礦山機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

賴昭琦

（江西華安安全生產(chǎn)檢測(cè)檢驗(yàn)中心，江西贛州 341000）

0 引言

礦山通風(fēng)主要是指利用自然或者機(jī)械風(fēng)壓，向井下輸送新鮮空氣，供井下作業(yè)人員呼吸，降低井下環(huán)境溫度，促進(jìn)各類粉塵與有毒有害氣體的稀釋與排放，為工作人員營(yíng)造良好的作業(yè)環(huán)境。為滿足更高的生產(chǎn)要求，需要對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改造，使通風(fēng)質(zhì)量和效果得到顯著提升，進(jìn)一步保障作業(yè)人員的職業(yè)健康與安全。

1 通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀

在某礦區(qū)作業(yè)中，采用地下開采的方式，主要開采月硐、小溜口以及稀礦山等。為提高通風(fēng)保障，每個(gè)礦段均設(shè)置專門的進(jìn)出風(fēng)口，并購(gòu)置2BY 與70B2 大型風(fēng)機(jī)作為主扇，構(gòu)建大型主扇壓入式集中通風(fēng)系統(tǒng)，總裝機(jī)容量為2400 kW，實(shí)際耗電量為834.41 kW，全礦總供風(fēng)量為78.47 m3/s。多年來，礦山開采的工作持續(xù)不斷，以致地表附近的礦體基本被開采完畢，需要向更深層的位置開采，原有的通風(fēng)系統(tǒng)也逐漸不符合要求，存在以下問題：

（1）開采范圍超出設(shè)備原定工作范圍，使通風(fēng)設(shè)備有些有心無力，通風(fēng)效果自然不如人意，無法與當(dāng)前安全生產(chǎn)需求充分符合。

（2）在多年開采下，井下存在大量采空區(qū)、廢舊巷道，使漏風(fēng)處增加，通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行效果難以充分發(fā)揮，從而影響工作范圍的通風(fēng)效果。

（3）以往采用的大型主扇通風(fēng)電耗量較大，在排煙、除塵等方面的效果低微，這種老舊的通風(fēng)方式應(yīng)在日后加以優(yōu)化改進(jìn)。

（4）礦區(qū)的海拔較高，礦井內(nèi)四季溫差較大，加上開采深度受到較大影響，中段的高差較大，很容易導(dǎo)致自然壓差增加；部分采區(qū)不包含在機(jī)械通風(fēng)范圍內(nèi)，自然風(fēng)壓也會(huì)增加，導(dǎo)致自然風(fēng)向隨著季節(jié)的變化而改變，穩(wěn)定性較差，特別是在夏季下行風(fēng)時(shí)，對(duì)生產(chǎn)與作業(yè)的安全性造成嚴(yán)重影響，必須采取有效措施進(jìn)行處理。

（5）當(dāng)前，礦山的年均產(chǎn)量可達(dá)60 萬噸，隨著采集點(diǎn)、采集范圍、戰(zhàn)線的不斷增加和延長(zhǎng)，如何對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)量等進(jìn)行控制，使其與安全標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)要求相符合，成為通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化中面臨的較大挑戰(zhàn)，同時(shí)也使通風(fēng)安全工作難度增加[1]。

2 通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

2.1 通風(fēng)方式的優(yōu)化

礦井通風(fēng)方式的選擇受工作場(chǎng)地、方式的影響，較為常用的有三種，即抽出式、壓入式以及抽壓混合式。在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)礦山實(shí)際情況，合理的選擇和優(yōu)化通風(fēng)方式。

2.1.1 壓入式通風(fēng)

在進(jìn)風(fēng)道中設(shè)置風(fēng)機(jī)，將地表新鮮的空氣壓入到礦井之中，并在主扇的作用下，使整個(gè)系統(tǒng)處于“正壓狀態(tài)”，與地表壓力相比較高。此種通風(fēng)方式主要作用在于對(duì)礦井內(nèi)有毒有害氣體進(jìn)行稀釋，需風(fēng)量較大，除塵速度較慢，通常在金屬礦山中與其他通風(fēng)方式配合使用。由于礦山中缺乏專門的進(jìn)風(fēng)口，如若采用此種通風(fēng)方式，則需要將大量的通風(fēng)設(shè)備安裝在各個(gè)人行運(yùn)輸平巷口中，避免壓入的新鮮空氣漏出，同時(shí)還要在井巷中設(shè)置風(fēng)門，如此一來，風(fēng)門與人行之間相互矛盾，管理難度較高，可行性較差。

2.1.2 抽壓混合通風(fēng)

此種通風(fēng)方式是將壓入式風(fēng)機(jī)安裝到進(jìn)風(fēng)井中，將抽出式風(fēng)機(jī)安裝到回風(fēng)井中，使進(jìn)風(fēng)段處于正壓狀態(tài)，回風(fēng)段為負(fù)壓狀態(tài)。由于此種通風(fēng)方式適用于氡含量較大的礦井使用，在本礦井中氡含量較低，加上不具備風(fēng)機(jī)安裝條件，因此無需采用此種方式通風(fēng)。

2.1.3 抽出式通風(fēng)

與單元通風(fēng)要求相結(jié)合，針對(duì)每個(gè)通風(fēng)單元設(shè)置相應(yīng)的抽出單元主扇，并將礦井內(nèi)的煙塵抽出，排放到地表，使井下空氣壓力低于地表壓力，整個(gè)系統(tǒng)處于“負(fù)壓狀態(tài)”。此種通風(fēng)方式的作用在于回風(fēng)段的負(fù)壓數(shù)值較高，使污風(fēng)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入風(fēng)道中，煙塵不易四散飄落，可迅速排出有毒有害氣體，需風(fēng)量較小，排煙速度較快。同時(shí)，風(fēng)機(jī)設(shè)置在回風(fēng)道中，不會(huì)影響人行與運(yùn)輸，便于管理，因此十分便捷高效。

綜上，礦井采用抽出式通風(fēng)法，各中段運(yùn)輸?shù)肋M(jìn)風(fēng)，上部采空區(qū)回風(fēng)，這樣做不但可使整個(gè)礦區(qū)的風(fēng)向穩(wěn)定、風(fēng)速均衡、風(fēng)量適中，其負(fù)壓還可促使相鄰采場(chǎng)也同樣形成穩(wěn)定的風(fēng)流，有效緩解風(fēng)流污染的現(xiàn)象，使機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)得到有效的優(yōu)化和改造[2]。

2.2 排風(fēng)量與供風(fēng)量?jī)?yōu)化

通常情況下，通風(fēng)系統(tǒng)不斷要為采礦工作區(qū)、主溜室提供新鮮空氣，還應(yīng)為變電所、維修房、炸藥庫(kù)等提供新風(fēng)流。由于礦山的炸藥庫(kù)設(shè)置在地表，井下只是臨時(shí)的存儲(chǔ)點(diǎn)，因此將炸藥庫(kù)刨除，變電所、維修庫(kù)不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，只利用新風(fēng)流解決散熱、供氧等問題，無需對(duì)需風(fēng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，排塵量按式（1）計(jì)算。

式中，Q排塵代表的是排塵需風(fēng)量，v 代表的是風(fēng)速；S m3/s代表的是單個(gè)需風(fēng)量。在安全規(guī)程中規(guī)定：硐室型采場(chǎng)中最低排塵風(fēng)速應(yīng)超過0.15 m/s，主溜井、電靶道中最低排塵風(fēng)速應(yīng)超過0.5 m/s。只需根據(jù)安全規(guī)程中的內(nèi)容，對(duì)采場(chǎng)作業(yè)區(qū)、主溜井、電靶道的排塵需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算即可。在需風(fēng)量?jī)?yōu)化中，采場(chǎng)工作區(qū)的單個(gè)需風(fēng)量為3.00 m3/s、電耙道的單個(gè)需風(fēng)量為2.00 m3/s、主溜井的單個(gè)需風(fēng)量為6.41 m3/s；在供風(fēng)量?jī)?yōu)化中，采場(chǎng)工作區(qū)、電耙道的供風(fēng)量為132 m3/s，主溜井的供風(fēng)量為23.07 m3/s，總計(jì)排塵需風(fēng)量為139.23 m3/s。

根據(jù)生產(chǎn)需風(fēng)量，可對(duì)風(fēng)量備用系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，24 個(gè)采場(chǎng)作業(yè)區(qū)的合理供風(fēng)量按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中，Q供代表的是系統(tǒng)供風(fēng)量；Q需代表的是需風(fēng)量；k 代表的是備用系數(shù)。供風(fēng)對(duì)象為24 個(gè)生產(chǎn)采場(chǎng)與主溜井，需風(fēng)量為120.0 m3/s，備用系數(shù)為1.1，供風(fēng)量為132.0 m3/s；主溜井的需風(fēng)量為19.23 m3/s，備用系數(shù)為1.2，供風(fēng)量為23.07 m3/s；二者總供風(fēng)量為155.07 m3/s。

2.3 通風(fēng)阻力的計(jì)算

當(dāng)空氣沿著井巷進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，在風(fēng)流慣性、粘滯性的影響下，使風(fēng)流產(chǎn)生擾動(dòng)、阻滯，由此產(chǎn)生通風(fēng)阻力，這也是導(dǎo)致風(fēng)流能量受損的主要原因。在通風(fēng)阻力方面，主要包括局部阻力與摩擦阻力，在設(shè)計(jì)過程中，前者通常為后者的20%，阻力按式（3）計(jì)算。

式中，F(xiàn)f代表的是巷道通風(fēng)阻力，單位為Pa；P 代表的是通風(fēng)斷面周長(zhǎng)，單位為m；?代表的是阻力系數(shù)，通常斜井與平巷的取值不同，前者數(shù)值一般為0.02 Ns2/m3，后者數(shù)值一般為0.01 Ns2/m3；Q 代表的是巷道風(fēng)量，單位為m3/s；S 代表的是巷道通風(fēng)斷面，單位為m2。

2.4 通風(fēng)設(shè)備選型

為提高通風(fēng)單元主扇與采場(chǎng)調(diào)控定量，對(duì)各個(gè)通風(fēng)單元與總通風(fēng)系統(tǒng)的阻力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化方案的合理性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，并對(duì)6 個(gè)通風(fēng)單元的阻力進(jìn)行計(jì)算，6 個(gè)通風(fēng)單元的總供風(fēng)量為132 m3/s，為計(jì)算便利，在網(wǎng)路解算時(shí)風(fēng)量均以22 m3/s 計(jì)算，從初步計(jì)算結(jié)果中能夠看出：

（1）6 個(gè)采區(qū)通風(fēng)單元阻力差距較小，回風(fēng)路線大多與最優(yōu)分風(fēng)要求相符合。

（2）由于在通風(fēng)系統(tǒng)中將多路回風(fēng)、多路進(jìn)風(fēng)均納入其中，總風(fēng)阻為0.026 9 N·s2/m，等積孔可達(dá)7.255 8 m2，總阻力為609.23 Pa，供風(fēng)量為150.50 m3/s。

由于在以往的通風(fēng)系統(tǒng)中采用70B2、50AL11 等老舊風(fēng)機(jī)，應(yīng)用效果不夠理想。為提高回風(fēng)主扇的利用效率，使通風(fēng)效果得到顯著提升，實(shí)現(xiàn)低能耗、高效便捷的目標(biāo)，工程采用K 系列輕型節(jié)能風(fēng)機(jī)[3]。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造成果

在對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，全礦通風(fēng)效果得到顯著提升，主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面：

（1）通風(fēng)系統(tǒng)總進(jìn)風(fēng)量達(dá)到147.45 m3/s，與以往相比提高23.32 m3/s；主斜坡道利用空氣幕阻隔，使通風(fēng)系統(tǒng)能夠與礦山產(chǎn)量相符合，避免進(jìn)風(fēng)風(fēng)質(zhì)受到粉塵等氣體污染。

（2）在中段下盤運(yùn)輸巷道中，南與北風(fēng)井設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗，并用控制盤區(qū)斜坡道風(fēng)流，采用抽出式通風(fēng)方式使整體通風(fēng)效果得到顯著提升。

（3）礦山通風(fēng)能耗量降低，進(jìn)風(fēng)斜井一級(jí)機(jī)站原本的兩端合二為一，風(fēng)機(jī)功率降低到132 kW，一級(jí)機(jī)站的功率降低到55 kW，總體來看，礦山全年總體通風(fēng)能耗量費(fèi)用將下降517 492.8 元。

4 結(jié)論

在礦山開采中，以往陳舊的通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)很難符合現(xiàn)實(shí)需求，需要采取積極有效的方式使通風(fēng)效果得以提升，降低運(yùn)行成本，提高節(jié)能環(huán)保效果，與當(dāng)前安全生產(chǎn)需求充分適應(yīng)，促進(jìn)礦山的安全高效生產(chǎn)。