石碌鐵礦排水巷道風流控制問題的措施

范慶霞 范思遠

(1.海南礦業(yè)股份有限公司，海南 昌江 572700；2.上海霍富汽車鎖具有限公司，上海 200444)

0 引言

海南礦業(yè)石碌鐵礦是我國重要的鐵礦石原料基地，曾以亞洲第一富礦著稱。解放后經(jīng)過60年的露天開采現(xiàn)已轉(zhuǎn)入地下開采。礦山地下開采采用豎井與斜坡道聯(lián)合開拓、無底柱分段崩落法采礦。因露天礦坑匯水面積大、采場頂板采用碎石回填，在臺風暴雨季節(jié)礦山頂板覆蓋層透水快、井巷涌水量大，嚴重影響采礦生產(chǎn)。

2018年汛期，石碌礦區(qū)經(jīng)歷了四次較大的熱帶風暴過程，持續(xù)降雨時間長、降雨量大，給采礦生產(chǎn)帶來了嚴重影響。第一次熱帶風暴持續(xù)十天，降雨量287mm；第二次持續(xù)十五天，降雨量341mm；第三次持續(xù)十六天，降雨量416mm；第四次持續(xù)七天，降雨量447mm。日最大排水量超過6萬m3。

1 礦山排水系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

1.1 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦山井下排水系統(tǒng)為：大氣降雨經(jīng)人工回填的覆蓋層通過采空區(qū)、裂隙構(gòu)造、回采炮孔等路徑滲透至采場，與井下涌水、生產(chǎn)用水匯合后，由采場通風泄水井匯入-105m進風巷道，經(jīng)泄水小井流入-120m專用泄水巷道，再與-120m階段運輸水平水溝內(nèi)水流匯合通過泄水井下泄到-360m，經(jīng)沉淀后由水倉泵出地表。在-360m水平1#進風井附近設排水泵房一座，泵房內(nèi)安裝五臺潛水泵、十臺多級泵，向地表215m水平高位水池供水和84m泄洪平巷排水。

1.2 存在主要問題

采場共用進風、泄水井。當井下涌水量不大時，風流尚能按照設計的風流方向進入采場洗刷工作面。當井下涌水量較大時，風流隨水流方向發(fā)生改變，導致新鮮風不能進入采場、增大了通風阻力；在運輸水平，泄水小井將運輸、通風水平連通，導致新鮮風流在小范圍內(nèi)循環(huán)，Ⅰ級機站有效風量率降低；在井底車場，泄水井風流隨涌水量變化很大，導致車場內(nèi)各井筒風量難以調(diào)節(jié)，出現(xiàn)副井反風現(xiàn)象，且在-120m井底車場常年有霧氣產(chǎn)生。

2 泄水擋風方案對比

2.1 方案一：在排水巷道中設置泄水風門

泄水風門裝置是一種裝配式的不需要人為干預的自動風門，將其設置在泄水平巷內(nèi)起泄水擋風的作用。泄水風門由砌筑鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)的矩形門框、矩形厚鋼板和鉸鏈及銷軸構(gòu)成，厚鋼板安裝在門框內(nèi)并采用鉸鏈及銷軸相連接，在水(風)力作用下厚鋼板可自由擺動，見圖1。當?shù)V井涌水量不大時，厚鋼板在重力作用下處于下垂狀態(tài)，起風墻作用；當?shù)V井涌水量較大時，厚鋼板在水力作用下被水頂開，起水閘作用，裝置擺動角度隨著涌水量的大小而變化。

圖1 泄水風門示意圖

2.2 方案二：在排水巷道中設置導流水倉

導流水倉是先在泄水巷道底板下開挖一段導流巷道，其斷面滿足礦井最大涌水量的需要，再將巷道上部密閉形成密閉擋墻，使水流從導流水倉通過，見圖2。無論礦井涌水量大小，密閉墻始終淹沒在導流水倉內(nèi)，從而將泄水井與泄水巷道隔開，避免泄水井內(nèi)產(chǎn)生風流對礦井通風的影響。導流密閉墻可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，在泄水巷道頂板、兩幫安裝錨桿與鋼筋網(wǎng)或鋼結(jié)構(gòu)材料連接。

圖2 導流水倉示意圖

2.3 方案三：在排水巷道中設置泄水擋風墻

泄水擋風墻是由兩垛半截墻組成的井巷泄水擋風設施，鄰近泄水井的半截墻稱前垛半截墻、遠離泄水井的半截墻稱后垛半截墻，見圖3。前垛半截墻密閉泄水巷道上部，后垛半截墻密閉泄水巷道下部，在兩垛半截墻的共同作用下起泄水、擋風、擋泥沙的作用。泄水擋風墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在泄水巷道頂板、兩幫、底板上安裝錨桿與鋼筋網(wǎng)連接，在后垛半截墻上留排沙孔和清理閘門。

圖3 泄水擋風墻示意圖

2.4 方案四：改變井巷連接方式

在井巷系統(tǒng)中利用“U形”管的原理，以一段“U形”巷道連接泄水井筒與泄水巷道，將泄水井筒底部布置在泄水巷道的下方，在連接段布置一段平巷和一段斜坡形成“U形”結(jié)構(gòu)，見圖4。當“U形”連接段儲滿水后，無論礦井涌水量大小，在泄水井筒與泄水巷道之間始終存在一垛水墻阻止風流通過，因而在泄水巷道內(nèi)不會形成水霧。

圖4 “U形”巷道示意圖

2.5 四種泄水擋風方案對比

上述四種泄水擋風方案在技術(shù)上都是可行的，但各自在施工條件、工程量、擋風效果、泥沙清理等方面有所差別，在實際工程中需靈活應用。

泄水風門裝置是一種裝配式的自動風門，要求制作鉸鏈、門框、風門的材料具有耐腐蝕或耐磨性能，施工簡單、工程量小、泥沙隨水流進入沉淀池、存在漏風問題。

導流水倉通過密閉擋墻將泄水巷道前后完全隔離，在流水狀態(tài)下開挖導流巷道、澆灌密閉墻，施工難度較大，工程量大，密閉效果好。泥沙淤積后會縮小過水的斷面且難以清理，不方便人員檢查密閉擋墻內(nèi)泄水巷道頂幫情況。

泄水擋風墻由兩垛半截墻組成，前垛半截墻密閉泄水巷道上部，后垛半截墻密閉泄水巷道下部，施工方便、工程量小、密閉效果好，后垛半截墻具有擋沙作用且清理方便。

井巷連接以一段“U形”巷道連接泄水井筒與泄水巷道，在礦井建設過程中將泄水井適當加深，在泄水巷道底板以下施工一段巷道，當?shù)V井涌水后“U形”巷道將始終保持儲水，工程量大、密閉效果好。泥沙淤積后會縮小過水的斷面且難以清理，不方便人員檢查“U形”巷道段頂幫情況。

3 泄水擋風墻方案在此泄水巷道中應用舉例

根據(jù)石碌鐵礦開拓工程設計，礦山0m、-120m兩個生產(chǎn)階段的涌水均由泄水井下瀉至-360m，并通過泄水平巷(斷面為高3 000mm×寬3 000mm的三心拱巷道)、沉淀池進入水倉。受0m、-120m兩個階段涌水下瀉的影響，在-360m泄水平巷形成了較大的風流和水霧并伴有巨大的響聲，風量隨涌水量變化，破壞了通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性和風量的合理分配。

礦山前期針對以上存在的問題，為了保持-360m泄水巷道與沉淀池之間的暢通、防止泄水影響礦井通風，在-120m泄水井口、-360m泄水巷道外的聯(lián)絡巷道內(nèi)分別設置了兩道風門，防止涌水下瀉產(chǎn)生風流影響通風系統(tǒng)，以利于人員進出檢查和清理沉淀池、水倉。平時風門處于常閉狀態(tài)，但由于聯(lián)絡巷道內(nèi)有水溝存在，在安裝風門后風流還會進入到兩道風門之間，因此風門開啟依然很困難，且井底車場的霧氣始終存在。

為了解決涌水下瀉帶來的風流大、水霧大、影響礦井通風的問題，2019年5月石碌鐵礦按照方案三在-120m、-360m泄水巷道內(nèi)分別設置了兩垛厚度400mm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的半截墻用于泄水擋風，見圖5。-120m兩垛半截墻相距約15m、-360m兩垛半截墻相距約60m，前垛半截墻密閉泄水巷道上部、墻體下沿高度為1 200m(比歷史最高水位線高出400～500mm)，后垛半截墻密閉泄水巷道下部、墻體上沿高度為1 300mm(略高于前垛半截墻的下沿)，在后垛半截墻上預留了兩個φ200mm的排沙孔和清理閘門，在泄水巷道頂板、兩幫、底板上安裝錨桿分別與兩垛半截墻內(nèi)的鋼筋網(wǎng)相連接，以防水力作用對墻體的影響。

圖5 -360m井底車場平面布置圖

實踐證明，方案三在石碌鐵礦井下-360m泄水井與沉淀池之間的應用已經(jīng)歷2019年多場臺風暴雨的考驗(井下最大日涌水量達9萬m3)，擋風泄水效果良好。方案實施前，在-360m泄水井與沉淀池間設置了多道風門用于擋風，盡管如此，由于0m、-120m涌水下瀉導致-360m風流紊亂，副井車場區(qū)域反風和霧氣嚴重。方案實施后，將-120m泄水井口、-360m泄水井與沉淀池間的風門打開，涌水流過-360m泄水巷道、沉淀池區(qū)域無風流產(chǎn)生，消除了副井車場區(qū)域的霧氣。

4 結(jié)語

礦井通風和排水是地下礦山生產(chǎn)建設的重要內(nèi)容，保持礦井通風穩(wěn)定和排水順暢有利于保障礦山安全生產(chǎn)。從石碌鐵礦井下生產(chǎn)實際情況出發(fā)，針對礦山井下涌水下泄到-360m帶來的影響礦井通風的問題，提出了四種可行的泄水擋風方案并應用在階段運輸水平泄水巷道中，利用擋水墻蓄水將泄水巷道進行分隔，不僅解決了長期以來困擾礦山井底車場風流紊亂的問題，還起到了較好的沉淀作用。