山東蒼山鐵礦主井溜破系統(tǒng)通風(fēng)方案優(yōu)化

王 維 王偉杰 吳冷峻 周 偉 魯智勇 畢福坤 夏功澤

(1.中鋼集團山東礦業(yè)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；5.赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司)

蒼山鐵礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)自建成運行至今已有6 a，隨著開采時間増加和開采范圍的變化，采場作業(yè)地點不斷調(diào)整，井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，使得通風(fēng)系統(tǒng)管理難度加大。受多方面因素影響，當(dāng)前主井溜破系統(tǒng)回風(fēng)機站風(fēng)機無法正常開啟，主井(箕斗井)進風(fēng)量為56.28 m3/s，不符合《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB l6423—2006)有關(guān)“箕斗井不應(yīng)兼作進風(fēng)井”的規(guī)定[1]，同時，主井大量進風(fēng)造成井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流紊亂，作業(yè)場所空氣質(zhì)量較差。本研究針對該礦主井溜破系統(tǒng)通風(fēng)現(xiàn)狀，對其通風(fēng)方案進行優(yōu)化。

1 礦山生產(chǎn)概況

蒼山鐵礦采用豎井開拓與斜坡道開拓相結(jié)合的開拓方案，即-140 m中段采用豎井開拓，由地表至-40 m水平的斜坡道按汽車運輸設(shè)計，-40 m水平以下按輔助斜坡道設(shè)計。各井筒主要參數(shù)見表1。

表1 礦山各井筒主要參數(shù)

注：主斜坡道的凈斷面面積為14.11 m2。

礦區(qū)地表無建筑物的礦段，采用空場法嗣后充填采空區(qū)防止地表塌陷，對于地表有建筑物需要保護的礦帶，則采用上向分層充填采礦法開采[2-3]。

該礦主井提升系統(tǒng)包括[3]：

(1)主井提升系統(tǒng)。主豎井擔(dān)負各中段的礦石提升任務(wù)，采用多繩摩擦式提升機提升。井下各中段的礦石經(jīng)溜井進入井下破碎站，破碎成≤280 mm的塊度，溜入下部溜槽，經(jīng)振動放礦機給入膠帶輸送機運至與箕斗配用的計量裝置，而后裝入多繩底卸式箕斗內(nèi)，由塔式多繩摩擦式提升機提升至地表井塔樓內(nèi)礦倉。地面礦倉內(nèi)的礦石由振動放礦機給入皮帶機上，輸送至中碎皮帶機送至選廠中碎倉內(nèi)。

(2)井下破碎系統(tǒng)。井下破碎系統(tǒng)采用單溜單破方式，井下破碎系統(tǒng)由主溜井、井下破碎硐室、皮帶巷、計量硐室、粉礦回收井、回風(fēng)天井、粉礦清理平巷、大件道及聯(lián)絡(luò)道等組成。井下破碎硐室布置于-334 m水平，在該水平布置大件道與主井貫通，并布置聯(lián)絡(luò)道與粉礦回收井貫通，人員及材料、備件等通過粉礦回收井進出。粉礦清理在-400 m水平進行，在該水平布置粉礦清理道與粉礦回收井貫通，通過粉礦回收井提升至-334 m水平。通過溜井下放至-349 m皮帶道，由皮帶輸送至計量漏斗?；啡龅V經(jīng)人工清理裝入YFC0.5-7翻斗式礦車，通過與粉礦回收井聯(lián)通的粉礦回收平巷，經(jīng)粉礦回收井提升至-140 m中段，而后卸入主溜井。計量硐室布置于約-349 m水平。

2 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

蒼山鐵礦采用分區(qū)抽出通風(fēng)方式，以副井、主井為界劃分東區(qū)、西區(qū)，設(shè)計風(fēng)量283.4 m3/s。按-140 m 水平以上可采礦量及采場分布情況，風(fēng)量分配西區(qū)約100 m3/s，東區(qū)約180 m3/s。井下共設(shè)置3個回風(fēng)機站，西風(fēng)井-90 m水平回風(fēng)機站選用2臺K45-6-№17風(fēng)機(110 kW/臺)并聯(lián)，東1回風(fēng)井7 m水平回風(fēng)機站選用2臺K45-6-№17風(fēng)機(110 kW/臺)并聯(lián)，-40 m水平南回風(fēng)機站選用2臺K45-6-№17風(fēng)機(110 kW/臺)并聯(lián)，葉片安裝角度均為40°。副井、東2風(fēng)井及主斜坡道進風(fēng)，西風(fēng)井、東1風(fēng)井回風(fēng)。東1回風(fēng)井7 m水平回風(fēng)機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風(fēng)機(110 kW/臺)，回風(fēng)量101.92 m3/s，風(fēng)機效率65%；-40 m水平回風(fēng)機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風(fēng)機(110 kW/臺)，回風(fēng)量118.55 m3/s，風(fēng)機效率77%；西風(fēng)井-90 m水平回風(fēng)機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風(fēng)機(110 kW/臺)，回風(fēng)量85.45 m3/s，風(fēng)機效率59%。主井溜破系統(tǒng)破碎硐室主井聯(lián)巷、皮帶道水平主井聯(lián)巷及粉礦回收水平主井聯(lián)巷分別設(shè)置輔助機站，各安裝1臺K40-4-№8風(fēng)機(5.5 kW/臺)，風(fēng)機停止運行。

該礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題有：①主井溜破系統(tǒng)回風(fēng)機站風(fēng)機經(jīng)過多年運行，性能下降，機站風(fēng)墻破損；②大量風(fēng)流由主井進入井下，干擾系統(tǒng)風(fēng)量分配，主井為箕斗井，大量粉塵隨著新風(fēng)一道進入井下作業(yè)區(qū)域，影響進風(fēng)風(fēng)質(zhì)；③受主井進風(fēng)量偏大的影響，-40～-90 m水平斜坡道風(fēng)流靜止，夏季時，風(fēng)流中含有大量水汽，人員車輛通過時，無法有效辨認前方路況，安全隱患較大；④通風(fēng)構(gòu)筑物的設(shè)置及日常管理、維護存在不足。

3 溜破系統(tǒng)通風(fēng)方案優(yōu)化

礦山生產(chǎn)系統(tǒng)具有動態(tài)性，隨著生產(chǎn)的調(diào)整，必然對通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)主井溜破系統(tǒng)通風(fēng)效果影響了礦山正常生產(chǎn)時，須進行技術(shù)優(yōu)化，解決其存在的通風(fēng)紊亂、作業(yè)環(huán)境差等問題，使之能夠更好地服務(wù)于井下生產(chǎn)[4-5]。

3.1 研究思路

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)[1]，入風(fēng)井巷和采掘工作面的風(fēng)源含塵量不宜大于0.5 mg/m3，并規(guī)定箕斗井不宜兼作進風(fēng)井。蒼山鐵礦主井(箕斗井)井筒直徑為4.5 m，擔(dān)負各中段的礦石提升任務(wù)，采用多繩摩擦式提升機提升。井下溜破系統(tǒng)-334 m破碎水平、-349 m皮帶道水平及-400 m粉礦回收水平的主井聯(lián)巷分別設(shè)置有輔助回風(fēng)機站，各安裝了1臺K40-4-№8風(fēng)機。受到風(fēng)機性能、風(fēng)墻維護、系統(tǒng)風(fēng)流短路以及主要進風(fēng)井巷工程風(fēng)量分配混亂等因素的影響，溜破系統(tǒng)3臺K40-4-№8風(fēng)機正常開啟后均無法將溜破系統(tǒng)污風(fēng)沿主井有效排出地表，主井入風(fēng)風(fēng)源含塵量超標，嚴重污染了井下作業(yè)環(huán)境。本研究主井溜破系統(tǒng)通風(fēng)優(yōu)化方案擬在-334 m破碎水平、-349 m皮帶道水平及-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷重新設(shè)置輔助回風(fēng)機站，針對該礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的多種影響因素，采用通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)、風(fēng)機優(yōu)選技術(shù)對溜破系統(tǒng)通風(fēng)方案進行研究，確保主井溜破系統(tǒng)污風(fēng)能夠沿主井有效排出地表。

3.2 通風(fēng)方案

本研究通風(fēng)方案沿用礦區(qū)現(xiàn)有分區(qū)抽出通風(fēng)方式，在充分利用現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)施及井巷工程的基礎(chǔ)上，溜破系統(tǒng)新鮮風(fēng)流由副井通過-140～-400 m水平盲豎井進入溜破系統(tǒng)各分層，污風(fēng)由主井排出地表。在井下溜破系統(tǒng)-334 m破碎水平、-349 m皮帶道水平及-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷分別設(shè)置輔助回風(fēng)機站，結(jié)合礦山實際生產(chǎn)條件，溜破系統(tǒng)回風(fēng)機站風(fēng)機需重新進行優(yōu)選。

3.3 溜破系統(tǒng)需風(fēng)量核算

一般來說，可按排塵風(fēng)速計算礦井需風(fēng)量。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)[1]，硐室型采場最低風(fēng)速不宜小于0.15 m/s，巷道型采場和掘進巷道的最低風(fēng)速不宜小于0.25 m/s，電耙道和二次破碎巷道的最低風(fēng)速不宜小于0.5 m/s。排塵風(fēng)速增大時，粒徑稍大的塵粒也可以懸浮并被排出，同時增強了稀釋作用，在產(chǎn)塵強度一定的條件下，礦塵濃度將隨之降低。當(dāng)風(fēng)速達到一定值時，作業(yè)場所礦塵濃度可降至最小值，該風(fēng)速可稱為最優(yōu)排塵風(fēng)速。借鑒國內(nèi)溜破系統(tǒng)各水平排塵風(fēng)速的相關(guān)研究成果[6-8]，該礦破碎水平的最佳風(fēng)速約為0.3 m/s，皮帶道水平最佳風(fēng)速約為0.5 m/s，粉礦回收水平最佳風(fēng)速約為1.0 m/s。考慮到井下溜破系統(tǒng)作業(yè)面的工作性質(zhì)、通風(fēng)排塵所需風(fēng)速以及系統(tǒng)風(fēng)量漏風(fēng)系數(shù)等，本研究計算出的溜破系統(tǒng)總風(fēng)量為24.66 m3/s(表2)。

表2 按排塵風(fēng)速計算的溜坡系統(tǒng)各中段的需風(fēng)量

注：各中段需風(fēng)量之和(18.97 m3/s)乘以系統(tǒng)漏風(fēng)系數(shù)0.3后即為系統(tǒng)漏風(fēng)量5.69 m3/s.

3.4 通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置

通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置對于通風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)定風(fēng)流的風(fēng)量分配以及穩(wěn)定性具有重要作用。為確保該礦主井溜破系統(tǒng)的通風(fēng)效果，需要設(shè)置通風(fēng)構(gòu)筑物的井下區(qū)域為：①-140 m水平主井聯(lián)巷設(shè)置1道風(fēng)墻；②-334 m破碎水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機站風(fēng)機設(shè)置1道風(fēng)墻(留風(fēng)門)；③-349 m皮帶道水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機站風(fēng)機設(shè)置1道風(fēng)墻(留風(fēng)門)；④-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機站風(fēng)機設(shè)置1道風(fēng)墻(留風(fēng)門)。

3.5 溜破系統(tǒng)回風(fēng)機站風(fēng)機優(yōu)選

通風(fēng)機選型及工況點調(diào)節(jié)對于礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化十分重要，是通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的重要內(nèi)容。K系列礦用節(jié)能通風(fēng)機由DK40、DK45、K40、K45等礦用節(jié)能風(fēng)機組成，K40、K45系列輔扇采用電機與葉輪直聯(lián)的最簡傳動結(jié)構(gòu)，由集流器、主機體和擴散器等部件組成，采用新型高效機翼型扭曲葉片，安裝角度可調(diào)，敷設(shè)穩(wěn)流環(huán)裝置使得氣動性能曲線無駝峰，底座上可配帶軸向移動的車輪。DK40、DK45系列主扇采用同型號、同功率的2臺K40、K45型風(fēng)機進行對接，兩級葉輪互為反向旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成對旋式結(jié)構(gòu)，與長軸傳動型主扇相比具有運行效率高、運行局阻低、節(jié)省土建投資等優(yōu)點，具有顯著的節(jié)能效果[9]。結(jié)合溜破系統(tǒng)需風(fēng)量及風(fēng)壓等要求，溜破系統(tǒng)回風(fēng)機站風(fēng)機擬從K45-6-№10、K45-6-№11、K45-6-№12、K45-6-№13等風(fēng)機中選擇。

3.6 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案網(wǎng)絡(luò)解算

機械通風(fēng)系統(tǒng)通過風(fēng)機將新鮮風(fēng)流送至井下各采掘作業(yè)需風(fēng)點，由于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)包括大量井巷，自然分風(fēng)及風(fēng)量調(diào)節(jié)計算比較復(fù)雜，且工作量大，因此，通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化方案基本確定后，需要建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)并利用多機站及多級機站通風(fēng)軟件對方案進行通風(fēng)效果模擬計算，并根據(jù)結(jié)果對方案進行調(diào)整修改使得最終確定的實施方案達到預(yù)期的通風(fēng)效果[10-15]。

本研究通風(fēng)系統(tǒng)主要回風(fēng)機站的風(fēng)機設(shè)置情況為：①東1回風(fēng)井7 m水平回風(fēng)機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風(fēng)機(110 kW/臺)；②-40 m水平回風(fēng)機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風(fēng)機(110 kW/臺)；③西風(fēng)井-90 m水平回風(fēng)機站并聯(lián)運行2臺K45-6-№17風(fēng)機(110 kW/臺)。本研究采用通風(fēng)軟件進行計算機網(wǎng)絡(luò)模擬解算時的主要輸入數(shù)據(jù)見表3。

針對本研究方案所設(shè)置的主井溜破系統(tǒng)回風(fēng)機站，將不同的風(fēng)機型號(K45-6-№10、K45-6-№11、K45-6-№12以及K45-6-№13)添加于構(gòu)建的通風(fēng)模型中進行網(wǎng)絡(luò)模擬，得出4種風(fēng)機優(yōu)選方案，各方案的計算機網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果見表4。

表3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算的主要輸入數(shù)據(jù)

表4 4種風(fēng)機優(yōu)選方案計算機網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

分析表4可知：4種溜破系統(tǒng)回風(fēng)機站所優(yōu)選出的風(fēng)機經(jīng)過計算機通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算及模擬運行后，僅有方案I的溜破系統(tǒng)總風(fēng)量達不到設(shè)計要求(24.66 m3/s)。

蒼山鐵礦生產(chǎn)規(guī)模為原礦產(chǎn)量200萬t/a、廢石30萬t/a，結(jié)合礦山年采掘計劃和實際生產(chǎn)情況，充分考慮了井下作業(yè)面的工作性質(zhì)、通風(fēng)排塵所需風(fēng)速，計算出的礦井通風(fēng)系統(tǒng)所需風(fēng)量為218 m3/s。考慮到在生產(chǎn)變動時通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)不及時帶來的風(fēng)量不均衡現(xiàn)象，礦井通風(fēng)風(fēng)量應(yīng)在計算出的需風(fēng)量的基礎(chǔ)上乘以系統(tǒng)風(fēng)量備用系數(shù)(1.3)，則礦井總風(fēng)量為283.4 m3/s。根據(jù)通風(fēng)軟件網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果，方案Ⅱ解算出的礦井總風(fēng)量(280.59 m3/s)無法滿足設(shè)計的礦井總風(fēng)量要求，方案Ⅲ、Ⅳ則滿足礦井總風(fēng)量設(shè)計要求(283.4m3/s)。從礦山節(jié)能角度考慮，本研究選用方案Ⅲ。該方案溜破系統(tǒng)風(fēng)機安裝方案為：①溜破系統(tǒng)-334 m破碎水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機站安裝1臺K45-6-№12風(fēng)機(18.5 kW/臺)，葉片安裝角度為35°；②溜破系統(tǒng)-349 m皮帶道水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機站安裝1臺K45-6-№12風(fēng)機(18.5 kW/臺)，風(fēng)機葉片安裝角度為35°；③溜破系統(tǒng)-400 m 粉礦回收水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機站安裝1臺K45-6-№12風(fēng)機(18.5 kW/臺)，葉片安裝角度為35°。方案Ⅲ計算機通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果及相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表5、表6。

表5 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

4 結(jié) 語

針對山東蒼山鐵礦溜破系統(tǒng)主井大量進風(fēng)的特點，結(jié)合礦山在開采過程中形成的作業(yè)場所風(fēng)流紊亂、風(fēng)質(zhì)差等問題，應(yīng)用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)、通風(fēng)機站優(yōu)化技術(shù)以及計算機通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)，對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化。該方案通過在溜破系統(tǒng)-334m破碎水平、-349m皮帶道水平以及

表6 各井筒進回風(fēng)風(fēng)量分配 m3/s

-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷各安裝1臺K45-6-№12風(fēng)機(18.5 kW/臺)，使得溜破系統(tǒng)主井出風(fēng)量為35.4 m3/s，達到設(shè)計要求。該方案可在滿足設(shè)計總風(fēng)量要求的同時，改善溜破系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境，間接減少與預(yù)防職業(yè)病發(fā)病率，有助于確保礦山安全生產(chǎn)。

參 考 文 獻

[1] 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．

[2] 馬文標，劉明許，徐萬壽，等.點柱式上向分層充填法在大紅山鐵礦的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(3)：15-17.

[3] 張加春.中鋼山東礦業(yè)蒼山鐵礦設(shè)備管理體系研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2017.

[4] 傅 貴.礦井通風(fēng)系統(tǒng)分析與優(yōu)化[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008．

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

[6] 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(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].金屬礦山，2011(10)：139-143．

[7] 周 偉，吳冷峻，賈安民，等.蒼山鐵礦井下通風(fēng)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010(11)：86-88．

[8] 吳 超.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2008．

[9] 張惠忠.K系列礦用節(jié)能風(fēng)機技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].國外金屬礦山，1998(3)：66-71．

[10] 陳 君.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性評價[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，34(3)：60-61．

[11] 李潤求，施式亮.礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評價方法及發(fā)展趨勢[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2008，18(1)：112-118．

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

[13] 楊竹周，李 威，冀 東，等.三山島金礦深井通風(fēng)降溫治理技術(shù)研究[J].金屬礦山，2011(11)：146-149.

[14] 梁 超，扈守全.阜山金礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案研究[J].中國礦業(yè)，2013(12)：134-126.

[15] 姚金蕊.馬路坪礦井通風(fēng)控制新技術(shù)的應(yīng)用研究[D].贛州：江西理工大學(xué)，2009.