某銅礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化與改造研究

陳慶剛，葛啟發(fā)，2，楊卓明，汪浩浩

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.北京科技大學(xué)，北京 100083)

0 概述

當(dāng)前，大多數(shù)礦山生產(chǎn)任務(wù)繁重，普遍存在著多中段同時(shí)回采，甚至一個(gè)中段內(nèi)多分段同時(shí)回采的現(xiàn)象，導(dǎo)致礦山用風(fēng)地點(diǎn)分散、上下污風(fēng)串聯(lián)污染、通風(fēng)效率低下以及通風(fēng)能耗高等問題。同時(shí)，采場(chǎng)開采完畢后，部分礦山并未重視采空區(qū)及廢棄巷道的治理，導(dǎo)致井下漏風(fēng)地點(diǎn)數(shù)量多、分布廣，通風(fēng)管理復(fù)雜，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等問題。因此分析礦山通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，找出主要影響因素，提出通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案，對(duì)井下開采礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[1-2]。

1 礦山通風(fēng)系統(tǒng)概況

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

某銅礦采用抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)前礦山上部礦體通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)形成，正在進(jìn)行單中段回采作業(yè)，同時(shí)生產(chǎn)4 047 m中段的4 097 m、4 059 m共計(jì)兩個(gè)分段。礦山新鮮風(fēng)流經(jīng)副井、4 122 m主進(jìn)風(fēng)平硐、4 047 m主運(yùn)輸平硐和輔助斜坡道進(jìn)入井下，通過沿脈、穿脈進(jìn)入各中段采場(chǎng)等用風(fēng)點(diǎn)，污風(fēng)匯入4 122 m主回風(fēng)平硐，最后由主扇排出地表。當(dāng)前生產(chǎn)所需風(fēng)量為132.0 m3/s。

礦山目前在4 122 m主回風(fēng)平硐內(nèi)安裝2臺(tái)主扇，主扇并聯(lián)布置，當(dāng)前一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。同時(shí)礦山在4 097 m分段的9線附件施工一條9線回風(fēng)井，作為4 097 m分段的主要回風(fēng)通道，并在9線回風(fēng)井井口安裝一臺(tái)主扇，將4 097 m分段的污風(fēng)引至4 122 m回風(fēng)平硐。此外，在4 059 m分段安裝一臺(tái)輔扇，用于控制該分段的風(fēng)量和風(fēng)流走向，4 059 m分段的污風(fēng)向上經(jīng)充填回風(fēng)井回至4 097 m分段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，向下經(jīng)充填回風(fēng)井回至4 047 m中段，通過2#回風(fēng)井匯入4 122 m主回風(fēng)平硐。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)存在問題

(1)通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)嚴(yán)重

該礦山自投產(chǎn)以來，一直采用淺孔留礦嗣后充填法進(jìn)行開采，經(jīng)過多年的生產(chǎn)，在礦山上部開采結(jié)束后留有采空區(qū)，采空區(qū)數(shù)量多、分布廣，部分采空區(qū)已經(jīng)貫通地表。此外，礦山上部還留有大量連通地表的平硐。通過通風(fēng)系統(tǒng)檢測(cè)和分析，無論整個(gè)礦山還是單個(gè)水平，漏風(fēng)現(xiàn)象均很嚴(yán)重，當(dāng)前礦井總回風(fēng)量為133.5 m3/s，而4 122 m主進(jìn)風(fēng)平硐、4 047 m主運(yùn)輸平硐、輔助斜坡道、副井等主要進(jìn)風(fēng)通道的總進(jìn)風(fēng)量?jī)H為31.93 m3/s，總回風(fēng)量遠(yuǎn)大于總進(jìn)風(fēng)量。

表1 當(dāng)前礦井主要進(jìn)回風(fēng)通道通風(fēng)狀況

(2)污風(fēng)串聯(lián)問題突出

礦山同時(shí)生產(chǎn)4 047 m中段的4 097 m、4 059 m共計(jì)兩個(gè)分段，根據(jù)通風(fēng)現(xiàn)狀，4 097 m分段的污風(fēng)主要經(jīng)9線回風(fēng)井直接進(jìn)入到4 122 m回風(fēng)水平，而4 059 m分段的污風(fēng)通過溜井以及充填回風(fēng)井分別進(jìn)入到4 047 m與4 097 m水平。因此4 097 m分段和4 059 m分段的污風(fēng)主要在4 097 m分段匯集，造成該分段通風(fēng)質(zhì)量差，上下分段污風(fēng)串聯(lián)問題突出。

(3)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)效率低

圖2 礦山漏風(fēng)通道示意圖

井下生產(chǎn)用風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量低，主要進(jìn)風(fēng)通道存在著無風(fēng)、微風(fēng)以及風(fēng)流反向的現(xiàn)象，通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定。整個(gè)礦山的回風(fēng)動(dòng)力均位于北側(cè)，即最低氣壓點(diǎn)集中位于北側(cè)，而礦山設(shè)計(jì)的總進(jìn)風(fēng)通道位于南側(cè)，在存在眾多漏風(fēng)通道的情況下，4 059 m分段與4 097 m分段的進(jìn)風(fēng)均通過漏風(fēng)通道直接進(jìn)入到其北側(cè)通風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致南側(cè)與東側(cè)風(fēng)量嚴(yán)重不足，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)效率低[3-4]。

2 礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

2.1 漏風(fēng)通道治理

當(dāng)前礦山的漏風(fēng)通道，嚴(yán)重影響了副井、輔助斜坡道、4 047 m運(yùn)輸平硐以及4 122 m進(jìn)風(fēng)平硐等主要進(jìn)風(fēng)通道的風(fēng)量穩(wěn)定性，為保證井下作業(yè)安全，簡(jiǎn)化通風(fēng)管理，必須首先對(duì)礦山現(xiàn)有漏風(fēng)通道進(jìn)行治理。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)量檢測(cè)，在4 122 m回風(fēng)平硐9線回風(fēng)井外密閉風(fēng)門關(guān)閉的情況下，密閉風(fēng)門外側(cè)的4 122 m回風(fēng)平硐巷道的風(fēng)量波動(dòng)不大，因此4 122 m水平以上存在漏風(fēng)點(diǎn)，風(fēng)量經(jīng)漏風(fēng)點(diǎn)繞過4 122 m平硐直接進(jìn)入井下4 097 m和4 059 m生產(chǎn)水平，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的主要進(jìn)風(fēng)通道出現(xiàn)無風(fēng)，甚至反風(fēng)的情況。

4 122 m水平以上有5個(gè)生產(chǎn)分段，且均已開采完畢，存在通往地表的平硐口共有10個(gè)，需要對(duì)各平硐口進(jìn)行密閉處理，針對(duì)已經(jīng)布置密閉設(shè)施但是存在漏風(fēng)的進(jìn)行密閉改進(jìn)處理，沒有布置密閉設(shè)施的增設(shè)密閉通風(fēng)構(gòu)筑物。同時(shí)采取措施對(duì)貫穿地表的采空區(qū)進(jìn)行密閉，阻斷采空區(qū)與井下的聯(lián)系。

2.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

根據(jù)礦山現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，4 097 m分段和4 059 m分段的污風(fēng)主要在4 097 m分段匯集，井下污風(fēng)串聯(lián)問題嚴(yán)重，作業(yè)環(huán)境差，因此需要優(yōu)化現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。

將4 122 m水平完全作為回風(fēng)水平，與4 122 m進(jìn)風(fēng)平硐進(jìn)行隔斷。將充填回風(fēng)井作為主要回風(fēng)通道，4 097 m分段和4 059 m分段的污風(fēng)均通過充填回風(fēng)井直接回至4 122 m主回風(fēng)平硐[5-6]。

2.3 通風(fēng)構(gòu)筑物優(yōu)化

根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案，9線回風(fēng)井與2#回風(fēng)井不再作為當(dāng)前井下的主要回風(fēng)通道，因此針對(duì)性取消4 122 m主回風(fēng)平硐于9線回風(fēng)井處的密閉風(fēng)門，同時(shí)相應(yīng)在9線回風(fēng)井4 097 m分段聯(lián)絡(luò)道和2#回風(fēng)井4 047 m中段聯(lián)絡(luò)道新增加調(diào)節(jié)風(fēng)門，用于中段和分段運(yùn)輸巷道的回風(fēng)控制。

2.4 通風(fēng)設(shè)備優(yōu)化

4 122 m主回風(fēng)平硐口的主扇作為整個(gè)井下通風(fēng)的主要?jiǎng)恿υ?，服?wù)于全礦通風(fēng)。同時(shí)取消9線回風(fēng)井井口處的主扇，將其挪至南側(cè)進(jìn)風(fēng)天井4 047 m聯(lián)絡(luò)道處，增加礦山南側(cè)的動(dòng)力源，克服井下漏風(fēng)導(dǎo)致南側(cè)風(fēng)量不足的問題。此外，在充填回風(fēng)井井口設(shè)置局扇進(jìn)行采場(chǎng)風(fēng)量調(diào)節(jié)。

3 通風(fēng)優(yōu)化方案模擬

3.1 Ventsim VisualTM三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)介紹

Ventsim VisualTM三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)是一款國(guó)際比較流行和廣泛認(rèn)可的礦井通風(fēng)軟件工具，基于獨(dú)立平臺(tái)開發(fā)，兼容性強(qiáng)。軟件可以用于風(fēng)流模擬、熱模擬、污染物模擬和通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性分析，并且預(yù)測(cè)礦井串聯(lián)通風(fēng)和循環(huán)風(fēng)，準(zhǔn)確解算礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，解算結(jié)果不僅可視化效果好，操作簡(jiǎn)便，而且能夠反映礦山通風(fēng)現(xiàn)狀，對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造具有重要的指導(dǎo)意義[7-9]。

3.2 通風(fēng)方案模擬

在礦山井下漏風(fēng)通道治理基礎(chǔ)上，對(duì)方案一現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和本論文提出的方案二通風(fēng)優(yōu)化改造方案進(jìn)行分析和比較。

3.2.1 方案一現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)

方案一的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，通風(fēng)仿真結(jié)果如表2、表3所示。

圖1 礦山現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

表2 方案一通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

表3 方案一主要通風(fēng)巷道風(fēng)量分配表 m3/s

3.2.2 方案二通風(fēng)優(yōu)化改造方案

方案二的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，通風(fēng)仿真結(jié)果如表4、表5所示。

圖3 通風(fēng)優(yōu)化改造方案通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

表4 方案二通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

表5 方案二主要通風(fēng)巷道風(fēng)量分配表 m3/s

3.3 通風(fēng)方案比較結(jié)果

根據(jù)Ventsim VisualTM三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)的模擬結(jié)果可知，在完成漏風(fēng)通道治理的基礎(chǔ)上，方案一和方案二的整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)均能滿足井下作業(yè)需求。

雖然方案二在初期需要新增調(diào)節(jié)風(fēng)門，同時(shí)需要將9線回風(fēng)井的輔扇移至礦山南側(cè)，初期投資和對(duì)生產(chǎn)的影響程度均大于方案一，但是結(jié)合仿真模擬結(jié)果分析，優(yōu)化后的方案二通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)較方案一更加穩(wěn)定，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)效率更高，同時(shí)解決了4 097 m分段和4 059 m分段污風(fēng)串聯(lián)問題，能夠顯著改善井下作業(yè)通風(fēng)環(huán)境。此外，方案二通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)年功耗成本每年較方案一減少電費(fèi)支出約31萬元(45 797美元)。綜上分析，從長(zhǎng)期來看，在通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)效率以及經(jīng)濟(jì)效益等方面，方案二具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

通過對(duì)某銅礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，指出了亟需采取的治理措施，同時(shí)提出了通風(fēng)優(yōu)化改造方案，并在漏風(fēng)通道治理的基礎(chǔ)上，將優(yōu)化改造方案與礦山現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。通過利用Ventsim VisualTM三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)方案均仿真模擬可知，方案二能夠顯著改善井下作業(yè)環(huán)境，簡(jiǎn)化通風(fēng)管理，提高通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)效益突出，因此方案二較方案一優(yōu)勢(shì)明顯，為礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化和改造提供了重要的指導(dǎo)意義。