自然風(fēng)壓影響下的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化與實踐

李 猛，彭 斌，魏 巍

（1.湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院，湖南長沙 410014；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點實驗室，湖南長沙 410014）

礦山在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中有著非常重要的作用。礦業(yè)的快速發(fā)展也導(dǎo)致了礦山存在諸多問題，特別是在井下通風(fēng)系統(tǒng)。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是井下的生命線，它為井下提供新鮮空氣，將作業(yè)面的有毒有害氣體和粉塵等排出地表，為井下工人提供良好的工作環(huán)境，確保他們的人身安全［1］。因此，礦山通風(fēng)系統(tǒng)存在系統(tǒng)性問題時，應(yīng)及時對其進(jìn)行優(yōu)化改造［2］。本文以湖南某高山礦為實例，通過詳細(xì)調(diào)查、測定、分析，找出存在的突出問題及原因，對其通風(fēng)系統(tǒng)合理有效優(yōu)化，改善通風(fēng)系統(tǒng)。

1 現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)基本情況

礦山為高山型礦山，采用平硐+盲斜井的開拓方式。該礦通風(fēng)系統(tǒng)采用對角式通風(fēng)方式，即礦脈東南翼進(jìn)風(fēng)，西北翼回風(fēng)。現(xiàn)有11中段至19中段共9個服務(wù)中段，主要的進(jìn)風(fēng)口為19中段平硐和16中段平硐，11中段平硐為主回風(fēng)中段，其它中段為盲中段。中段與中段之間通過盲斜井相聯(lián)通。19中段作為主運(yùn)輸巷，風(fēng)流進(jìn)入平硐后，通過盲斜井進(jìn)入17中段和18中段；16中段為輔助運(yùn)輸中段，風(fēng)流進(jìn)入中段后，也是通過各中段斜井進(jìn)入15、14、13、12中段；11中段為主回風(fēng)中段，沒有作業(yè)面，該中段安設(shè)型號為FKZ10-30 kW風(fēng)機(jī)，額定風(fēng)量780～1 440 m3／min，全壓范圍為558～1 071 Pa。井下各中段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)為階梯式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，污風(fēng)最終匯集至11中段排出地表。由于礦山屬于老礦山，早年開采未采取充填的空區(qū)處理方式，導(dǎo)致井下采空區(qū)較多，部分中段利用采空區(qū)和老天井回風(fēng)。

2 系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)查分析

現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)為對角式通風(fēng)方式，東南翼16和19中段進(jìn)風(fēng)，西北翼11中段回風(fēng)。礦山已經(jīng)開采多年，由于受開采技術(shù)條件的影響，多年來各中段作業(yè)面布局不合理，形成了很多采空區(qū)。且隨著開采的推進(jìn)，中段面積也擴(kuò)大，開采深度也不斷延伸。作業(yè)面也越來越分散，現(xiàn)階段作業(yè)面主要集中在15至19中段。而部分新開辟的作業(yè)面也沒有形成完善的通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮風(fēng)流難以進(jìn)入作業(yè)區(qū)域，污風(fēng)難以排出地。特別是在夏季地表與井下溫差大時，進(jìn)風(fēng)口出現(xiàn)反風(fēng)問題。因此，井下通風(fēng)系統(tǒng)的諸多問題也隨之出現(xiàn)。通過對現(xiàn)場測定調(diào)查，礦井通風(fēng)系統(tǒng)測定評價采用風(fēng)量合格率、風(fēng)質(zhì)合格率、有效風(fēng)量率、風(fēng)機(jī)裝置效率等指標(biāo)來評價。礦井通風(fēng)系統(tǒng)測試及評價指標(biāo)見表1。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況和測定數(shù)據(jù)可知，通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問題如下所述：

1.通風(fēng)系統(tǒng)各項測定指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果偏低，可知現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)存在諸多問題，且存在諸多影響通風(fēng)的因素，如受自然風(fēng)壓影響，導(dǎo)致礦井風(fēng)流紊亂等。

表1 某礦井通風(fēng)系統(tǒng)測定計算結(jié)果

2.現(xiàn)場測得風(fēng)機(jī)回風(fēng)量為16.5 m3／s，進(jìn)風(fēng)量為7.8 m3／s，而井下設(shè)計需風(fēng)量為23.7 m3／s?？芍?，現(xiàn)有風(fēng)機(jī)回風(fēng)量已經(jīng)無法滿足井下生產(chǎn)的回風(fēng)需求，且現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，有空區(qū)進(jìn)風(fēng)導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)量不足。

3.井下空區(qū)多，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，新風(fēng)短路、漏風(fēng)及空區(qū)反風(fēng)比較嚴(yán)重。由于礦山開采多年，早年開采未采取充填的空區(qū)處理方式，導(dǎo)致井下采空區(qū)較多。特別是11中段至15中段之間西北翼，空區(qū)天井貫通進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和運(yùn)輸?shù)赖取Ｒ虼?，?dǎo)致平硐進(jìn)風(fēng)比風(fēng)機(jī)回風(fēng)少得多。

4.井下通風(fēng)調(diào)控措施不完善。井下空區(qū)多，作業(yè)區(qū)域廣且作業(yè)面分散，加上作業(yè)安排不合理等因素，導(dǎo)致整個井下風(fēng)流紊亂。且調(diào)控措施的缺失及調(diào)控不到位，使得整個井下的通風(fēng)更加困難，新風(fēng)進(jìn)不去，污風(fēng)出不來。

5.現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，自然風(fēng)壓普遍存在于整個生產(chǎn)時期內(nèi)。上風(fēng)季節(jié)時期有利于通風(fēng)，下風(fēng)季節(jié)時期阻礙井下通風(fēng)。特別在下風(fēng)季節(jié)時期，由于風(fēng)機(jī)功率偏小，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜空區(qū)多，導(dǎo)致回風(fēng)量不足及空區(qū)進(jìn)風(fēng)，最終由16和19中段的進(jìn)風(fēng)口反風(fēng)。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化探討

根據(jù)調(diào)查分析，該礦存在的主要問題為：（1）通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，空區(qū)多，風(fēng)流比較紊亂；（2）11中段主扇風(fēng)機(jī)與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不匹配，主要表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)功率小，通風(fēng)能力不夠，風(fēng)量小，導(dǎo)致15中段以下分風(fēng)困難；（3）礦山屬于高山型礦山，采用平硐開拓，自然風(fēng)壓影響大，下風(fēng)季節(jié)不利于通風(fēng)；（4）調(diào)控措施的不到位，導(dǎo)致整個礦井風(fēng)流雜亂無章。

為解決礦山存在的上述通風(fēng)問題，達(dá)到井下風(fēng)量滿足生產(chǎn)需求、風(fēng)流合理分配、風(fēng)流調(diào)控到位且充分利用自然風(fēng)風(fēng)壓通風(fēng)的目的，擬從簡化理順通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化通風(fēng)動力和合理安排調(diào)控措施等幾個方面進(jìn)行優(yōu)化［3，4］。

首先，簡化理順通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是通風(fēng)優(yōu)化的重要工作。確定礦山采用什么通風(fēng)方式，進(jìn)回風(fēng)線路等［5］。如：16和19中段平硐為礦山的主要進(jìn)風(fēng)口。11中段平硐作為主要回風(fēng)平硐，負(fù)責(zé)整個礦山的回風(fēng)。19中段平硐的進(jìn)風(fēng)負(fù)責(zé)17至19中段的作業(yè)區(qū)域，16中段平硐進(jìn)風(fēng)負(fù)責(zé)12至16中段的作業(yè)區(qū)域（13、14中段作業(yè)面較少）。各中段之間采用中段斜井進(jìn)風(fēng)，主運(yùn)巷為中段進(jìn)風(fēng)巷，通過西北翼的回風(fēng)天井回風(fēng)至上部中段。

其次，由于現(xiàn)有的30 kW已經(jīng)無法滿足井下的通風(fēng)需要，需要選用大風(fēng)壓大風(fēng)量的風(fēng)機(jī)替換原有的老風(fēng)機(jī)。因自然風(fēng)壓影響大，不可避免，為有效控制和利用自然風(fēng)壓，必須選用大風(fēng)壓的風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)壓對抗，并且可以在上風(fēng)季節(jié)充分利用自然風(fēng)壓通風(fēng)［6，7］。

最后，在簡化理順通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和確定主扇風(fēng)機(jī)的情況下，合理設(shè)置安排通風(fēng)調(diào)節(jié)措施也是重要一環(huán)。其主要措施是設(shè)置風(fēng)門、風(fēng)窗和密閉等構(gòu)筑物，部分作業(yè)面應(yīng)盡量采用局扇引導(dǎo)通風(fēng)［4］。應(yīng)盡可能地封閉采空區(qū)，可以預(yù)留部分天井作為通風(fēng)井，這是簡化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的重要措施。尤其在14至19中段西北翼作業(yè)面較多，設(shè)置調(diào)節(jié)措施必不可少。

除上述措施外，良好的通風(fēng)管理工作是確保通風(fēng)系統(tǒng)有效的重要組成部分［8］。

4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化實踐

4.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化措施

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的整體思路，基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)動力和通風(fēng)調(diào)控措施等幾個方面，并以安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理和技術(shù)可行為原則，對井下實際存在的問題提出具體的優(yōu)化措施，構(gòu)建一個運(yùn)行穩(wěn)定、便于調(diào)控的礦井通風(fēng)系統(tǒng)。具體優(yōu)化措施如下：

1.確定礦山采用對角式通風(fēng)方式，將16和19中段平硐為礦山的主要進(jìn)風(fēng)口。11中段平硐作為主要回風(fēng)平硐，負(fù)責(zé)整個礦山的回風(fēng)。所有中段采用單一進(jìn)回風(fēng)線路，中段與中段之間的斜井作為中段進(jìn)風(fēng)線路，新鮮風(fēng)由南往北流動，清洗作業(yè)面后，由中段北部的風(fēng)井排至上中段的回風(fēng)道，最后由11中段回風(fēng)道排出地表。將原16至15中段、15至14中段、14至13中段的中段回風(fēng)井進(jìn)行擴(kuò)刷，擴(kuò)刷面積為6 m2。而原13中段和12中段北部的兩個相貫通的采空區(qū)周圍采取密閉隔離措施，預(yù)留原有的天井作為回風(fēng)井，主要負(fù)責(zé)下部的中段回風(fēng)，減少掘進(jìn)工程量。19、18、17和16中段之間掘進(jìn)面積為8 m2的專用回風(fēng)井，主要為將來往深部延伸時通風(fēng)排塵做準(zhǔn)備。

2.基于上述已經(jīng)確定的通風(fēng)線路，需對整個通風(fēng)線路上相貫通的廢石巷道、未處理的采空區(qū)及廢棄天井溜礦井等進(jìn)行密閉隔離處理。將16至13中段的進(jìn)風(fēng)線路上的162、602、388、401等采空區(qū)的穿脈進(jìn)行密閉處理，將19至16中段的回風(fēng)線路上的410、608等采空區(qū)進(jìn)行密閉處理。除此之外，風(fēng)門和調(diào)節(jié)風(fēng)窗的設(shè)置也相當(dāng)重要?，F(xiàn)階段主要開采中段在16至13中段之間的采場，下部中段以開拓為主。因此，應(yīng)在17、18和19中段的回風(fēng)處設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗，控制回風(fēng)量，以便更多的新鮮風(fēng)進(jìn)入上部中段的作業(yè)區(qū)，對于不需要新風(fēng)的區(qū)域及不利用通風(fēng)但需行人過車的地方，可設(shè)置風(fēng)門進(jìn)行控制。

3.經(jīng)過計算分析，井下設(shè)計需風(fēng)量為23.7 m3／s，現(xiàn)場測得風(fēng)機(jī)回風(fēng)量為16.5 m3／s，進(jìn)風(fēng)量為7.8 m3／s，現(xiàn)有的30 kW已經(jīng)無法滿足井下的生產(chǎn)通風(fēng)需要。結(jié)合考慮自然風(fēng)壓的影響，選用對旋軸流型風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號為DK40-No15，風(fēng)量范圍為18.2～43.6 m3／s，全壓范圍382～1 690 Pa，電機(jī)功率37×2 kW。下風(fēng)季節(jié)時期，自然風(fēng)壓阻礙通風(fēng)，對旋風(fēng)機(jī)兩臺電機(jī)全部開啟；上風(fēng)季節(jié)時期，自然風(fēng)壓有助于通風(fēng)，可以只開啟一臺電機(jī)，達(dá)到有效利用自然風(fēng)壓節(jié)省能耗的目的。

4.制定完備的通風(fēng)管理制度，加強(qiáng)通風(fēng)日常管理。做好通風(fēng)設(shè)施的維護(hù)工作，保證風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，加強(qiáng)重點、困難區(qū)域的局部通風(fēng)工作。井下作業(yè)中段多，對北部主回風(fēng)道風(fēng)門和南平硐進(jìn)風(fēng)等加強(qiáng)管理。對設(shè)置的風(fēng)門和調(diào)節(jié)風(fēng)窗等加強(qiáng)調(diào)控管理。井下作業(yè)面應(yīng)按照安全規(guī)程設(shè)置局扇通風(fēng)，改善作業(yè)面環(huán)境。

通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖如圖1所示。

4.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化實踐

針對該礦井下通風(fēng)系統(tǒng)提出的優(yōu)化措施進(jìn)行具體實施，為驗證該具體優(yōu)化方案的最終通風(fēng)效果，對整個礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了一次通風(fēng)系統(tǒng)驗證測定。在所有措施實施到位及風(fēng)機(jī)開啟后進(jìn)行測定，主要包括總進(jìn)風(fēng)量、總回風(fēng)量、風(fēng)質(zhì)風(fēng)量和有效風(fēng)量率等參數(shù)進(jìn)行測定。具體結(jié)果見表2和表3。

圖1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖

表2 某礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化驗證測定結(jié)果

表3 進(jìn)、回風(fēng)指標(biāo)

由表2和表3中測定數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過優(yōu)化后，整個礦井的風(fēng)質(zhì)風(fēng)速合格率和有效風(fēng)量率明顯提高，風(fēng)機(jī)裝置效率也達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。整個礦井的進(jìn)風(fēng)量達(dá)到 25.2 m3／s，回風(fēng)風(fēng)量達(dá)到 26.1 m3／s，能滿足井下23.7 m3／s的生產(chǎn)通風(fēng)需求。

5 結(jié) 論

1.通過對某高山型金屬礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化可知，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查分析，找出系統(tǒng)存在的問題和產(chǎn)生問題的原因是優(yōu)化工作的基礎(chǔ)，對有效合理地優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)具有重要意義，也才能更好地指導(dǎo)礦山的安全生產(chǎn)。

2.對礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)動力、風(fēng)流調(diào)控措施和現(xiàn)場管理制度等幾個方面去構(gòu)建一個安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的礦井通風(fēng)系統(tǒng)是切實可行的。一個有效穩(wěn)定的礦山通風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)該在礦山不斷變化的生產(chǎn)活動中不斷調(diào)節(jié)適應(yīng)。

3.對于高山型礦山，隨著季節(jié)的變化，受自然風(fēng)壓的影響在通風(fēng)時是不可避免的。從簡化理順通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化通風(fēng)動力和合理安排調(diào)控措施等方面入手，可以有效控制和利用自然風(fēng)壓，避免因自然風(fēng)壓給通風(fēng)系統(tǒng)帶來的不利影響，有助于解決通風(fēng)難題。