河南省桐柏縣銀洞坡金礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

吳冷峻 周 偉 魯智勇 王 廣 山正紅 王新明

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.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；4.桐柏銀洞坡金礦有限公司)

河南省桐柏縣銀洞坡金礦隨著多年持續(xù)開采和開采范圍的變化，采空區(qū)漏風(fēng)干擾了通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，尤其是近年來進(jìn)入西區(qū)(小高尖豎井)-205 m 中段及以下水平開采，-245 m空壓機(jī)硐室產(chǎn)生的熱源導(dǎo)致采區(qū)作業(yè)中段進(jìn)風(fēng)段風(fēng)溫偏高，中段采場作業(yè)環(huán)境較差，供人員、材料及礦石提升的小高尖豎井出風(fēng)存在嚴(yán)重的安全隱患。2018年1—5月，本研究通過對銀洞坡金礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，確保礦井安全生產(chǎn)。

1 礦山概況

銀洞坡金礦是我國首次發(fā)現(xiàn)的以銀金為主的大型層控變質(zhì)熱液型礦床，礦區(qū)分為東、西兩段，東段為露天開采，1997年轉(zhuǎn)為斜井開采，西段為“89.2”工程探建結(jié)合項(xiàng)目，籌建于1992年。礦山采用中央主井、盲豎井、兩翼風(fēng)井的下盤豎井開拓方式，采用地下開采模式[1]。該礦山礦體傾角大多為35°～85°，厚度為0.63～2.03 m，屬傾斜—急傾斜礦體，礦巖較穩(wěn)固，從安全、高效、節(jié)約成本的角度考慮，選用淺孔留礦法開采[2-4]。依據(jù)采礦許可證劃定的生產(chǎn)能力，礦山生產(chǎn)規(guī)模為23.1×104t/a。到2017年，礦區(qū)東段已經(jīng)基本開采完畢，今后開采范圍將集中于礦區(qū)西段小高尖-205 m及以下中段。

銀洞坡金礦設(shè)計采用單翼對角布置的集中式通風(fēng)系統(tǒng)[5-7]，設(shè)計礦井總風(fēng)量為47.40 m3/s，中央豎井(東區(qū))及小高尖豎井(西區(qū))進(jìn)風(fēng)，東風(fēng)井回風(fēng)，東風(fēng)井地表設(shè)置回風(fēng)機(jī)站，安裝1臺K45-4-№13型風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率為90 kW，采用抽出式通風(fēng)方式。 后期經(jīng)調(diào)整， 在 -165 m水平16#線增設(shè)了1個回風(fēng)機(jī)站，安裝了1臺K45-4№13型風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率為90 kW，該通風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)于-205～-365 m 5個生產(chǎn)作業(yè)中段。

表1 銀洞坡金礦開拓工程各井筒參數(shù)

經(jīng)過現(xiàn)場勘查、設(shè)計資料分析及通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀監(jiān)測，銀洞坡金礦西區(qū)(小高尖豎井)通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題如下：

(1)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性較差。受到采空區(qū)漏風(fēng)影響，東風(fēng)井地表主扇無法發(fā)揮系統(tǒng)總回風(fēng)的作用，井下熱風(fēng)及采區(qū)污風(fēng)無法沿設(shè)定路線排出地表，小高尖豎井實(shí)際成為回風(fēng)井。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，西區(qū)(小高尖豎井)出風(fēng)量為48.63 m3/s，其中-205 m 水平(1中段)、-245 m水平(2中段)、-285 m 水平(3中段)的出風(fēng)量分別為20.82，16.79，11.02 m3/s。小高尖豎井為人員上下、設(shè)備材料運(yùn)送及礦石提升的綜合井，該豎井出風(fēng)存在嚴(yán)重的安全隱患。

(2)采場開采完畢后未及時充填，西區(qū)(小高尖豎井)-205 m水平以上的采空區(qū)漏風(fēng)及風(fēng)流紊亂問題開始顯現(xiàn)，局部作業(yè)環(huán)境較差。-165 m中段以上上部采空區(qū)漏風(fēng)通過-165 m東部10#線、11#線采區(qū)天井和西部16#線、19#線、20#線采區(qū)天井下到小高尖-205 m及以下中段的風(fēng)量達(dá)27.19 m3/s。

(3)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流串聯(lián)，污風(fēng)循環(huán)。-245 m水平(2中段)19#線空壓機(jī)硐室熱源擴(kuò)散(硐室內(nèi)設(shè)備溫度高達(dá)90 ℃)造成-205，-245，-285 m水平局部高溫問題明顯，-205 m水平19#線倒段通風(fēng)天井聯(lián)絡(luò)巷溫度達(dá)到46 ℃。小高尖豎井地表井口溫度為-3 ℃時，-325 m水平(4中段)主巷獨(dú)頭掘進(jìn)溫度高達(dá)33～35 ℃。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

2.1 方案設(shè)計

(1)礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)壓平衡。為有效減少地下礦山采空區(qū)漏風(fēng)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響，可以從降低漏風(fēng)巷道兩端的壓差來考慮，即均衡漏風(fēng)通道進(jìn)、出口兩端的風(fēng)壓。通過網(wǎng)絡(luò)風(fēng)壓平衡控制漏風(fēng)量，其實(shí)質(zhì)是通過設(shè)置調(diào)壓裝置或調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)局部阻力來降低漏風(fēng)巷道兩端的風(fēng)壓差[8]；風(fēng)量平衡控制漏風(fēng)量則是通過設(shè)置通風(fēng)設(shè)備以保證生產(chǎn)中段進(jìn)風(fēng)量和回風(fēng)量相當(dāng)，達(dá)到減少或避免系統(tǒng)外部漏風(fēng)(采空區(qū)漏風(fēng))及內(nèi)部多中段作業(yè)污風(fēng)循環(huán)的目的。

(2)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。通過對銀洞坡金礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行分析、評價，本研究設(shè)計了“兩進(jìn)一回”的通風(fēng)方案，即小高尖井下采用壓、抽混合式通風(fēng)系統(tǒng)，形成西部小高尖豎井、中央豎井進(jìn)風(fēng)；東部16#線采區(qū)回風(fēng)井(斷面規(guī)格由現(xiàn)有的1.5 m×1.8 m 擴(kuò)大至φ3.5 m或3 m×3 m)及-165 m水平以上至35 m采區(qū)的回風(fēng)井、東回風(fēng)井出風(fēng)。-245 m 中段(2中段)19#線空壓機(jī)硐室熱源通過19#線天井回至-165 m水平，以解決熱風(fēng)在采區(qū)中段擴(kuò)散的問題。

(3)礦井總風(fēng)量合理分配調(diào)控。改造后的通風(fēng)系統(tǒng)前期服務(wù)于-205，-245，-285 m 3個中段，根據(jù)井下各中段風(fēng)量需求，對系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行了合理分配，系統(tǒng)回風(fēng)機(jī)站控制總風(fēng)量，各中段進(jìn)風(fēng)機(jī)站調(diào)控中段進(jìn)風(fēng)量并減少采空區(qū)漏風(fēng)。

(4)機(jī)站設(shè)置優(yōu)化。增設(shè)3個無風(fēng)墻進(jìn)風(fēng)機(jī)站，分別在-205，-245，-285 m中段小高尖豎井車場石門安裝了1臺同型號風(fēng)機(jī)(型號為K45-6№12,電機(jī)功率為18.5 kW)，控制小高尖豎井進(jìn)風(fēng)量，克服進(jìn)風(fēng)段通風(fēng)阻力及采空區(qū)漏風(fēng)影響；-165 m 水平已有的16#線回風(fēng)機(jī)站(風(fēng)機(jī)型號為K45-4№14,電機(jī)功率為132 kW)不變，采用變頻控制方式。

(5)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)局阻、機(jī)站局阻優(yōu)化。對小高尖礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)局阻、無風(fēng)墻機(jī)站及有風(fēng)墻機(jī)站局阻進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合系統(tǒng)風(fēng)量及風(fēng)壓(含自然風(fēng)壓)要求，運(yùn)用通風(fēng)系統(tǒng)三維動態(tài)模擬及風(fēng)機(jī)優(yōu)選等技術(shù)，優(yōu)選風(fēng)機(jī)，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)處于安全、可靠、高效、節(jié)能的工作狀態(tài)。

(6)通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置。通風(fēng)構(gòu)筑物合理設(shè)置對礦井風(fēng)流調(diào)控及安全生產(chǎn)具有重要意義。當(dāng)前井下-165 m水平與-205 m水平相通，采空區(qū)漏風(fēng)問題較大，需要對井下通風(fēng)構(gòu)筑物進(jìn)行優(yōu)化布置。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造效果

根據(jù)小高尖礦井通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化改造方案，經(jīng)過3個多月的現(xiàn)場實(shí)施，完成了小高尖礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造工作，并對改造后的通風(fēng)系統(tǒng)和反風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了監(jiān)測分析，結(jié)果如下。

(1) -165 m 水平主回風(fēng)機(jī)站運(yùn)行1臺K45-4-№14型風(fēng)機(jī)(電機(jī)功率為132 kW)，運(yùn)行頻率為45 Hz，礦井總風(fēng)量為61.04 m3/s，達(dá)到設(shè)計的47.4 m3/s 總風(fēng)量要求。該風(fēng)機(jī)實(shí)耗功率為101.32 kW，全壓1 325 Pa，風(fēng)機(jī)工作效率為79.82%。

(2)小高尖豎井進(jìn)風(fēng)量為34.46 m3/s，其中-205，-245，-285 m中段分別進(jìn)風(fēng)14.08，12.76，7.62 m3/s，-245 m中段16#線以東采空區(qū)漏風(fēng)量為9.75 m3/s(有效)，-205 m中段16#線西側(cè)穿脈巷采空區(qū)漏風(fēng)量為10.21 m3/s(無效)，通風(fēng)系統(tǒng)有效風(fēng)量率為72.43%。

(3)采空區(qū)漏風(fēng)量為26.58 m3/s，其中-245 m中段回風(fēng)巷(16#線以東)漏風(fēng)量為9.75 m3/s，-205 m 中段回風(fēng)巷(16#線以西)漏風(fēng)量為10.21 m3/s。

(4)小高尖豎井進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度為28～30 ℃，為小高尖豎井長期處于回風(fēng)狀態(tài)井筒內(nèi)集熱所致，通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行后，進(jìn)風(fēng)風(fēng)溫將與地表溫度保持一致。

(5)通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)試驗(yàn)時實(shí)現(xiàn)-165 m水平主回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行，各進(jìn)風(fēng)輔扇停機(jī)，系統(tǒng)反風(fēng)量為48.89 m3/s，為系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時風(fēng)量的80.10%。系統(tǒng)反風(fēng)后5～10 min內(nèi)，井下風(fēng)流流向穩(wěn)定，通風(fēng)系統(tǒng)各監(jiān)測點(diǎn)的主要巷道風(fēng)流均已反向。

3 結(jié) 論

(1)通過采用系統(tǒng)風(fēng)壓平衡原理、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及機(jī)站優(yōu)化技術(shù)，對銀洞坡金礦通風(fēng)系統(tǒng)采用壓、抽混合式通風(fēng)方式進(jìn)行優(yōu)化改造，有效解決了采空區(qū)漏風(fēng)、小高尖豎井出風(fēng)、采區(qū)中段污風(fēng)串聯(lián)的技術(shù)難題，并建立了穩(wěn)定可靠的通風(fēng)系統(tǒng)。

(2)礦井總風(fēng)量為61.04 m3/s，達(dá)到設(shè)計的47.4 m3/s總風(fēng)量要求。-165 m水平主回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率為79.82%，系統(tǒng)有效風(fēng)量率為72.43%。

(3)生產(chǎn)中段采用無風(fēng)墻進(jìn)風(fēng)輔扇，對各中段風(fēng)量進(jìn)行合理調(diào)節(jié)控制。小高尖豎井進(jìn)風(fēng)量為34.46 m3/s，其中，-205，-245，-285 m中段分別進(jìn)風(fēng)14.08，12.76，7.62 m3/s。

(4)通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)風(fēng)量為48.89 m3/s，為系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時風(fēng)量的80.10%。系統(tǒng)反風(fēng)后5～10 min 內(nèi)，井下風(fēng)流流向穩(wěn)定。