海南鐵礦北一采區(qū)井下通風系統(tǒng)優(yōu)化

張藝山 符吉東 周 偉 鄭壯志薛宗達 張東煒 劉小剛 劉培正

(1.海南礦業(yè)股份有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.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)

1 礦山概況

海南鐵礦北一礦體北西起石碌嶺，東抵大英山(至E23#線以東400 m)，南至紅房山背斜南東隱伏端至石灰頂向斜北側(cè)，東西方向已控制長度3 525 m[1]。北一采區(qū)生產(chǎn)規(guī)模為430萬t/a，開采方式為地下開采，年工作330 d，每天3班，每班8 h。礦山采用主副井—斜坡道聯(lián)合開拓方案，開拓系統(tǒng)共布置2條主井、1條副井、2條進風井、3條回風井和1條主斜坡道，各井筒主要參數(shù)見表1。

表1 礦山各井筒主要技術參數(shù)

注：主斜坡道凈斷面面積為15.21 m2。

礦區(qū)主、副井集中布置于礦體北部E4#線延長方向的132 m臺階上。主斜坡道硐口布置于主、副井工業(yè)場地附近，與現(xiàn)有道路相通，承擔井下開采所用物資、材料和無軌設備輸送任務。根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀(地表無重要設施需要保護、地表允許塌陷、地表不存在征地和動遷問題、礦體和圍巖均較穩(wěn)定)，并考慮到充填工藝復雜、生產(chǎn)成本較高、礦塊生產(chǎn)能力低的不足，故主要采用無底柱分段崩落法，局部采用分段空場法生產(chǎn)[1]。基建時期北一采區(qū)井下主要生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域為0～-105 m水平，作業(yè)面有21個；-120 m為開拓水平，掘進作業(yè)面有4個。

2 礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀

該礦北一采區(qū)通風系統(tǒng)共設置2個回風機站，分別布置于地表1#回風井風機房及2#回風井風機房，各安裝了1臺K40-8-№23風機(132 kW/臺)，其中地表2#回風井風機房的風機采用變頻控制方式。系統(tǒng)共設置有2個進風機站，分別布置于1#進風井0 m水平聯(lián)巷及-120 m水平聯(lián)巷，1#進風井0 m水平聯(lián)巷安裝了1臺K40-8-№23風機(132 kW/臺)；1#進風井-120 m水平兩側(cè)聯(lián)巷各并聯(lián)安裝了2臺K40-8-№20風機(75 kW/臺)，均采用變頻控制方式。

隨著北一采區(qū)開釆范圍以及生產(chǎn)規(guī)模的增大，礦井通風系統(tǒng)無法滿足井下生產(chǎn)用風需求，出現(xiàn)了井下風流紊亂、主要工作面風量不足等問題。具體來說，該礦井下通風系統(tǒng)存在的問題有：①通風系統(tǒng)中未設置必不可少的通風構(gòu)筑物，風流缺少調(diào)控措施，無法對井下風量進行有效調(diào)節(jié)與合理分配；②新鮮風短路現(xiàn)象較為嚴重，有效風量利用率僅為60.3%，偏低；③2#回風井0 m水平回風巷可能存在堵塞現(xiàn)象，導致2#回風井地表回風機站承擔了整個-120 m 水平回風任務；④0 m水平1#進風井聯(lián)巷安裝了1臺K40-8-№21風機(75 kW/臺)，當風機運行時造成副井反風，導致該風機無法正常運行；⑤-120 m 水平1#進風井的2條進風聯(lián)巷各并聯(lián)安裝有2臺K40-8-№21風機(75 kW/臺)，各運行1臺風機，由于風機出口及機站風墻未安裝風門，造成機站風流循環(huán)。

3 通風系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化思路

本研究通風系統(tǒng)優(yōu)化的范圍為-120～0 m水平。該區(qū)段通風系統(tǒng)存在的問題主要有通風系統(tǒng)建設尚不完善、系統(tǒng)中未設置必不可少的通風構(gòu)筑物、風流缺少調(diào)控措施、短路漏風問題較突出、系統(tǒng)風量和采區(qū)風量有待重新合理分配和調(diào)控以及通風系統(tǒng)管理難度大[2-5]。為改善該礦井下作業(yè)環(huán)境，本研究從如下幾個方面對通風系統(tǒng)進行優(yōu)化。

(1)系統(tǒng)風量合理分配。北一采區(qū)當前主要的需風區(qū)域位于0，-120 m水平，應對該2個水平的需風量進行核算，根據(jù)當前礦井通風系統(tǒng)的通風能力對該2個水平的需風量進行合理分配。

(2)井下通風網(wǎng)路優(yōu)化。0，-120 m水平之間的中(分)段井巷工程尚不完善，需將0，-120 m水平分為2個相對獨立的通風區(qū)域進行通風網(wǎng)路優(yōu)化。

(3)通風構(gòu)筑物合理設置。0 m水平副井進風量一部分沿1#進風井到達-120 m水平，另一部分沿上盤巷直接進入回風系統(tǒng)，未進入0 m水平采場作業(yè)面；-120 m水平3#回風井地表封閉不嚴，新風從3#回風井到達-120 m水平，直接經(jīng)由2#回風井排出地表，造成短路漏風；1#回風井60 m水平與露天坑相通，短路漏風問題較大，需根據(jù)井下通風需求對通風構(gòu)筑物進行合理布置。

3.2 通風方式

礦山基建過渡時期的生產(chǎn)作業(yè)活動集中于-120 m 水平以上區(qū)域，3#回風井主要服務-120 m水平以下通風，故本研究通風系統(tǒng)優(yōu)化時暫不利用3#回風井。結(jié)合礦山井巷工程布置情況，延用當前“三進兩回”的通風網(wǎng)絡，設計采用副井、1#進風井和2#進風井進風、1#回風井和2#回風井回風的兩翼對角抽出式多級機站通風系統(tǒng)，并將0，-120 m水平分為2個相對獨立的通風區(qū)域。具體優(yōu)化步驟為：①考慮到當前0 m水平1#進風井聯(lián)巷進風機站的風機出口即為主斜坡道，并且當風機運行時造成副井反風，設計拆除該進風機站，進風井聯(lián)巷砌1道風墻，北一采區(qū)0 m水平的新風從副井0 m水平進風巷進入，污風經(jīng)1#回風井和2#回風井排出地表；②-15 m水平新風從副井0 m水平進風巷經(jīng)輔助斜坡道進入，污風經(jīng)-15 m水平至0 m水平中(分)段回風井上至0 m水平，沿0 m水平回風巷回至1#回風井、2#回風井并排出地表；③-30 m水平新風從副井0 m水平進風巷經(jīng)輔助斜坡道進入，污風經(jīng)-30～0 m水平中(分)段回風井上至0 m水平，沿0 m水平回風巷回至1#回風井、2#回風井并排出地表；④-105 m水平一部分新風從1#進風井和副井-120 m水平進風巷經(jīng)-120 m水平至-105 m水平斜坡道進入，另一部分新風從2#進風井-105 m水平進風巷進入，污風經(jīng)-120 m水平至-105 m水平措施井下至-120 m水平，沿-120 m水平回風巷回至2#回風井并排出地表；⑤-120 m水平新風從1#進風井和副井-120 m水平進風巷進入，污風沿-120 m水平回風巷回至2#回風井并排出地表。

3.3 礦井風量計算及分配

礦井風量計算是選擇主要通風設備和布置通風工程的重要依據(jù)。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)，可知硐室型采場最低風速不宜小于0.15 m/s，巷道型采場和掘進巷道的最低風速不應小于0.25 m/s[6]?？紤]到該礦井下作業(yè)面的工作性質(zhì)，通風排塵所需風速取0.3 m/s，系統(tǒng)風量漏風系數(shù)取0.3[7-8]，計算出的礦井總風量為166.93 m3/s(表2)。

表2 按排塵風速計算的各分段需風量

注：除上述8個分段外，其他硐室需風量為20 m3/s；系統(tǒng)漏風量為38.52 m3/s。

3.4 回風機站設置

本研究優(yōu)化后的通風系統(tǒng)共設置有2個回風機站，分別布置于地表1#回風井風機房及2#回風井風機房，兩者各安裝了1臺K40-8-№23風機(132 kW/臺)(圖1)。調(diào)高地表2#回風井風機房風機運行頻率至50 Hz，同時對1#回風井60 m水平通露天坑聯(lián)巷進行適當封堵，提高礦井有效風量，改善當前井下作業(yè)環(huán)境。

3.5 新增通風井巷工程

(1)逐步完成北一采區(qū)-105～-30 m分段西1采場進風天井(井筒凈直徑為4.0 m)、西4采場進風天井(井筒凈直徑為4.0 m)、西6采場進風天井(井筒凈直徑為4.0 m)的擴刷工作；逐步完成北一采區(qū)-105～0 m水平西7回風天井(位于3#線附近，井筒凈直徑為3.0 m)、西5回風天井(位于5#線附近，井筒凈直徑為3.0 m)的延深工作。

(2)為改善0 m水平的作業(yè)環(huán)境，在下盤巷10#穿脈新掘1條回風巷(非臨時回風巷)，作為當前0 m 水平下盤回風巷及后期北一東采區(qū)-120 m水平的生產(chǎn)回風巷，具體位置以現(xiàn)場實際情況為準。

(3)清理疏通0 m水平1#回風井至2#回風井之間的回風巷。

3.6 通風構(gòu)筑物設置

通風構(gòu)筑物是礦井通風系統(tǒng)的三大組成部分之一，構(gòu)筑物的數(shù)量與質(zhì)量對井下安全生產(chǎn)具有直接影響。通風構(gòu)筑物的作用是確保井下各用風點的用風需求，如有些礦井風門漏風嚴重，無法有效發(fā)揮隔斷風流的作用，勢必會引起風流波動，影響風路中風流的穩(wěn)定性，在少數(shù)情況下甚至會造成風流靜止甚至反向[9-12]。為確保該礦北一采區(qū)的通風效果，需對井下主要位置設置通風構(gòu)筑物(表3)。

3.7 通風網(wǎng)絡解算結(jié)果

經(jīng)過Ventsim三維通風動態(tài)仿真模擬軟件解算，本研究通風系統(tǒng)優(yōu)化方案中回風機站風機的風量、風壓、裝機地點、風機型號以及其他主要技術參數(shù)取值見表4、表5及表6。綜合分析表4、表5及表6可知：

(1)礦井總風量。北一采區(qū)礦井總風量為185.29 m3/s，達到核算風量要求(166.93 m3/s)，主要由副井、1#進風井和2#進風井進入井下。其中，副井進風量91.18 m3/s，井筒平均風速3.23 m/s；1#進風井進風量32.84 m3/s，井筒平均風速0.85 m/s；2#進風井進風量15.52 m3/s，井筒平均風速 0.65 m/s；1#回風井回風量89.58 m3/s，井筒平均風速7.13 m/s；2#回風井回風量95.71 m3/s，井筒平均風速3.62 m/s。

圖1 海南鐵礦北一采區(qū)井下通風系統(tǒng)優(yōu)化示意

(2)機站設置及工況。1#回風井地表回風機站有風墻形式運行1臺K40-8-23(132 kW/臺)風機，葉片安裝角度32°，實行變頻控制方式，運行頻率50 Hz。該機站風量89.58 m3/s，實耗功率118.56 kW，風機運行效率73%。2#回風井地表回風機站有風墻形式運行1臺K40-8-23(132 kW/臺)風機，葉片安裝角度32°，實行變頻控制方式，運行頻率50 Hz。機站風量95.71 m3/s，實耗功率106.23 kW，風機運行效率75%。

4 結(jié) 語

在充分利用海南鐵礦現(xiàn)有通風

表3 井下通風構(gòu)筑物設置情況

表4 通風系統(tǒng)優(yōu)化方案解算結(jié)果

表5 通風系統(tǒng)優(yōu)化方案的風機型號及參數(shù)

表6 通風優(yōu)化方案的主要技術參數(shù) m3/s

設施及通風井巷工程的基礎上，以Ventsim模擬軟件為手段，采用數(shù)值理論分析研究方法，對該礦北一采區(qū)井下通風系統(tǒng)進行了優(yōu)化研究。研究表明：該礦通風系統(tǒng)優(yōu)化后，礦井總風量可達到185.29 m3/s，能夠滿足井下生產(chǎn)作業(yè)用風需求。

參 考 文 獻

[1] 王 鵬.海南礦業(yè)北一采場露天轉(zhuǎn)地下開采過渡研究[J].礦業(yè)工程，2011(6)：18-19.

[2] 潘軍義，蔡順塑，董振民，等.梅山鐵礦二期通風系統(tǒng)設計優(yōu)化[J].金屬礦山，2004(4)：69-71.

[3] 吳冷峻，宋愛東，周 偉，等.司家營鐵礦南區(qū)2 000萬t/a工程通風系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].金屬礦山，2011(10)：139-143．

[4] 王劍波，周 偉，吳冷峻，等.遠程集中控制技術在調(diào)節(jié)通風系統(tǒng)風壓平衡中的應用[J].金屬礦山，2015(4)：278-281.

[5] 周 偉，扈守全，汪林紅，等.阜山金礦抽出式通風系統(tǒng)采空區(qū)漏風控制技術研究[J].金屬礦山，2016(9)：174-178．

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 16423—2006 金屬非金屬礦山安全規(guī)程[S].北京：中國標準出版社，2006.

[7] 張鵬國，劉允秋.早子溝金礦通風系統(tǒng)優(yōu)化方案[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2017(8)：261-263.

[8] 王紅兵，賈敏濤.多機站通風在多中段回采礦山的應用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(10)：144-147.

[9] 潘軍義，董振民.多級機站通風局部阻力的研究[J].金屬礦山，2001(9)：49-51．

[10] 賈安民.井下多級機站通風監(jiān)控與節(jié)能技術研究[J].金屬礦山，2012(6)：113-119．

[11] 鮑 瑞.礦井通風系統(tǒng)可靠性分析[D].西安：西安科技大學，2009.

[12] 李海港，唐敏康，黃同林.金屬礦山井下通風系統(tǒng)人機工程可靠性分析[J].金屬礦山，2011(12)：139-142.