凡口鉛鋅礦通風網(wǎng)絡與系統(tǒng)漏風原因分析及控制方法研究

盧海珠，譚浪浪，李亞俊

（1.中金嶺南凡口鉛鋅礦，廣東仁化 512300；2.湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南長沙 410014）

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凡口鉛鋅礦通風網(wǎng)絡與系統(tǒng)漏風原因分析及控制方法研究

盧海珠1，譚浪浪2，李亞俊2

（1.中金嶺南凡口鉛鋅礦，廣東仁化 512300；2.湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南長沙 410014）

凡口鉛鋅礦伴隨開采深度的增加，開采中段不斷增多，通風系統(tǒng)趨于復雜化，主扇與工作面的距離越來越遠，導致地表主扇的控制力降低，必須在井下安裝風機。井下安裝風機將導致出現(xiàn)循環(huán)風流，為提高通風效率，主要需控制循環(huán)風式漏風問題。通過分析循環(huán)風的形成，應用軟件Vent-NetLab對有效的控制措施進行分析，并對凡口鉛鋅礦復雜的井下通風網(wǎng)絡進行研究，為礦山下一步進行井下通風系統(tǒng)的控制方案研究及制定提供重要的基礎資料。

通風網(wǎng)絡；系統(tǒng)漏風；內(nèi)部循環(huán)風流；通風效率

凡口鉛鋅礦隨著礦井開采深度的持續(xù)增加，通風網(wǎng)絡變得愈加復雜，采掘工作面離主扇工作的位置越來越遠，其結(jié)果是風流路線增長、系統(tǒng)漏風增加。通風系統(tǒng)漏風嚴重導致風機對深部通風的控制力減弱，深部工作面供風量嚴重不足，深井通風的漏風問題是深井開采面臨的重大問題［1～3］。

1 漏風方式分析

礦井漏風分為外部漏風和內(nèi)部漏風兩種。深井通風漏風主要為內(nèi)部漏風，內(nèi)部漏風的本質(zhì)是通風系統(tǒng)中存在兩種循環(huán)風流。一種是當風機安裝在地表時，空氣自地表進入礦井后，未流經(jīng)作業(yè)面，從進風部分直接漏入回風部分的循環(huán)風流。另一種則是當風機安裝在井下時，回風道的部分風流未流出地表，從某些漏風通道混入進風通道而形成的循環(huán)風流［4～6］。

因此，內(nèi)部漏風的漏風方式主要分為三種：一種是井下各種通風構(gòu)筑物的漏風；第二種是風流未經(jīng)作業(yè)面，從短路通道直接流入回風道的漏風。兩種漏風的基本特點是漏風風流在礦井自身系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)流動并最終排出礦井。第三種是通風系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)風，其本質(zhì)為通風系統(tǒng)內(nèi)部漏風［7］。

1.1 通風構(gòu)筑物的漏風

通風構(gòu)筑物主要起引導、隔斷和控制風流的作用，保證風流按照需要，定向定量的流動。通風構(gòu)筑物按其作用不同主要分為兩類：（1）用于隔斷風流的構(gòu)筑物，如采空區(qū)密閉、擋風墻和風門等，其要求結(jié)構(gòu)嚴密、堅固、漏風小；（2）用于引導通過風流的通風構(gòu)筑物，如風橋、風障、風筒和調(diào)節(jié)風窗等。礦井通常所說的構(gòu)筑物漏風主要是指密閉墻或風門等處的漏風。由于密閉墻構(gòu)筑位置、結(jié)構(gòu)不合理或由于密閉年久失修的原因，致使密閉不“密”［8］。風門漏風則導致局部風流短路，工作面有效風量減少。

1.2 短路風流

當風機安裝在地表時，空氣自地表進入礦井后，未流經(jīng)作業(yè)面，從進風部分直接漏入回風部分的漏風風流。

如圖1所示為某一簡單通風網(wǎng)絡，假設各分支風阻見表1，其中e4、e7為作業(yè)面，e10為回風井，e1為進風井。

如果風機安裝在e10作抽出式通風或風機安裝在e1作壓入式通風時，會產(chǎn)生第二種漏風風流，其中風流e1→e3→e6→e9→e10、e1→e2→e5→e8→e10未經(jīng)過作業(yè)面而直接排出地表，形成與地表組成的漏風風流。

如將風機安裝在e10風路，采用抽出式通風，其中各風路風量見表1中風量1。由表1可知，兩個工作面有效風量總量為4.92 m3／s，漏風量達25.08 m3／s，循環(huán)回路e1→e3→e6→e9→e10→e1中風量最小的風路為e3，風量為12.43 m3／s，另一循環(huán)回路e1→e2→e5→e8→e10→e1風量最小的風路為e8，風量為12.65 m3／s。e3、e8風量總和為25.08 m3／s，此為通風網(wǎng)絡內(nèi)部漏風總量。

圖1 短路風流簡單通風網(wǎng)絡圖

表1 短路風流風路風阻與風路風量變化

1.3 內(nèi)部循環(huán)風流

如果風機安裝在井下，例如e2或e9中，則會出現(xiàn)第二種循環(huán)風流。e3或e8會反向?qū)е卵h(huán)回路的形成，成為漏風通道。如圖2所示，將風機安裝在e9風路，各風路風量值見表2中風量1。由風量1可知風機安裝在井下后，風路e5、e8風流方向發(fā)生了變化，形成e9→e8→e7→e9、e9→e8→e5→e4→e6→e9兩個第二種循環(huán)風流，系統(tǒng)還存在第一種循環(huán)風流e1→e3→e6→e9→e10→e1。

由循環(huán)回路e9→e8→e7→e9可知e7作業(yè)面雖然獲得15.4 m3／s的風量，但是風量均是經(jīng)e8循環(huán)所得，因此有效風量為0。e4作業(yè)面風量雖然為7.25 m3／s，但只有從e2進入作業(yè)面的風流才是新鮮風流，因此有效風量為5.13 m3／s。

循環(huán)回路e9→e8→e5→e4→e6→e9中最小風量是2.12 m3／s。循環(huán)回路e9→e8→e7→e9最小風量是15.4 m3／s，循環(huán)回路e1→e3→e6→e9→e10→e1中最小風量是7.35 m3／s。因此，該系統(tǒng)內(nèi)部漏風總量為24.87 m3／s。由此可知作業(yè)面有效風量也為5.13 m3／s。

圖2 內(nèi)部循環(huán)風流簡單通風網(wǎng)絡圖

表2 內(nèi)部循環(huán)風流風路風阻與風路風量變化

經(jīng)研究，內(nèi)部漏風的實質(zhì)是通風系統(tǒng)中存在循環(huán)回路。實現(xiàn)內(nèi)部漏風的控制就要控制通風系統(tǒng)中存在的循環(huán)回路。因此，首先要確定系統(tǒng)中存在的循環(huán)回路，并明確循環(huán)回路的位置。

如圖1所示，將風機安裝在e9，則e8必定反向形成循環(huán)風流。而e5方向則由其風阻與其它風路風阻確定。由于圖1、圖2為簡單通風網(wǎng)絡，系統(tǒng)中循環(huán)風流較為直觀，可以通過人工計算分析來確定系統(tǒng)中循環(huán)回路的位置。

實際生產(chǎn)中的礦井通風網(wǎng)絡是極其復雜的，是一種非線性的復雜系統(tǒng)。目前理論上并沒有通用的方法來確定循環(huán)回路的存在與否，更無法明確循環(huán)回路存在時其所在具體位置。但對于具體的通風網(wǎng)絡，可以通過數(shù)字試驗的方法來確定其循環(huán)回路的實際情況。為此，開發(fā)了一款通風網(wǎng)絡分析軟件—VentNetLab，稱之為通風網(wǎng)絡實驗室。其運行的基本思路是，先進行通風網(wǎng)絡解算，確定各分支的風流方向，再對網(wǎng)絡進行深度搜索以確定出循環(huán)回路位置。

2 凡口礦漏風原因分析

凡口礦礦井下需要通風的中段有20多個，井筒最大深度近900 m，較長中段的巷道走向長度超過2 000 m，同時作業(yè)的采掘作業(yè)面約120個，其通風網(wǎng)絡復雜程度非常大。圖3為該礦通風系統(tǒng)的東南等軸視圖，從中可以看出其錯綜復雜的空間關(guān)系［9］。

圖3 礦井東南視圖（各個中段空間位置圖）

凡口礦由安裝在地表的三臺主扇進行抽出式通風，每個主扇都控制其對應的中段，各開采中段風量變化關(guān)系如圖4所示。三個回風井風量相當，分別為197.03 m3／s、198.42 m3／s、212.8 m3／s，平均每個中段需風量為27.64 m3／s。三臺主扇通風總功耗達1 755 kW，通風系統(tǒng)內(nèi)部漏風率高達30%，導致深部通風效果并不理想，－680、－710、－750中段風量分別僅為0.66 m3／s、4.06 m3／s、2.18 m3／s，如圖4風量1所示，風量根本無法達到礦山安全生產(chǎn)標準。

為解決深部工作面供風量不足的問題，保證－680、－710、－750中段供風量符合安全生產(chǎn)標準，采用增加三臺主扇風量和風壓的方法，使得三個回風井的回風量均為400 m3／s，暫且不考慮回風井風速超標的問題，礦井通風壓力將大幅度增加，三臺主扇通風總功耗高達7 442 kW。然而，其中深部中段風量增加甚微，－680、－710、－750中段風量仍然僅為2.54 m3／s、7.86 m3／s、4.88 m3／s。風量變化曲線圖如圖4風量2所示。

單純依靠增加三臺主扇風量和風壓的方法無法解決深部供風不足的問題，因此，必須采用井下安裝風機的方法。井下安裝風機往往都是根據(jù)用風地點風量由里向外進行風量分配。因此，需要在系統(tǒng)中確認哪些巷道是用風點，并通過需風點計算原則，計算其需風量。由于生產(chǎn)需要，井下風機基本安裝在進、回風井石門處。需要計算各風機安裝位置處需風量，然后固定風機風量，完成在這些需風點環(huán)境下整個礦井的風量分配。

圖4 各開采中段風量變化關(guān)系

風機安裝在需風點后，由于安裝位置以及風量的分配不合理，導致網(wǎng)絡里出現(xiàn)循環(huán)回路數(shù)較多。較之于簡單通風網(wǎng)絡，復雜通風網(wǎng)絡由于其風道多、網(wǎng)絡拓撲關(guān)系復雜等原因，只能借助于通風仿真軟件對循環(huán)回路所在位置以及產(chǎn)生原因等進行分析。

凡口礦目前深部開采工作面主要分布在－500 m，－550 m，－600 m，－650 m，獅嶺南采場分布在－400 m，－450 m，淺部位－280 m，－320 m，－360 m，東區(qū)采場主要分布在淺部－240 m，－280 m，－320 m，南盤區(qū)采場主要分布在－360 m，－400 m等中段。根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀以及需風量計算原則進行計算，初步設置需風點17個，各中段需風量確定后，應用VentNetLab通風模擬軟件設置需風點，基本設置在各個中段總回風道處，控制各個中段的風量。

需風點設置完成后，應用VentNetLab通風模擬軟件進行數(shù)字化模擬，使用軟件的風量計算、查找循環(huán)回路以及統(tǒng)計等功能，并應用軟件的查找功能對循環(huán)回路進行查找，如圖5所示為網(wǎng)絡里某個循環(huán)風流。

圖5 復雜網(wǎng)絡中的某循環(huán)風流

在上述需風點設置環(huán)境下，總需風量為590 m3／s，風機總功耗為1 535.33 kW，然而各需風點總有效風量卻只有36.94 m3／s，系統(tǒng)中存在的循環(huán)回路數(shù)多達總計564個。此時的調(diào)節(jié)效率僅為：

式中：η為調(diào)節(jié)效率；∑Q有為需風點有效風量／m3·s－1；∑HiQi為通風總功耗／kW。

由該調(diào)節(jié)效率得知，大部分風流在井下形成循環(huán)風，內(nèi)部漏風極其嚴重，漏風風流未能從地表排出，導致井下有效風量大大減少。

3 漏風的控制方法研究

如圖5所示的循環(huán)體中，對天井進行密閉處理，應用VentNetLab通風模擬軟件進行查找，該循環(huán)回路消除了。將系統(tǒng)中存在的循環(huán)回路查找出來，對相應巷道進行密閉處理，共計密閉30處，包含上部閉坑中段的石門、回風巷，以及部分主巷、天井等，使得各需風點總有效風量達到78.9 m3／s。此時系統(tǒng)調(diào)節(jié)效率為：

在滿足需風點風量以及各中段風量的前提下，模擬增設了16處控風點，分別設置在各中段回風石門處，使得漏風通道兩端壓差降低，同時均衡礦井通風壓力。從而使得總有效風量增大到150.5 m3／s，通風功耗降低為1 215.94 kW，此時系統(tǒng)調(diào)節(jié)效率為：

在需風點與控風點設置基礎上，增設三個回風井井口的通風動力，各風井回風量為210 m3／s，各需風點有效風量總和為534.3 m3／s，通風動力消耗為1 512.47 kW。各中段風量如曲線圖6所示。此時，調(diào)節(jié)效率為：

圖6 礦山中段實際風量

4 結(jié) 語

通過不斷模擬優(yōu)化，使得內(nèi)部漏風風量減少，保證通風效率盡可能達到最大。

對于凡口礦來說，通風系統(tǒng)的主要問題是井下存在的風流短路、風流壓力不足、風流密封不嚴密等原因造成的內(nèi)循環(huán)風流，嚴重影響了風流的利用率，造成深部井巷污風橫行，影響工作面人員職業(yè)健康。

凡口礦目前面臨的最主要問題是治理好礦井的循環(huán)風流、增加地面風機對于深部風流的控制力。而漏風原因的分析和控制方法的研究是下一步具體進行漏風控制的重要前提。

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Research on the Control M ethod Analysis on Fankou Lead-zinc M ine Ventilation Network and System Air Leakage

LU Hai-zhu1，TAN Lang-lang2，LIYa-jun2
（1.Fankou Lead-zinc Mine，Renhua 512300，China；2.Hunan Labour Protection Institute of Nonferrous Metals，Changsha 410014，China）

Fankou lead-zinc deposit along with the increase of mining depth，mining the middle rising，ventilation systems tend to bemore complicated，more and more distant from the main fan and the distance of working face，it resulted in the decrease of surface ofmain fan control，and must install themine fan.Underground installation of the fan will lead to circulating wind flow，to improve the efficiency of ventilation，mainly to control wind circulation type air leakage problem.VentNetLab through the analysis of the formation ofwind circulation，the application software to analyze effective controlmeasures，and the fankou lead-zincmine to study the complicated mine ventilation network，it provides important basic data for the control scheme ofmine ventilation system formine next research.

ventilation network；system air leakage；internal circulation wind；the ventilation efficiency

TD728

A

1003－5540（2017）02－0001－04

2016－12－27

盧海珠（1968－），男，工程師，主要從事礦山生產(chǎn)技術(shù)管理工作。