固體鉀鹽礦地下開采通風(fēng)方式探討

翟建波，郭 雷，逄銘璋

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

應(yīng)用研究·非金屬礦山·

固體鉀鹽礦地下開采通風(fēng)方式探討

翟建波，郭 雷，逄銘璋

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

考慮固體鉀鹽礦井下環(huán)境的特點，基于其典型開采方式，對固體鉀鹽礦地下開采的通風(fēng)方式進行了詳細(xì)研究。通過某鉀鹽礦山通風(fēng)案例研究，進一步闡述了固體鉀鹽礦地下開采通風(fēng)方式，以及通風(fēng)設(shè)施對通風(fēng)系統(tǒng)的重要性。

固體鉀鹽礦山； 地下開采； 通風(fēng)

1 前言

鉀鹽為國民經(jīng)濟賴以發(fā)展的15種支柱性礦產(chǎn)之一。鉀鹽礦石主要來源于海相蒸發(fā)礦床和地表鹵化礦床，前者主要集中在加拿大，目前主要開采區(qū)域在加拿大、俄羅斯、德國等，潛在開采區(qū)域為東南亞、南美和非洲。

我國鉀鹽儲量少，質(zhì)量差，占世界探明儲量不足1%，主要分布在青海、云南和四川，以鹽湖礦床為主，約占國內(nèi)總儲量的98%[1～3]。國內(nèi)固體鉀鹽資源稀缺，據(jù)筆者了解，僅有云南思茅地區(qū)勐野井鉀鹽礦在進行地下開采，因此，我國固體鉀鹽礦開采經(jīng)驗缺乏，開采技術(shù)落后。隨著中國企業(yè)走出去戰(zhàn)略的實施，開發(fā)境外固體鉀鹽資源越來越受到關(guān)注，國內(nèi)多家企業(yè)已經(jīng)進入老撾、泰國等地區(qū)進行固體鉀鹽礦開發(fā)。由于鉀鹽礦地下開采的特殊性和復(fù)雜性，井下通風(fēng)是中國企業(yè)開發(fā)境外鉀鹽礦所面臨的難題之一。因此，有必要對固體鉀鹽礦地下開采通風(fēng)方式進行詳細(xì)研究。

2 開采方式

21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，新材料和新設(shè)備的出現(xiàn)改變了固體鉀鹽礦山的開采方式，由傳統(tǒng)的鑿巖爆破采礦技術(shù)向連續(xù)采礦技術(shù)逐漸過渡，目前世界上主要的固體鉀鹽開采國家(加拿大、俄羅斯、德國等)全部采用了機械化連續(xù)采礦技術(shù)，常用的采礦方法為長臂崩落法和房柱采礦法[4～5]。

長臂崩落法典型的盤區(qū)寬150～300m，長1 000～3 500m，高2～5m，由盤區(qū)末端向主巷道方向進行后退式回采，回采設(shè)備為連采機，礦石、人員和材料運輸以及通風(fēng)由預(yù)先掘進的水平巷道實現(xiàn)，詳見圖1。

圖1 長臂法示意圖

房柱采礦法典型的盤區(qū)寬約300m，長1 000～2 500m，高為礦體厚度，盤區(qū)劃分為礦房和礦柱，礦石、人員和材料運輸以及通風(fēng)由預(yù)先掘進的水平巷道實現(xiàn)，詳見圖2。

圖2 房柱法示意圖

3 井下環(huán)境及通風(fēng)特點

影響固體鉀鹽礦山井下環(huán)境的主要污染物為鹽塵、柴油廢氣、其它化學(xué)物質(zhì)，如CO、CO2、NO、NO2、臭氣等。加拿大對污染物濃度規(guī)定限值為：CO<25ppm；CO2<5 000ppm；NO2<2ppm；O2>19%。但在柴油顆粒物的規(guī)定中，考慮成本等因素，加拿大不同行政省的規(guī)定不同，例如：安大略省柴油顆粒物上限為1.5mg/m3，魁北克省為0.6mg/m3；而美國為0.4mg/m3[6]。中國化工礦山的相關(guān)規(guī)定[7]中對固體鉀鹽礦地下開采井下環(huán)境污染物濃度沒有相應(yīng)的規(guī)定限值，但國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》[8]中規(guī)定氧氣應(yīng)不低于20%，二氧化碳應(yīng)不高于0.5%，風(fēng)源含塵量應(yīng)不超過0.5mg/m3。因此，在對固體鉀鹽礦井下進行通風(fēng)設(shè)計時，對其井下環(huán)境進行分析并設(shè)計合理有效的通風(fēng)系統(tǒng)至關(guān)重要。

鉀鹽礦空氣中含有鹽塵，在回風(fēng)側(cè)安裝主扇可能造成設(shè)備腐蝕及維修保養(yǎng)等管理問題，而且回風(fēng)側(cè)空氣溫度相對較高，空氣密度低，空氣體積增加(即風(fēng)體積量增加，但風(fēng)質(zhì)量不變)，但進風(fēng)口、工作面和掘進面所需風(fēng)量固定，考慮排出風(fēng)量相對減少，必須增大主扇功率，間接增加了通風(fēng)成本。因此，在固體鉀鹽礦地下開采時一般采用壓入式通風(fēng)。

針對固體鉀鹽礦井下所存在的化學(xué)污染物，需要設(shè)置CO、CO2、NO、NO2測量裝置，設(shè)置臭氣報警系統(tǒng)，滿足井下作業(yè)環(huán)境需求，避免潛在不安全事故的發(fā)生。此外，考慮到固體鉀鹽礦地下開采的區(qū)域較大，多數(shù)在幾平方千米，通風(fēng)線路較長，采用房柱法或長臂法回采的通風(fēng)網(wǎng)路復(fù)雜，需要通過設(shè)置一系列通風(fēng)設(shè)施有效保證通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。通風(fēng)設(shè)施包括各類風(fēng)門、風(fēng)橋、風(fēng)簾等。由于鉀鹽礦床的底板軟弱容易蠕變隆起，布置任何形式的永久性風(fēng)門均有一定的困難，此外，考慮盤區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)對風(fēng)簾的使用量較大等因素，鉀鹽礦山的通風(fēng)設(shè)施的選取需具有易拆卸和安裝、輕便、適應(yīng)性強、可適當(dāng)變形等特點。

4 通風(fēng)方式

井下通風(fēng)的重要區(qū)域為回采工作面，因此，采礦方法中通風(fēng)方式的選擇尤為重要，本次研究基于固體鉀鹽礦山常用的兩種采礦方法：長臂崩落法和房柱采礦法，對其通風(fēng)方式[9]進行詳細(xì)闡述。

4.1 長臂崩落法

基于長臂崩落法的采礦布置形式，常用的通風(fēng)方式有以下7種。

(1)單通道前進式通風(fēng)方式。該方式在歐洲應(yīng)用普遍，適用于賦存深度適中的礦床。通風(fēng)系統(tǒng)簡單，風(fēng)流從一側(cè)進入，從另一側(cè)返回，部分風(fēng)流流入坍塌區(qū)域。風(fēng)流沖洗沿路污風(fēng)，可能導(dǎo)致回采區(qū)端部聚集灰塵和其它危險氣體，存在火災(zāi)或爆炸的潛在風(fēng)險，詳見圖3。

圖3 單通道前進式通風(fēng)方式示意圖

(2)單通道后退式通風(fēng)方式。該方式與單通道前進式通風(fēng)方式布置相似，不同之處在于其隔絕了坍塌區(qū)與回采區(qū)的相連，大大減少風(fēng)流的分流，彌補了單通道前進式通風(fēng)方式效率不足的問題，但需增加相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)施，詳見圖4。

圖4 單通道后退式通風(fēng)方式示意圖

(3)單通道后退式通風(fēng)方式(帶局扇)。該方式結(jié)合了U型回路和貫穿風(fēng)路的特點，通過增加局扇，形成貫穿坍塌區(qū)的風(fēng)流，改善坍塌區(qū)的不良環(huán)境，降低火災(zāi)或爆炸發(fā)生的風(fēng)險概率，但需要保留大量的礦柱來保證回風(fēng)上山的穩(wěn)定，詳見圖5。

圖5 單通道后退式通風(fēng)方式(帶局扇)示意圖

(4)雙通道后退式通風(fēng)方式(帶局扇)。考慮某些地區(qū)規(guī)定皮帶通道的風(fēng)流不能用于生產(chǎn)用風(fēng)，因此采用多通道方式以滿足通風(fēng)需求，但增加了相應(yīng)的采切工程量。該方式同樣通過增加局扇，形成貫穿坍塌區(qū)的風(fēng)流，改善坍塌區(qū)的不良環(huán)境，降低火災(zāi)或爆炸發(fā)生的風(fēng)險概率。該方式在美國、南非和澳大利亞常用，詳見圖6。

圖6 雙通道后退式通風(fēng)方式(帶局扇)示意圖

(5)Y方式。當(dāng)井下環(huán)境惡劣對通風(fēng)要求較高時，該方式通過增加進風(fēng)通道數(shù)量有效增加供風(fēng)量，改善回采區(qū)域通風(fēng)狀況，滿足井下作業(yè)環(huán)境需求，此外，還可通過增加局扇進一步改善通風(fēng)狀況，其缺點是開拓工程量會大大增加，詳見圖7。

圖7 Y方式通風(fēng)示意圖

(6)雙Z方式。該方式同Y方式相似，不同之處在于將回風(fēng)通道布置在兩個進風(fēng)通道中間位置，一定程度上減少了沿程阻力，相比Y方式提高了通風(fēng)效率，詳見圖8。

圖8 雙Z方式通風(fēng)示意圖

(7)W方式。該方式不同于Y方式和雙Z方式的貫穿風(fēng)路的通風(fēng)方式，而是采用了W型回路的通風(fēng)方式，將回風(fēng)上山布置在采區(qū)中部，相比于Y方式和雙Z方式減少了開拓工程量，但在盤區(qū)回采初期，大大增加了沿程阻力，通風(fēng)效果較差，詳見圖9。

圖9 W方式通風(fēng)示意圖

4.2 房柱采礦法通風(fēng)方式

由于房柱采礦法的采礦布置形式和工藝特點，其通風(fēng)方式往往是長臂崩落法通風(fēng)方式的綜合利用，但兩者也有不同的通風(fēng)策略，房柱采礦法的風(fēng)道互相交叉，造成大量的漏風(fēng)，從而風(fēng)阻減少，但所需風(fēng)量顯著增加，因此，房柱法需要低壓大風(fēng)量，其風(fēng)量利用效率很低。常用的通風(fēng)方式有以下2種。

(1)W方式(雙向)。該方式將盤區(qū)分為兩個通風(fēng)區(qū)域，由一個或更多通道進風(fēng)，兩側(cè)通道回風(fēng)，風(fēng)流在回采作業(yè)面分開，各自通風(fēng)半個盤區(qū)。其不足為由于采場數(shù)量較多，漏風(fēng)量相應(yīng)增加，風(fēng)量利用效率較低。風(fēng)流的分布由風(fēng)簾進行調(diào)節(jié)和控制，詳見圖10。

圖10 W方式(雙向)通風(fēng)示意圖

(2)U方式(單向)。該方式由一側(cè)通道進風(fēng)，另一側(cè)通道回風(fēng)，詳見圖11。相對于W方式(雙向)，該方式的風(fēng)量利用效率較高，但通風(fēng)沿程阻力較大，尤其是回采工作面需要通過風(fēng)簾來控制風(fēng)流分布，顯著增加通風(fēng)阻力，為了更好地克服此問題，在回采工作面布置局扇可以有效降低工作面阻力，改善通風(fēng)效果，詳見圖12。

圖11 U方式(單向)通風(fēng)示意圖

圖12 U方式(單向加局扇)通風(fēng)示意圖

根據(jù)不同的項目背景以及對通風(fēng)的需求，可以選擇上述長臂崩落法和房柱采礦法9種通風(fēng)方式中的一種或幾種結(jié)合應(yīng)用，為固體鉀鹽礦地下開采通風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)。目前固體鉀鹽礦地下開采常見的通風(fēng)方式為長臂崩落法中的雙通道后退式帶局扇的通風(fēng)方式和房柱采礦法中的W方式(雙向)通風(fēng)方式。

5 案例研究

東南亞某鉀鹽礦，礦區(qū)內(nèi)地勢平坦，屬于典型平原地貌。氣候為典型熱帶季風(fēng)氣候，季節(jié)溫差變化不大，常年較熱，年平均氣溫26.3℃。每年5～10月為雨季，11月至次年4月為旱季。礦層呈層狀產(chǎn)出，分布連續(xù)、范圍廣，產(chǎn)狀相對較平緩，礦床埋藏較淺。礦區(qū)地表地勢平坦，地表需要保護。礦體平均厚度約3.6m，傾角為2%～5%。

采礦方法選取V型房柱嗣后充填法，開拓方式為膠帶斜井+斜坡道+進風(fēng)井。

5.1 通風(fēng)方式

結(jié)合開拓系統(tǒng)、采礦方法和礦體賦存條件，礦井采用進風(fēng)井、斜坡道進風(fēng)，回風(fēng)井、膠帶斜井回風(fēng)的壓入通風(fēng)方式。

考慮本項目地表土地空間緊張，進風(fēng)井和斜坡道均布置在地表工業(yè)場地內(nèi)，噪音大，地表建設(shè)成本相對較高，井口距工作面太遠，礦井風(fēng)壓高，因此主扇位置應(yīng)考慮布置在地下(進風(fēng)井井底石門處和斜坡道的中鹽層處)。

新鮮風(fēng)流經(jīng)由進風(fēng)井、斜坡道、主開拓平巷和盤區(qū)平巷等進入采場，污風(fēng)經(jīng)盤區(qū)回風(fēng)平巷、主開拓回風(fēng)平巷、回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道、回風(fēng)石門等回風(fēng)至提升斜井和回風(fēng)井排出地表。

采場通風(fēng)通過局扇、風(fēng)門、風(fēng)筒等進行控制，詳見圖13。

圖13 礦山通風(fēng)系統(tǒng)計算圖

當(dāng)新鮮風(fēng)流到達盤區(qū)后，采用W方式(雙向)進行通風(fēng)，新鮮風(fēng)流經(jīng)由盤區(qū)中部3條盤區(qū)巷道進入盤區(qū)兩個回采區(qū)域，吹洗工作面后，污風(fēng)經(jīng)由盤區(qū)兩側(cè)的盤區(qū)回風(fēng)巷道回風(fēng)至主運輸平巷，通過礦山通風(fēng)系統(tǒng)排出地表，詳見圖14。

圖14 盤區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

5.2 通風(fēng)設(shè)施

在斜坡道中鹽層穩(wěn)固地段和進風(fēng)井石門穩(wěn)固地段各設(shè)1臺主扇風(fēng)機，電機功率分別為400kW和900kW。

為將新鮮風(fēng)流引至采場工作面，并排出工作面的鹽塵等，保證工人在良好的環(huán)境下工作，需要采用局扇將主巷道中的新鮮風(fēng)流引入盤區(qū)巷道內(nèi)，再借助局扇和風(fēng)筒將新鮮風(fēng)送入采場，吹洗工作面，污風(fēng)匯入盤區(qū)回風(fēng)巷道，經(jīng)盤區(qū)回風(fēng)巷道構(gòu)建風(fēng)橋至主回風(fēng)巷道。

設(shè)1個風(fēng)墻位于斜坡道內(nèi)，15個風(fēng)門位于主開拓巷道間的交叉處；12個風(fēng)橋位于回采盤區(qū)與主開拓巷道交叉處，僅計算礦山生產(chǎn)初期的風(fēng)橋數(shù)量；約480個風(fēng)簾位于每個盤區(qū)內(nèi)，可循環(huán)重復(fù)利用，計算最大風(fēng)簾需求量，礦山生產(chǎn)初期約150個風(fēng)簾；6個長約100m、直徑600mm的風(fēng)筒位于盤區(qū)內(nèi)。

坑內(nèi)設(shè)風(fēng)速測量裝置、壓力測量裝置，溫度測量裝置，濕度測量裝置，CO、CO2、NO、NO2測量裝置各12個，其中10個為固定測量類型，2個為移動測量類型。根據(jù)實際生產(chǎn)情況和各裝置的功能，主要固定安裝在膠帶斜井、斜坡道、進風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道、回采盤區(qū)入口或出口、充填盤區(qū)入口或出口、通風(fēng)困難區(qū)域；此外，考慮礦床面積大、通風(fēng)線路長等因素，還應(yīng)設(shè)置一套臭氣報警系統(tǒng)，主要分布在礦山不同的主進風(fēng)區(qū)域和人員休息區(qū)域，在風(fēng)況和風(fēng)質(zhì)不好時及時報警，防患于未然。

6 結(jié)語

(1)對固體鉀鹽礦井下環(huán)境及通風(fēng)特點進行研究，提出固體鉀鹽礦一般采用壓入式通風(fēng)，并應(yīng)增加臭氣報警系統(tǒng)和風(fēng)門、風(fēng)橋、風(fēng)簾等通風(fēng)設(shè)施。

(2)結(jié)合固體鉀鹽礦地下開采常用采礦方法長臂崩落法和房柱采礦法，總結(jié)了與之相適應(yīng)的9種基本通風(fēng)方式及其優(yōu)缺點，為固體鉀鹽礦地下開采選擇通風(fēng)方式提供了依據(jù)。

(3)對東南亞某鉀鹽礦的通風(fēng)系統(tǒng)進行了研究，選取壓入式W型(雙向)通風(fēng)方式，布置了風(fēng)墻、風(fēng)門、風(fēng)橋、風(fēng)簾等各種通風(fēng)設(shè)施以及各種檢測裝置。

[1] 崔曉寰，楊云松，李 正.世界鉀鹽資源分布及特點[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2014,(1).

[2] 王春寧，余俊清，陳 良，等.鉀鹽資源全球分布和我國找鉀實踐及方法探究[J].鹽湖研究，2007,(3)：56-72.

[3] 李 強.我國鉀鹽礦資源綜合評價與區(qū)劃布局建議[J].國土與自然資源研究，2016，(3)：44-46.

[4] UNEP,IFA.Environmental Aspects of Phosphate and Potash Mining[R].Paris:UNITED NATIONS PUBLICATION,December 2001.10-11.

[5] HATCH.Potash Mining Supply Chain Requirement Guide[R].Saskatchewan: Ministry of the Economy,September 2012.23-24.

[6] Crocker N,Alderman G.A regulator’s view on mine ventilation[C].lisse,Swets & Zeitlinger，2002.659-661.

[7] HG/T 22801- 2013,化工礦山企業(yè)初步設(shè)計內(nèi)容和深度的規(guī)定[S].

[8] GB16423- 2006，金屬非金屬礦山安全規(guī)程[S].

[9] PETER DARLING. Mining Engineering Handbook [M].US:SME,2011(Third Edition).1591-1593.

工程動態(tài)與信息

Discussion on the ventilation way in underground mining of solid potash mine

Based on the underground mining method of typical solid potash mine, and considering the characteristics of its underground environment, the ventilation way in underground mining of solid potash mine was studied in detail. In addition, the ventilation way of a solid potash mine in Southeast Asia and the importance of ventilation construction for ventilation system were described.

solid potash mine; underground mining; ventilation

TD871+.1

A

2017-- 03-- 30

2017-- 04-- 05

翟建波(1986-)，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，注冊一級建造師，從事礦山咨詢設(shè)計工作。

1672-- 609X(2017)04-- 0043-- 05