市。