多中段通風綜合分區(qū)集中控制技術在羅河鐵礦的應用

張 輝 王忠強 范進才 任甲澤 賈敏濤 居偉偉

(1.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責任公司；2.海南山金礦業(yè)有限公司；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

安徽馬鋼羅河礦業(yè)公司2007年9月正式開工建設，設計能力為300萬t/a。隨著羅河鐵礦正式投產(chǎn)，生產(chǎn)中段越來越多，部分生產(chǎn)中段處于開拓階段，未形成完整的通風線路，進、回風線路不暢，使下中段污風回至上中段進風巷，形成污風串聯(lián)現(xiàn)象[1]。各中段輔扇數(shù)量較多、安裝位置不合理且未統(tǒng)一集中控制，導致通風系統(tǒng)運行較為紊亂，各中段之間存在污風循環(huán)、風量分配不匹配等問題。因此，為解決井下通風系統(tǒng)現(xiàn)狀問題，對羅河鐵礦井下通風系統(tǒng)進行檢測及分析，核實礦井采掘工作面分布及數(shù)量，確定礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀總風量要求[2]，在滿足礦井總風量的基礎上，對各中段風量進行綜合分區(qū)、集中控制，提高礦井有效風量率及風機運行性能[3]，使礦井通風系統(tǒng)保持經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。

1 通風系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦井新鮮風流主要由副井、進風井和措施井進入，污風集中由1#、2#主回風井排出。

-545 m水平為專用進風水平，在8勘探線附近設置2#、3#、4#和7#采區(qū)進風天井。

-455 m水平為回風水平，東側設置1#、2#、4#、5#、6#、7#、8#和9#采區(qū)回風天井，通過回風巷道把1#、2#主回風井與采區(qū)回風天井相連通。

羅河鐵礦采用多級機站通風系統(tǒng)，分為Ⅲ級通風。Ⅰ級機站為進風機站，Ⅱ級機站為采區(qū)進、回風機站，Ⅲ級機站為回風機站。具體風機情況見表1。

2 現(xiàn)狀檢測及分析

2.1 通風系統(tǒng)檢測

羅河鐵礦新鮮風流經(jīng)進風井、措施井、副井及主井進入井下，通過通風系統(tǒng)檢測，各井筒具體進風情況見表2。

表2 開拓系統(tǒng)各井筒風量分配 m3/s

2.2 存在問題及分析

(1)總風量不足，風量分配不合理。羅河鐵礦總通風量為363.71 m3/s，與設計風量400 m3/s相比，風量相差36.29 m3/s，總風量欠缺。-540 m上部水平新鮮風流通過東部20#聯(lián)巷斜坡道上風，-508 m 水平通過2#、3#采區(qū)進風井進風量為11.82 m3/s，上部水平新鮮風流較少，風量分配嚴重不合理，導致通風系統(tǒng)向各水平供給的風量偏小、工作面無風、粉塵和熱量無法排走等問題，不能滿足生產(chǎn)和安全的要求。

(2)現(xiàn)場通風構筑物管理不善，風流循環(huán)。-560 m 水平南環(huán)部分風流直接匯入進風大巷，通過-560 m主進風井機站進入-545 m進風水平，存在風流短路問題。-560 m通-545 m水平斜坡道2道風門未關閉，使主進風井進入-545 m的70.26 m3/s風量又通過斜坡道下風32.73 m3/s，風流存在循環(huán)。-560 m水平1#、2#、4#、5#、6#、7#、8#采區(qū)回風井風墻已損壞，新風直接回至-455 m回風水平，降低礦井有效風量率。

(3)井下輔扇管理混亂，風機設置不合理。-545 m 南部輔扇風機將進入-540 m的風抽回到-545 m水平，造成污風循環(huán)。-545 m進風水平2#、3#、4#進風井的風機沒有開，使上水平風量較小，并且井下安置了多臺輔扇，抽出空區(qū)或溜井的污風、循環(huán)風，使工作面環(huán)境惡化。

(4)井下空區(qū)、廢棄溜井漏風嚴重。-540 m回采水平西部進風、東部回風，中部許多出完礦的空區(qū)和已經(jīng)不用的溜井未及時封閉，大量新鮮風流進入采空區(qū)，或者沿溜井上下串風，致使-540 m水平風流短路，造成風量流失嚴重，工作面風量較小或無風等現(xiàn)象。

3 通風系統(tǒng)綜合研究

3.1 總風量核定

根據(jù)《羅河鐵礦2017年生產(chǎn)計劃表》安排，羅河鐵礦出礦作業(yè)面17個、掘進作業(yè)面22個、鑿巖作業(yè)面7個。考慮到羅河鐵礦為含硫礦山，采礦作業(yè)點地溫相對較高，采場排塵風速選取0.5 m/s，每個出礦采場需風量為9.27 m3/s，每個鑿巖采場與掘進工作面需風量為9.27 m3/s，結合井下工作面同時回采數(shù)量(共計23個)、運輸水平、各類硐室及溜破系統(tǒng)計算得出礦井總需風量為395.26 m3/s，確定礦井總需風量為400 m3/s。

3.2 綜合分區(qū)研究

根據(jù)羅河鐵礦通風系統(tǒng)礦井總風量核定，利用綜合分區(qū)技術，將-470 m水平通風歸入-455 m水平通風線路，-515和-526 m水平通風歸入-508 m 水平通風線路，-516 m水平通風歸入-540 m 水平通風線路。將羅河鐵礦劃分為4個采區(qū)，各中段及采區(qū)風量分配見表3。

表3 羅河鐵礦各水平進、回風量分配

3.3 通風系統(tǒng)技術方案

結合礦山通風工程布置，仍采用南、北進風,東部回風方式，進風井、副井和措施井進風，1#、2#主回風井回風。-545 m水平為專用進風水平，-455 m水平為專用回風水平， 1#、2#主回風井與采區(qū)回風天井在-455 m水平通過4條回風巷道相連通。

3.3.1 風機變頻方案

井下Ⅰ、Ⅲ級機站風機維持不變，通過變頻柜變頻調節(jié)礦井總風量，具體風機變頻控制調節(jié)如下：

Ⅰ級機站為進風機站，共設3個機站，分別位于副井-545 m進風石門(1臺DK45-6-№18型，功率為2×160 kW)、進風井-545 m進風石門(2臺K45-6-№19型，功率為200 kW)、-560 m主進風井進風聯(lián)巷(1臺K45-6-№19型，功率為200 kW)，運行頻率由原來的27 Hz增加至35 Hz。

Ⅲ級機站為回風機站，共設5個機站，分別在-455 m 水平1#、2#、3#、4#主回風井石門巷道設置4臺K45-6-№20型風機，功率為250 kW，增大運行頻率至40 Hz。-560 m水平2#回風井回風石門設置一臺K45-6-№17型風機，功率為110 kW，運行頻率由35HZ增加至40 Hz。

3.3.2 采區(qū)通風調節(jié)方案

-455～-470 m水平采區(qū):-455 m水平新風由2#、4#、7#采區(qū)進風井和主斜坡道進入，污風通過1#、2#、3#和4#回風巷道經(jīng)1#、2#主回風井排出地表。-470 m水平新風由3#采區(qū)進風井上風進入-470 m 水平，污風通過50#聯(lián)巷斜坡道回至-455 m 水平，匯入-455 m水平回風線路。

-508～-526 m水平采區(qū):-508 m水平北部新風通過2#采區(qū)進風井、3#采區(qū)進風井、4#采區(qū)進風井、主斜坡道和措施井進風，污風通過南北進路經(jīng)60#聯(lián)巷排入106井回風。-508 m水平南部新風通過80#聯(lián)巷-455～-508 m通風井進入，污風經(jīng)90#聯(lián)巷排入8#采區(qū)回風井回風。-515和-526 m水平新風通過-508 m水平30#聯(lián)巷進入-515 m水平，部分新風經(jīng)22#出礦進路、60#聯(lián)巷上山進入-526 m 水平，污風由-526 m水平南部回風天井進入-508 m水平，由-508 m水平8#采區(qū)回風井回風。

-516～-540 m水平采區(qū)：-516 m水平新風通過115#聯(lián)道上山進風，污風通過612#井回至-540 m 水平，匯入-540 m水平回風線路。-540 m 回采水平北部新風通過-545 m進風水平由20#聯(lián)巷上山、40#聯(lián)巷上山和4#采區(qū)進風井進入-540 m回采水平，污風由1#采區(qū)回風井、20#聯(lián)巷斜坡道和新施工回風井回風。南部新風由-545 m進風水平和-560 m運輸水平回風井經(jīng)125#聯(lián)巷上山、115#聯(lián)巷上山進入回采水平，污風通過1#采區(qū)回風井、20#聯(lián)巷斜坡道和新施工回風井回風。

-560 m及以下采區(qū)：-560 m運輸水平新風由副井和措施井進入；一部分新風經(jīng)1#～6#穿脈匯至運輸水平回風井，經(jīng)-545 m水平斜巷、采區(qū)9#回風天井、-455 m回風水平，由1#、2#主回風井排出地表，另一部分新風通過運輸大巷經(jīng)2#主回風井-560 m 回風機站排出地表。新風由清理電梯井進入，分別進入破碎水平、皮帶道水平和粉礦清理水平，污風由破碎系統(tǒng)回風井上至-560 m水平，經(jīng)除塵凈化后進入-560 m運輸水平，經(jīng)2#主回風井-560 m 回風機站排出地表。機站設置在-560 m水平破碎系統(tǒng)回風井聯(lián)絡巷內。

3.4 動態(tài)模擬解算

利用Ventsim軟件建立羅河鐵礦三維動態(tài)通風網(wǎng)絡解算模型，借助軟件進行三維通風風流流動規(guī)律模擬解算，通過節(jié)點風量平衡、網(wǎng)孔風壓平衡原理對數(shù)值模擬解算結果與需風量理論計算相互驗證[4]。方案具體解算結果見表4。

表4 各方案進、回風工程網(wǎng)絡解算風量分配 m3/s

根據(jù)方案一和方案二網(wǎng)絡解算結果分析，通風系統(tǒng)能耗1 a按365 d，電費平均按0.70元/h，效率按70%計算。

方案一通風系統(tǒng)固定機站風機總裝機容量為2 030 kW，實耗功率為980.8 kW，系統(tǒng)總實耗功率2 a通風成本為842.0萬元。

方案二通風系統(tǒng)固定機站風機總裝機容量為1 190 kW，實耗功率為1 082 kW。系統(tǒng)總實耗功率2 a通風成本為928.9萬元。

方案一較方案二系統(tǒng)固定風機總實耗功率2 a節(jié)約通風成本86.9萬元。

綜上所述，通過對方案一、方案二通風系統(tǒng)網(wǎng)絡解算結果、風機總實耗功率及投資費用對比分析，方案二中Ⅰ、Ⅲ級機站風機全部更換，工程費用及風機購置費用較高，且通風系統(tǒng)總風量及風機總實耗功率與方案一中相當，最終選用方案一。通風系統(tǒng)優(yōu)化方案示意見圖1。

圖1 通風系統(tǒng)優(yōu)化方案示意(單位：m3/s)

4 現(xiàn)場實施效果

方案施工完成后，2018年8月對羅河鐵礦井下通風系統(tǒng)效果進行檢測，結果見表5。

根據(jù)表5數(shù)據(jù)分析可得礦井總進風量為458.35 m3/s，總回風量為459.10 m3/s，礦井通風有效風量為298.23 m3/s，有效風量率提高至64.96%?？傔M風量與總回風量基本一致，無外部漏風影響[5]。

優(yōu)化礦井總風量459.10 m3/s與通風系統(tǒng)設計礦井總風量400 m3/s相比，能夠滿足礦井總風量需求，各分區(qū)風量分配合理，通風效果得到明顯提升。

5 結 論

(1)通過變頻節(jié)能技術方案的實施，在保證礦井總風量400 m3/s的基礎上，選用最優(yōu)方案使礦井總風量由363.71 m3/s提升至459.10 m3/s，礦井總風量提升了26.23%，保證了多中段回采時礦井總風量的需求。

表5 優(yōu)化后通風系統(tǒng)各井筒風量分配 m3/s

(2)通過更換風機方式調節(jié)風機風量及實耗功率的方法，采用集中變頻技術控制能夠有效減少風機設備及工程費用，并在400m3/s的基礎上較更換風機方案礦井總實耗功率2a通風成本節(jié)約86.9萬元，風機性能得到較大提升。

(3)礦井生產(chǎn)、運輸中段及溜破系統(tǒng)需風區(qū)共有9處，生產(chǎn)中段存在采空區(qū)等漏風點，通風系統(tǒng)管理困難，采用風壓平衡技術，各需風中段設置輔扇進行引風，減少空區(qū)漏風點風量，使礦井新鮮風流送至需風點，提高了礦井有效風量率。

(4)羅河鐵礦隨著開采中段和深度增加，礦井需風區(qū)隨著開采的變化而變化，采用多中段綜合分區(qū)技術將通風系統(tǒng)進行集中控制，將羅河鐵礦分成4塊綜合區(qū)域，需風區(qū)進、回風線路統(tǒng)一管理，既能減少礦井通風阻力以達到降低通風成本的效果，也降低了通風系統(tǒng)管理難度，保證了通風系統(tǒng)高效性和可靠性。