礦井多級(jí)(機(jī))站通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)方法研究*

李衛(wèi)國(guó) 任甲澤 賈敏濤

(1.海南山金礦業(yè)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)是礦井發(fā)生災(zāi)變時(shí)(特別是火災(zāi))一項(xiàng)重要的控制風(fēng)流的減災(zāi)、救災(zāi)措施。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，地下礦山災(zāi)害發(fā)生頻率較高的是透水、火災(zāi)和中毒窒息事故[1-5]。為盡可能避免發(fā)生礦井火災(zāi)和中毒窒息事故，礦井每年應(yīng)至少進(jìn)行2次反風(fēng)試驗(yàn)，并測(cè)定主要風(fēng)路反風(fēng)后的風(fēng)量。由于地下礦山井巷工程復(fù)雜，風(fēng)流方向受到風(fēng)機(jī)壓力、自然風(fēng)壓和火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的火風(fēng)壓等多種因素影響，一旦井下發(fā)生火災(zāi)，須在預(yù)判風(fēng)流可能的流動(dòng)方向后，方可進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)操作[6-9]。本研究對(duì)礦井多級(jí)(機(jī))站通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)方法進(jìn)行探討，供相關(guān)工程實(shí)踐借鑒。

1 通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)技術(shù)概述

礦井反風(fēng)方法主要有反風(fēng)道反風(fēng)、無(wú)反風(fēng)道反風(fēng)和反轉(zhuǎn)反風(fēng)等，各種反風(fēng)方法、方式的使用條件見(jiàn)表1[6]。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)方法和反風(fēng)方式

對(duì)傳統(tǒng)大主扇通風(fēng)系統(tǒng)和單一的“一進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行反風(fēng)試驗(yàn)時(shí)，主要通過(guò)預(yù)先修筑的專用反風(fēng)道或并聯(lián)安裝的備用風(fēng)機(jī)作為反風(fēng)道反風(fēng)。文獻(xiàn)[8]介紹了2種大主扇通風(fēng)系統(tǒng)的反風(fēng)試驗(yàn)方法，其一是在大主扇(軸流式或離心式)安裝巷道一旁修建專用反風(fēng)道，反風(fēng)試驗(yàn)時(shí)將風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口與反風(fēng)道相連，風(fēng)流由風(fēng)硐壓入總回風(fēng)道，實(shí)現(xiàn)礦井反風(fēng)；其二是軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)安裝(一用一備)時(shí)，利用備用風(fēng)機(jī)作為反風(fēng)道，實(shí)現(xiàn)礦井反風(fēng)。上述2種方法需要修筑專用反風(fēng)道或現(xiàn)場(chǎng)安裝有備用風(fēng)機(jī)，通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)初期投資大，由于現(xiàn)階段金屬礦山井下機(jī)站很少安裝備用風(fēng)機(jī)，故而上述反風(fēng)試驗(yàn)方法難以適用于多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)。

金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)自20世紀(jì)末從大主扇通風(fēng)方式逐步發(fā)展到現(xiàn)階段的多級(jí)機(jī)站通風(fēng)方式，目前地下金屬礦山多采用多級(jí)(機(jī))站通風(fēng)方式。與大主扇通風(fēng)系統(tǒng)相比，多級(jí)(機(jī))站通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)數(shù)量多，風(fēng)機(jī)位置分散。隨著地下礦山產(chǎn)能逐步提升，千萬(wàn)噸級(jí)地下金屬礦山開(kāi)始出現(xiàn)，相應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)已由“一進(jìn)一回”相對(duì)單一的系統(tǒng)發(fā)展到“多進(jìn)一回”，甚至“多進(jìn)多回”的復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]介紹了多風(fēng)井多主通風(fēng)機(jī)礦井反風(fēng)技術(shù)，采用了部分主要通風(fēng)機(jī)保持正常運(yùn)行，部分主要通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，各主要通風(fēng)機(jī)依次進(jìn)行反風(fēng)的操作思路。由于金屬礦山回風(fēng)機(jī)站位置相對(duì)較近，在1條風(fēng)井的上下不同中段石門，甚至同一水平的2條石門內(nèi)，機(jī)站間隔一般不超過(guò)100 m，風(fēng)機(jī)在依次進(jìn)行反風(fēng)操作時(shí)，受到附近風(fēng)機(jī)負(fù)壓影響，停機(jī)后難以正常反轉(zhuǎn)啟動(dòng)反風(fēng)。因此，該技術(shù)在未修筑反風(fēng)道的金屬礦山適用性不強(qiáng)。

2 多級(jí)(機(jī))站通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)方法

2.1 多級(jí)(機(jī))站通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建

通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)是井下發(fā)生火災(zāi)后的一種快速有效的減災(zāi)、降災(zāi)技術(shù)措施，因此反風(fēng)方案設(shè)計(jì)須與通風(fēng)系統(tǒng)的布置方式和火災(zāi)發(fā)生地進(jìn)行綜合分析。某典型的礦山多級(jí)(機(jī))站通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 多級(jí)(機(jī))站通風(fēng)系統(tǒng)示意

圖1中通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：在上中段水平巷中先后設(shè)置上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)、上中段水平風(fēng)門、下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)，從而將上中段水平巷分割為上中段進(jìn)風(fēng)機(jī)站巷、上中段用風(fēng)巷以及下中段回風(fēng)機(jī)站巷；在下中段水平巷中先后設(shè)置下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)、下中段水平風(fēng)門，從而將下中段水平巷分割為下中段進(jìn)風(fēng)機(jī)站巷、下中段用風(fēng)巷；在下中段用風(fēng)巷和下中段回風(fēng)機(jī)站巷之間設(shè)有下中段回風(fēng)天井；在上中段水平巷上部設(shè)有上中段回風(fēng)機(jī)站巷，上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)安裝于上中段回風(fēng)機(jī)站巷中，上中段回風(fēng)機(jī)站巷的一端與回風(fēng)井聯(lián)通，上中段回風(fēng)機(jī)站巷的另一端與上中段回風(fēng)天井上部聯(lián)通，上中段回風(fēng)天井下部與上中段用風(fēng)巷聯(lián)通。

本研究認(rèn)為反風(fēng)方式選擇的依據(jù)為最大限度縮小災(zāi)害影響范圍和發(fā)生強(qiáng)度，將災(zāi)變發(fā)生的地點(diǎn)依據(jù)所處的環(huán)境不同分為進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)兩大區(qū)域。當(dāng)災(zāi)變發(fā)生于進(jìn)風(fēng)側(cè)時(shí)，災(zāi)變產(chǎn)生的有害因子將隨著風(fēng)流進(jìn)入采區(qū)，導(dǎo)致災(zāi)變進(jìn)一步擴(kuò)大，可采用進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和回風(fēng)風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行的全礦反風(fēng)方式；當(dāng)災(zāi)變發(fā)生于回風(fēng)側(cè)時(shí)，災(zāi)變產(chǎn)生的有害因子將隨風(fēng)流直接進(jìn)入回風(fēng)井巷，其影響范圍不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，可采用進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和直接作用于災(zāi)變點(diǎn)的回風(fēng)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，其他回風(fēng)風(fēng)機(jī)關(guān)閉的通風(fēng)方式。

2.2 通風(fēng)風(fēng)路確立

在圖1所示的通風(fēng)系統(tǒng)中關(guān)閉上中段水平風(fēng)門、下中段水平風(fēng)門，將所述的反風(fēng)試驗(yàn)系統(tǒng)的風(fēng)路分為：風(fēng)路A(①-②-③-④-⑤-⑥--)和風(fēng)路B(①-②-⑦-⑧-⑨-⑩----)。檢測(cè)并繪制出風(fēng)路A的相對(duì)靜壓分布圖、風(fēng)路B的相對(duì)靜壓分布圖和2條風(fēng)路的正負(fù)相對(duì)靜壓分界線，在中段平面圖和井下現(xiàn)場(chǎng)分別標(biāo)記出上中段水平巷正負(fù)相對(duì)靜壓分界點(diǎn)和下中段水平巷正負(fù)相對(duì)靜壓分界點(diǎn)。對(duì)于已經(jīng)建立了相對(duì)穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)的礦井而言，該類分界點(diǎn)相對(duì)固定，僅在某一小段巷道內(nèi)移動(dòng)。

根據(jù)圖2，可將風(fēng)路A中節(jié)點(diǎn)④的上風(fēng)向劃分為風(fēng)路A進(jìn)風(fēng)側(cè)，即①-②-③-④風(fēng)路；節(jié)點(diǎn)④的下風(fēng)向劃分為風(fēng)路A回風(fēng)側(cè)，即④-⑤-⑥--風(fēng)路；將風(fēng)路B中節(jié)點(diǎn)⑧的上風(fēng)向劃分為風(fēng)路B進(jìn)風(fēng)側(cè)，即①-②-⑦-⑧段風(fēng)路；節(jié)點(diǎn)⑧的下風(fēng)向劃分為風(fēng)路B回風(fēng)側(cè)，即⑧-⑨-⑩----風(fēng)路。

圖2 風(fēng)路相對(duì)靜壓分布示意

2.3 反風(fēng)試驗(yàn)

2.3.1 不同災(zāi)變點(diǎn)的反風(fēng)方式

根據(jù)著火點(diǎn)不同，相應(yīng)的反風(fēng)試驗(yàn)方案為：①火災(zāi)發(fā)生于風(fēng)路A或B進(jìn)風(fēng)側(cè)，反風(fēng)是出于降災(zāi)減災(zāi)的目的，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生于風(fēng)路A或風(fēng)路B的進(jìn)風(fēng)側(cè)時(shí)，可采用上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)、下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)、上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行的全礦反風(fēng)方式；②當(dāng)災(zāi)變發(fā)生于風(fēng)路A回風(fēng)側(cè)時(shí)，打開(kāi)上中段水平風(fēng)門，關(guān)閉下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)，采用上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)、下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)正常通風(fēng)的方式；③當(dāng)災(zāi)變發(fā)生于風(fēng)路B回風(fēng)側(cè)時(shí)，打開(kāi)上中段水平風(fēng)門，關(guān)閉上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)，采用上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)、下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)正常通風(fēng)的方式。

2.3.2 通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)作為一種發(fā)生災(zāi)害時(shí)的應(yīng)急救災(zāi)、減災(zāi)措施，須能夠快速實(shí)現(xiàn)(10 min以內(nèi))[5]。多級(jí)(機(jī))站通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)數(shù)量多，位置分散，且風(fēng)機(jī)大多位于井下，為確保發(fā)生災(zāi)變時(shí)能夠快速反應(yīng)，以及能夠方便、快捷、高效地對(duì)風(fēng)機(jī)、風(fēng)門進(jìn)行控制，礦井多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)須建立通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)風(fēng)機(jī)和風(fēng)門的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)、上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟、停止和反轉(zhuǎn)操作，并通過(guò)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上中段水平風(fēng)門、下中段水平風(fēng)門的開(kāi)啟與關(guān)閉。

2.3.3 反風(fēng)試驗(yàn)案例

以圖1所示的通風(fēng)系統(tǒng)為例，若該系統(tǒng)的災(zāi)變發(fā)生于風(fēng)路A進(jìn)風(fēng)側(cè)，可采用上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3、下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3′、上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5′反轉(zhuǎn)運(yùn)行的全礦反風(fēng)方式。具體實(shí)施步驟如下：

(1)檢測(cè)正常通風(fēng)狀態(tài)下通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行工況，包括上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3和下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3′的進(jìn)風(fēng)量、上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5′的回風(fēng)量、上中段用風(fēng)巷4和下中段用風(fēng)巷4′的風(fēng)速、風(fēng)量以及風(fēng)向。

(2)檢查上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3、下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3′、上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5′的反風(fēng)門，固定上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3、下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3′、上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5′的出口反風(fēng)風(fēng)門，將風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控平臺(tái)設(shè)置為遠(yuǎn)控狀態(tài)。

(3)在風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控平臺(tái)上依次關(guān)閉上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3、下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3′、上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5′。

(4)步驟(3)操作完畢3～8 min后，在風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控平臺(tái)上依次反轉(zhuǎn)開(kāi)啟上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3、下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3′、上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5′。

(5)進(jìn)行反風(fēng)狀態(tài)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行工況檢測(cè)，包括上中段用風(fēng)巷4和下中段用風(fēng)巷4′風(fēng)流穩(wěn)定距離步驟(4)操作完畢后的時(shí)間，檢測(cè)上中段用風(fēng)巷4和下中段用風(fēng)巷4′的風(fēng)速、風(fēng)量以及風(fēng)向；檢測(cè)上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3和下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3′的回風(fēng)量、上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5′的進(jìn)風(fēng)量(圖3)。

(6)在風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控平臺(tái)上依次關(guān)閉上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3、下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3′、上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5′，5 min后依次正轉(zhuǎn)開(kāi)啟上中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3、下中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)3′、上中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5和下中段回風(fēng)風(fēng)機(jī)5′，反風(fēng)結(jié)束。

圖3 反風(fēng)前后通風(fēng)系統(tǒng)的排煙風(fēng)路

3 結(jié) 論

(1)礦井通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)作為一種礦山井下發(fā)生事故后的應(yīng)急減災(zāi)救災(zāi)措施，在一定范圍內(nèi)能夠有效降低事故危害，但針對(duì)具體的礦井通風(fēng)系統(tǒng)而言，有必要結(jié)合自身通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)和災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)合理選擇最佳的反風(fēng)方案，以最大限度地減小災(zāi)害的影響范圍和發(fā)生強(qiáng)度。

(2)礦山應(yīng)該按照相關(guān)規(guī)范要求定期進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)試驗(yàn)，掌握礦井通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)風(fēng)路，以便災(zāi)害發(fā)生后能夠快速反應(yīng)，制定出具體的反風(fēng)方案。

(3)如需確保多級(jí)(機(jī))站通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、可靠反風(fēng)，須對(duì)主要通風(fēng)風(fēng)機(jī)和反風(fēng)風(fēng)門實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 師金磊.成莊礦反風(fēng)期間瓦斯涌出規(guī)律[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(S1)：4-5.

[2] 宋富美.程潮鐵礦區(qū)域反風(fēng)數(shù)值模擬研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010(9)：36-40.

[3] 周軍民，張 良.礦井反風(fēng)時(shí)降低反風(fēng)率下限值可能性探討[J].能源與環(huán)保，2000(5)：38-39.

[4] 陳更林，王利軍，閆小康，等.開(kāi)縫翼型特性對(duì)軸流風(fēng)機(jī)反風(fēng)影響的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010(8)：1395-1400.

[5] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 16423—2006 金屬非金屬礦山安全規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[6] 中華人民共和國(guó)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ 2013.1—2008金屬非金屬地下礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7] 胡建東.多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)技術(shù)分析及反風(fēng)試驗(yàn)[J].中國(guó)礦山工程，2015，44(4)：24-27.

[8] 寧尚根.礦井反風(fēng)技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

[9] 王子邦.礦井反風(fēng)技術(shù)分析與相關(guān)問(wèn)題的探討[J].太原科技，2006(11)：59-61.

[10] 武新文，張 磊，龐 鄧.多風(fēng)井多主通風(fēng)機(jī)礦井反風(fēng)技術(shù)分析與安全研究[J].煤炭技術(shù)，2014，33(9)：21-23.