贛南鎢礦山通風(fēng)系統(tǒng)共性問題分析與優(yōu)化實踐

汪光鑫，苑 棟，張樹標(biāo)

（贛州有色冶金研究所，江西贛州341000）

贛南素有“世界鎢都”之稱，黑鎢礦資源儲量與開采產(chǎn)量一直居世界首位，是我國乃至世界著名的黑鎢礦產(chǎn)地，占我國黑鎢產(chǎn)量的90%以上。贛南大部分鎢礦山都經(jīng)過幾十年的開采[1]，淺部資源逐漸枯竭，為維持礦山的正常運轉(zhuǎn)，而不斷往深部中段延伸。鎢礦山隨著開采區(qū)域的擴大，掘進(jìn)中段的延伸，作業(yè)點的增加，使得通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，原有的礦井通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生巨大改變，礦井通風(fēng)問題愈加突出，給礦山安全有序生產(chǎn)帶來極大威脅。

1 贛南鎢礦山通風(fēng)系統(tǒng)共性問題分析

贛南鎢礦地質(zhì)類型以高溫?zé)嵋撼涮钍⒚}群控鎢礦類型為主，礦體多為急傾斜薄礦脈，各鎢礦山淺部主要采用平窿開拓，深部采用盲斜井或盲豎井聯(lián)合開拓，幾乎全部采用空場法開采，而且開采年限均較長，通風(fēng)系統(tǒng)存在普遍的共性問題。

1.1 贛南鎢礦山

贛南鎢礦最早自20世紀(jì)1907年西華山發(fā)現(xiàn)鎢礦以來，開采歷史已超百年，區(qū)域內(nèi)有10余個大型鎢礦山及20余個中小型鎢礦山，如大吉山、漂塘、鐵山垅、茅坪、淘錫坑、巋美山、下壟、畫眉坳鎢礦等，其中，大型鎢礦山主要為國有企業(yè)，中小型鎢礦山大多屬地方或民營企業(yè)。贛南鎢礦體以薄礦脈為主，受礦體賦存條件的影響，各礦山基本上均采用有軌巷道運輸，普遍規(guī)模不大，產(chǎn)能有限，生產(chǎn)設(shè)備更新?lián)Q代較慢，自動化程度不高，年產(chǎn)鎢精礦超過千噸以上的不多。贛南鎢礦山開采縱深主要集中在200～400 m之間，許多礦山由于資源問題已結(jié)束或暫時結(jié)束上部多個中段的回采，基本進(jìn)入相對鎢礦山而言的深部開采，最深的寶山礦區(qū)開采縱深超過800 m。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)共性問題分析

通過實地調(diào)查贛南9家不同規(guī)模且具有一定代表性的鎢礦山或礦區(qū)——大吉山鎢礦、茅坪鎢礦、鐵山垅鎢礦、盤古山鎢礦、下壟鎢礦左拔礦區(qū)、漂塘鎢礦的漂塘礦區(qū)和木梓園礦區(qū)、蕩坪鎢礦寶山礦區(qū)和樟東坑礦區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)，并查閱搜集贛南其他鎢礦山相關(guān)通風(fēng)資料，總結(jié)分析歸納通風(fēng)系統(tǒng)存在的共性問題。

1.2.1 通風(fēng)系統(tǒng)不合理

贛南鎢礦通風(fēng)系統(tǒng)基于建礦初期上部區(qū)域開采條件、要求和產(chǎn)量而設(shè)計，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計合理有效，如盤古山鎢礦的梳式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、西華山鎢礦的中段分區(qū)網(wǎng)絡(luò)，上部中段開采時通風(fēng)效果較好。隨著開采年限的延長，礦山不斷往深部開拓，增加生產(chǎn)中段和作業(yè)面，而開采設(shè)計主要從生產(chǎn)角度出發(fā)，注重直接經(jīng)濟效益，忽略深部通風(fēng)系統(tǒng)與上部系統(tǒng)的兼容性，導(dǎo)致原有的通風(fēng)系統(tǒng)無法滿足深部生產(chǎn)的需要。礦山未及時從全礦整體通風(fēng)角度優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，原設(shè)計服務(wù)上部的通風(fēng)系統(tǒng)超負(fù)荷運行服務(wù)深部，通風(fēng)系統(tǒng)不合理。

1.2.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜

贛南鎢礦往深部開采后形成平窿、盲豎井、盲斜井多種聯(lián)合開拓形式，從上往下最大開采深度達(dá)800 m，形成中段最多近20個。由于深部礦石品位相對上部不高，礦山為維持產(chǎn)量需進(jìn)行上部已結(jié)束回采中段的殘礦回收，所以同時回采中段較多。小型采場多，作業(yè)點分散，中段區(qū)域面積廣，有害角聯(lián)巷道多，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)極其復(fù)雜，巷道斷面小，通風(fēng)線路長，通風(fēng)阻力大，造成能耗高。

1.2.3 采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重、風(fēng)流調(diào)控難

據(jù)不完全統(tǒng)計，贛南鎢礦山形成的采空區(qū)總量達(dá)約3 600萬m3，已充填空區(qū)量約1 200萬m3，剩余采空區(qū)總量約2 400萬m3。大量采空區(qū)未及時處理，或難以處理，破壞通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，造成新鮮風(fēng)流短路，污風(fēng)串聯(lián)，風(fēng)流調(diào)控困難。部分礦山借助空區(qū)作為回風(fēng)系統(tǒng)，將污風(fēng)壓至采空區(qū)通過自由擴散的形式，排至上部系統(tǒng)，造成污風(fēng)難以有效控制。

1.2.4 自然風(fēng)壓作用明顯

贛南鎢礦山基本都在山區(qū)，而且絕大部分是平窿開拓，進(jìn)、回風(fēng)井標(biāo)高差距較大，當(dāng)季節(jié)發(fā)生變化時，兩側(cè)進(jìn)回風(fēng)道的自然風(fēng)壓對礦井通風(fēng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。夏季氣溫較高時，自然風(fēng)壓與主扇作用相反，對于使用小功率主扇的礦山常造成進(jìn)風(fēng)平窿出現(xiàn)無風(fēng)、微風(fēng)、甚至風(fēng)流反向的現(xiàn)象，影響通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，威脅礦山安全生產(chǎn)。冬季氣溫較低時，部分礦山為降低能耗，甚至短時間停開主扇，借助自然風(fēng)壓作用，完全靠自然通風(fēng)。

1.2.5 技術(shù)力量薄弱，通風(fēng)管理難

各礦山由于缺乏專業(yè)的通風(fēng)技術(shù)管理人員，整體的通風(fēng)管理技術(shù)力量薄弱，通風(fēng)制度和技術(shù)設(shè)施不夠健全，難以及時發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，快速有效地解決問題。

2 鎢礦山通風(fēng)系統(tǒng)分析與優(yōu)化應(yīng)用實例

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查

贛南某鎢礦區(qū)井下通風(fēng)系統(tǒng)采用平窿和中央盲豎井進(jìn)風(fēng)[2]，兩翼對角回風(fēng)的通風(fēng)方式，中段根據(jù)礦體賦存位置、生產(chǎn)巷道情況，分區(qū)域地設(shè)計獨立回風(fēng)井（巷），確定為平行雙向的網(wǎng)絡(luò)。新鮮風(fēng)流通過上部中段平窿進(jìn)入，經(jīng)提升豎井、管纜井等下至390 m中段以下，井下污風(fēng)、有毒有害氣體經(jīng)區(qū)域內(nèi)的主、輔扇聯(lián)合作用排出地表。隨著礦山開采年限的增加，開采范圍不斷擴大，開采深度不斷延伸，開采條件越來越復(fù)雜，礦區(qū)地壓問題顯現(xiàn)嚴(yán)重，采空區(qū)貫穿地表，通風(fēng)系統(tǒng)面臨布局不合理、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、采空區(qū)漏風(fēng)及自然風(fēng)壓影響等諸多問題。為優(yōu)化礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，提高通風(fēng)效果[3]，首先開展井下現(xiàn)場的調(diào)查測定，了解通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，調(diào)查內(nèi)容見表1。

表1 主要調(diào)查內(nèi)容Tab.1 Main contents of investigation

2.2 仿真模擬分析

2.2.1 通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)測定

應(yīng)用風(fēng)速測試儀、激光測距儀、通風(fēng)阻力測試儀、風(fēng)機參數(shù)測試儀等儀器進(jìn)行現(xiàn)場測定，獲取礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)，參照通風(fēng)系統(tǒng)鑒定指標(biāo)，優(yōu)化前的鑒定結(jié)果見表2。

表2 通風(fēng)系統(tǒng)鑒定結(jié)果 %Tab.2 Identification result of the ventilation system

2.2.2 仿真模擬分析

3DVent通風(fēng)軟件應(yīng)用3DMine成熟的建模方法[4-5]，實現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維化，反映通風(fēng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)以及巷道之間的連接和層位關(guān)系，而且兼容性強，支持各種常見礦用軟件使用的文件格式，建模系統(tǒng)如圖1。軟件可實現(xiàn)最優(yōu)通風(fēng)設(shè)備選型，參數(shù)指標(biāo)計算，可根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)巷道風(fēng)量，快速核算風(fēng)窗大小或選擇最佳輔扇增壓調(diào)節(jié)，并推薦理論上最佳安裝位置；適用于多風(fēng)機多級機站復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，支持串并聯(lián)風(fēng)機設(shè)計，能夠解決采用多風(fēng)機多級機站通風(fēng)方法的大型復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)極端情況下的網(wǎng)孔自動圈劃問題，內(nèi)置獨特的回路圈劃算法，迭代計算收斂速度快。

圖1 建模系統(tǒng)Fig.1 Modeling system

結(jié)合礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)實際情況，應(yīng)用仿真模擬系統(tǒng)，基于測定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用3DVent礦井通風(fēng)三維仿真模擬系統(tǒng)構(gòu)建可視化的數(shù)字分析模型，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算、網(wǎng)絡(luò)可視化、通風(fēng)信息數(shù)字化，分析存在的問題：（1）進(jìn)入深部開采后，開采階段隨著礦體往中、東部延伸，開采區(qū)域擴大，通風(fēng)路線延長，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，上部通風(fēng)系統(tǒng)難以滿足生產(chǎn)需要；（2）存在大量采空區(qū)，而且與地表貫通，又密閉不及時，漏風(fēng)嚴(yán)重，受自然風(fēng)壓作用明顯，影響礦井風(fēng)流穩(wěn)定性；（3）通風(fēng)調(diào)控設(shè)施不完善，構(gòu)筑物設(shè)置不及時，新風(fēng)短路，炮煙倒灌，通風(fēng)有效率低；（4）通風(fēng)設(shè)備選型不合理，現(xiàn)場安裝位置不當(dāng)，對深部形成負(fù)壓有限，而且動能損失大，運行效率低；（5）礦區(qū)規(guī)劃繼續(xù)向深部開拓，深部開采將繼續(xù)偏離現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，通風(fēng)難度更大。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

針對該鎢礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)存在的諸多問題，從實際情況出發(fā)，旨在達(dá)到礦井通風(fēng)設(shè)計規(guī)范要求，提出優(yōu)化技術(shù)方案。技術(shù)方案主要從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)整體調(diào)整設(shè)計、通風(fēng)動力優(yōu)化計算和風(fēng)流調(diào)控設(shè)施梳理及完善等方面考慮，以期提高全礦區(qū)通風(fēng)效率，并重點解決深部通風(fēng)問題，主要措施見表3。應(yīng)用3DVent軟件模擬優(yōu)化方案措施[6-9]，通過網(wǎng)絡(luò)解算、計算風(fēng)流風(fēng)量，核實確定優(yōu)化方案的技術(shù)效果，輔助論證及優(yōu)選最佳方案。

表3 優(yōu)化方案內(nèi)容Tab.3 The optimization program

優(yōu)化方案的具體措施現(xiàn)場實施后，測定通風(fēng)效果的各項指標(biāo)見表2，主要通風(fēng)巷道內(nèi)的風(fēng)量對比見表4。優(yōu)化后礦井總進(jìn)風(fēng)量明顯增加，采空區(qū)漏風(fēng)得到有效控制，整體通風(fēng)形成完整的兩翼對角式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)更合理，有效解決現(xiàn)階段及未來深部作業(yè)通風(fēng)問題。通風(fēng)動力設(shè)備經(jīng)統(tǒng)籌計算設(shè)計并重新安裝后，設(shè)備運行效率更高，能耗損失更小。到達(dá)作業(yè)點風(fēng)量、風(fēng)質(zhì)提高明顯，風(fēng)流調(diào)控達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，有效風(fēng)量率、風(fēng)質(zhì)合格率達(dá)到規(guī)范要求，為礦山安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)保障。新掘進(jìn)的500 m中段東部專用回風(fēng)井通地表、280～500 m中段倒段回風(fēng)井、深部專用回風(fēng)井，500 m中段新回風(fēng)井增設(shè)風(fēng)機等主要措施以及各中段風(fēng)量分配情況如優(yōu)化后礦井通風(fēng)系統(tǒng)立體圖2所示，方案實施后整體通風(fēng)系統(tǒng)合理有效。

表4 主要通風(fēng)巷道優(yōu)化結(jié)果對比 m3/sTab.4Optimization results comparison of main ventilation roadway

3 結(jié) 論

圖2 優(yōu)化后礦井通風(fēng)系統(tǒng)立體圖Fig.2 Stereogram of mine ventilation system after optimization

（1）贛南鎢礦山的礦體賦存狀態(tài)、開拓方式、采礦方法、生產(chǎn)設(shè)備等相似，逐漸往深部延伸，通風(fēng)系統(tǒng)存在共性問題。

（2）某典型贛南鎢礦山通風(fēng)系統(tǒng)存在布局不合理、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、采空區(qū)漏風(fēng)及自然風(fēng)壓影響等共性問題，現(xiàn)場改造后，通風(fēng)效果顯著改善，各項指標(biāo)結(jié)果明顯提高。