高海拔特長(zhǎng)斜坡道分段壓抽通風(fēng)系統(tǒng)及仿真

姚銀佩，蔡澤山，楊 鵬，李印洪

(1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，長(zhǎng)沙 410014；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410014；3.西部礦業(yè)錫鐵山分公司，青海 海西 816203)

近年來(lái)，由于無(wú)軌設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用，斜坡道開(kāi)拓成為大中型金屬礦山最常用的開(kāi)拓方式之一。斜坡道可作為無(wú)軌設(shè)備轉(zhuǎn)移的通道，也是礦山人員、材料、礦石等運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，同時(shí)也是礦井通風(fēng)線路[1]。

隨著礦山向深部開(kāi)采的轉(zhuǎn)移，斜坡道的距離越來(lái)越長(zhǎng)，斜坡道的轉(zhuǎn)彎和中段聯(lián)巷開(kāi)口也越來(lái)越多，斜坡道的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，通風(fēng)阻力加大，通風(fēng)不暢，致使無(wú)軌設(shè)備的油煙和運(yùn)輸產(chǎn)生的揚(yáng)塵難以排除[2-4]，特別是在高海拔地區(qū)低壓缺氧的狀態(tài)下，斜坡道供風(fēng)不足，無(wú)軌設(shè)備燃油燃燒不充分，產(chǎn)生大量一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)等有害氣體，動(dòng)力不足甚至熄火[5-7]。因此，高海拔地區(qū)特長(zhǎng)斜坡道通風(fēng)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，研究高海拔地區(qū)特長(zhǎng)斜坡道通風(fēng)的特點(diǎn)，探索高海拔地區(qū)特長(zhǎng)斜坡道通風(fēng)技術(shù)方案，對(duì)于改善深井開(kāi)采斜坡道空氣質(zhì)量，保證斜坡道內(nèi)作業(yè)人員身體健康和無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備正常運(yùn)行具有重要意義。

基于此，本研究以錫鐵山鉛鋅礦斜坡道為工程背景，通過(guò)對(duì)斜坡道通風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和問(wèn)題分析，提出并設(shè)計(jì)了分段壓抽聯(lián)合式通風(fēng)技術(shù)方案，利用VENTSIM通風(fēng)軟件對(duì)斜坡道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真模擬解算，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，為高海拔特長(zhǎng)斜坡道通風(fēng)提供依據(jù)。

1 錫鐵山鉛鋅礦斜坡道通風(fēng)

1.1 礦山概況

錫鐵山鉛鋅礦位于青海省海西州大柴旦行委錫鐵山鎮(zhèn)，采用平硐+千米豎井/盲豎井+斜坡道聯(lián)合開(kāi)拓，分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采，地處高海拔地區(qū)，主平硐口海拔3 055 m，斜坡道口海拔3 065 m。其中斜坡道為礦山設(shè)備、材料及人員進(jìn)出的主要通道，同時(shí)需負(fù)擔(dān)礦山部分礦石的運(yùn)輸。

1.2 斜坡道工程概況

1)斜坡道作為錫鐵山鉛鋅礦井下最主要的運(yùn)輸通道之一，設(shè)計(jì)坡度約6°～12°，硐口標(biāo)高3 065 m，標(biāo)高每下降1 m，距離平均增加約10 m(含緩坡段)。由地表3 065 m斜坡道口至最深部2 222 m中段，斜坡道總長(zhǎng)度近10 km；

2)斜坡道3 065～2 882 m斷面：直道16.95 m2；2 882～2 322 m斷面：彎道25.71 m2，直道21.17 m2；2 322～2 222 m斷面：彎道15.75 m2，直道14.83 m2；

3)一般采用單車(chē)道形式布置，每隔200 m設(shè)一雙車(chē)會(huì)車(chē)線或掉頭線，每300 m設(shè)一緩坡段。單車(chē)道一般采用噴射混凝土120 mm支護(hù)，在局部巖石不穩(wěn)地段采用噴錨或噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，會(huì)車(chē)線地段采用整體混凝土300 mm厚支護(hù)，路面結(jié)構(gòu)采用C30整體混凝土路面；

4)斜坡道運(yùn)輸采用7臺(tái)235 kW 的25 t重型柴油卡車(chē)，運(yùn)輸量為50萬(wàn)t/a，其中，30萬(wàn)t/a運(yùn)至2 742 m水平倒入2 702 m中段，經(jīng)由盲豎井提出地表；20萬(wàn)t/a直接運(yùn)出地表。

1.3 斜坡道通風(fēng)現(xiàn)狀與問(wèn)題

斜坡道作為礦山主要的礦石、人員、材料的運(yùn)輸通道和通風(fēng)線路，主要面臨的通風(fēng)問(wèn)題有：

1)礦區(qū)采用多井進(jìn)風(fēng)多井回風(fēng)的通風(fēng)方式，其中，東風(fēng)井、西風(fēng)井及03線風(fēng)井為回風(fēng)井，斜坡道、千米豎井和盲豎井為進(jìn)風(fēng)井。但由于開(kāi)采深度的延伸，生產(chǎn)難度加大和任務(wù)加重，通風(fēng)系統(tǒng)未能及時(shí)跟進(jìn)與調(diào)整，造成通風(fēng)系統(tǒng)與生產(chǎn)實(shí)際不匹配，通風(fēng)效果差，礦區(qū)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)斜坡道的通風(fēng)作用不明顯；

2)礦山開(kāi)采時(shí)間較長(zhǎng)，目前開(kāi)采深度為近1 000 m，斜坡道長(zhǎng)度接近10 km，且與上部中段均相連，各中段連接斜坡道石門(mén)風(fēng)向不穩(wěn)定，并且各中段裝礦環(huán)形均有通中段的溜井，導(dǎo)致風(fēng)流串聯(lián)、循環(huán)嚴(yán)重；

3)斜坡道通風(fēng)線路長(zhǎng)，彎道多，車(chē)輛運(yùn)輸頻繁，致使通風(fēng)阻力大，風(fēng)流風(fēng)向難以控制。困難時(shí)期會(huì)造成無(wú)軌柴油設(shè)備無(wú)法正常啟動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)輸中斷，降低礦山整體的運(yùn)輸效率；

4)礦山海拔高，高差大，溫差大，受自然風(fēng)壓影響較大[8]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)8月份測(cè)定斜坡道3065硐口為回風(fēng)，12月份測(cè)定為進(jìn)風(fēng)，也說(shuō)明了自然風(fēng)壓對(duì)斜坡道風(fēng)向影響較大；

5)風(fēng)量小，風(fēng)速低且風(fēng)向不穩(wěn)定，造成尾氣及粉塵聚集嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的健康安全。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)柴油汽車(chē)通過(guò)時(shí)，空氣CO含量超過(guò)25 mg/m3，嚴(yán)重超過(guò)了CO職業(yè)接觸限值最高容許濃度15 mg/m3(海拔>3 000 m)的規(guī)定。

2 斜坡道通風(fēng)系統(tǒng)

2.1 斜坡道通風(fēng)方案

錫鐵山鉛鋅礦斜坡道垂直深度為843 m，總長(zhǎng)度超過(guò)8 km，與各中段均有聯(lián)巷，是人員、材料、礦石的主要運(yùn)輸通道之一。由于斜坡道與聯(lián)巷貫穿開(kāi)口較多，風(fēng)流難以控制，長(zhǎng)距離通風(fēng)，阻力較大，采用單獨(dú)的抽出式通風(fēng)，難以滿足斜坡道通風(fēng)需求，極易造成尾氣和粉塵集聚，影響生產(chǎn)作業(yè)。所以，設(shè)計(jì)斜坡道通風(fēng)方案為分段壓抽聯(lián)合通風(fēng)方案[9-12]。

2.2 分段壓抽聯(lián)合斜坡道通風(fēng)方案

考慮斜坡道與中段聯(lián)巷貫穿時(shí)風(fēng)流難以控制，在聯(lián)巷處設(shè)置常閉風(fēng)門(mén)，防止風(fēng)流亂串。礦山地處高海拔地區(qū)，氣壓低，長(zhǎng)距離通風(fēng)阻力較大，采用壓抽聯(lián)合通風(fēng)方式，設(shè)置三段式壓抽聯(lián)合通風(fēng)，上部分段為壓入式通風(fēng)，中部分段為抽出式通風(fēng)，通過(guò)2 882 m回風(fēng)平巷排入03線風(fēng)井，并在2 702 m中段把盲豎井進(jìn)風(fēng)作為新鮮風(fēng)進(jìn)入斜坡道，避免尾氣和粉塵的集聚。深部分段為地表抽出式通風(fēng)，深部斜坡道與03線風(fēng)井距離較近，在各中段處直接與03線風(fēng)井貫通，由地表主扇抽出地表，見(jiàn)圖1。

1)上部分段(3 065～2 882 m)

為保證斜坡道正常進(jìn)風(fēng)，在該分段設(shè)置壓入式風(fēng)機(jī)。進(jìn)風(fēng)量按排除柴油煙需風(fēng)量來(lái)計(jì)算。

(1)

式中：Qs—排除柴油設(shè)備油煙所需風(fēng)量，m3/s；qs—柴油設(shè)備單位功率風(fēng)量指標(biāo)，3.5～4.0 m3/min，取4.0 m3/min；N—柴油設(shè)備按作業(yè)時(shí)間比例計(jì)算的功率總數(shù)，kW。

斜坡道運(yùn)輸采用7臺(tái)235 kW 的重型柴油卡車(chē)，平均約5臺(tái)車(chē)輛同時(shí)在井下運(yùn)行，計(jì)算需風(fēng)量為78.3 m3/s，因此設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量取80 m3/s。根據(jù)該段通風(fēng)線路的通風(fēng)阻力計(jì)算并進(jìn)行高原參數(shù)修正后，該段線路的通風(fēng)阻力為558.9 Pa。選擇K40-8NO.22-110 kW風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)安裝于4#車(chē)場(chǎng)，其特性曲線及工況點(diǎn)：風(fēng)量81 m3/s，風(fēng)壓560 Pa，裝機(jī)角度32°，效率80%，見(jiàn)圖2。

2)中部分段(2 882～2 552 m)

主要由上部斜坡道進(jìn)風(fēng)，經(jīng)由2 552～2 882 m措施風(fēng)井抽至2 882 m中段，經(jīng)2 882 m回風(fēng)平巷進(jìn)入03線風(fēng)井。措施風(fēng)井在8#、10#、12#、14#和16#車(chē)場(chǎng)與斜坡道貫穿，在貫穿聯(lián)巷處設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗。盲豎井進(jìn)風(fēng)經(jīng)2 702 m中段平巷進(jìn)入斜坡道，補(bǔ)充新鮮風(fēng)量。

綜合考慮措施風(fēng)井排風(fēng)能力、盲豎井進(jìn)風(fēng)能力和中部抽出式風(fēng)機(jī)對(duì)地表風(fēng)機(jī)及03線風(fēng)井深部通風(fēng)能力的影響等，設(shè)計(jì)2 882 m風(fēng)機(jī)排出風(fēng)量為40 m3/s，盲豎井進(jìn)風(fēng)量為25 m3/s。計(jì)算該線路高原修正后通風(fēng)阻力為1 062.98 Pa。選擇K40-4NO.14-90 kW風(fēng)機(jī)，其特性曲線及工況點(diǎn)：風(fēng)量41 m3/s，風(fēng)壓1 100 Pa，裝機(jī)角度32°，效率79%，見(jiàn)圖3。

3)深部分段(2 552～2 222 m)

礦山深部斜坡道向東翼移動(dòng)，與03線風(fēng)井距離變近，在各中段通過(guò)施工斜坡道至03線風(fēng)井的聯(lián)巷，利用03線風(fēng)井抽出地表。設(shè)計(jì)03線風(fēng)井回風(fēng)量為105 m3/s，該段線路高原修正后的通風(fēng)阻力為1 156.73 Pa，選擇DK40-6No.21-2×200 kW，其特性曲線及工況點(diǎn)：風(fēng)量112 m3/s，風(fēng)壓1 500 Pa，裝機(jī)角度35°/30°，效率為72%，見(jiàn)圖4。

3 斜坡道通風(fēng)系統(tǒng)仿真模擬

3.1 VENTSIM軟件建模

VENTSIM三維通風(fēng)仿真軟件是一款先進(jìn)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)模擬軟件，利用風(fēng)量平衡定律等原理，采用Hardy-Cross 迭代算法求解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)[13-15]。

高海拔特長(zhǎng)斜坡道通風(fēng)系統(tǒng)建模步驟：

1)將斜坡道及與斜坡道通風(fēng)系統(tǒng)相通的礦山井巷CAD 圖繪制為單線圖，設(shè)置相應(yīng)的高程，然后將單線圖導(dǎo)入VENTSIM軟件中，由單線生成實(shí)體井巷，形成三維實(shí)體模型；

2)設(shè)置斜坡道、豎井、天井、平巷等井巷的斷面形狀及尺寸、摩擦阻力系數(shù)等參數(shù)；

3)在井巷相應(yīng)的位置設(shè)置風(fēng)門(mén)、風(fēng)窗、風(fēng)墻等構(gòu)筑物，并配置相應(yīng)的參數(shù)；

4)預(yù)先配置高海拔地區(qū)降效后的風(fēng)機(jī)特性曲線，在風(fēng)井相應(yīng)位置設(shè)置選型風(fēng)機(jī)和安裝方式。

5)模型初步建立后，進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)調(diào)試與解算。軟件會(huì)對(duì)模型進(jìn)行檢查與警告，按提示進(jìn)行模型修正。

6)模型建成，運(yùn)行解算完成。采用VENTSIM軟件為錫鐵山礦斜坡道通風(fēng)系統(tǒng)建立的三維模型見(jiàn)圖5。

3.2 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)VENTSIM軟件建立了斜坡道通風(fēng)系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行模擬解算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)：表1主要井巷的風(fēng)量情況，表2主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況參數(shù)。

表1 主要井巷的風(fēng)量表Table 1 Air volume of main shafts

從表1井巷風(fēng)量模擬結(jié)果可以看出，斜坡道總進(jìn)風(fēng)為104.4 m3/s，其中斜坡道口進(jìn)風(fēng)77.1 m3/s，主平硐口進(jìn)風(fēng)27.3 m3/s，與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差分別為3.6%和9.2%；總回風(fēng)為109.5 m3/s，與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差為4.3%；總進(jìn)風(fēng)與總回風(fēng)相差5.1 m3/s。模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算的誤差均在有效范圍內(nèi)，總進(jìn)回風(fēng)量的差值反映了氣壓不同造成空氣密度和體積的變化。從表2風(fēng)機(jī)工況模擬結(jié)果可以看出，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)與模擬工況點(diǎn)基本一致，說(shuō)明風(fēng)機(jī)匹配選型設(shè)計(jì)正確。

表2 主扇風(fēng)機(jī)工況表Table 2 Working conditions of main fans

模擬結(jié)果表明，斜坡道風(fēng)流風(fēng)向整體向下，風(fēng)速一般是2～4 m/s，分段壓抽聯(lián)合通風(fēng)方式有效克服特長(zhǎng)斜坡道的阻力，斜坡道中部抽出部分污風(fēng)并補(bǔ)充新鮮風(fēng)流，避免尾氣和粉塵的集聚，設(shè)計(jì)的斜坡道通風(fēng)系統(tǒng)能夠服務(wù)到最深中段。

4 結(jié)論

1)高海拔特長(zhǎng)距離斜坡道通風(fēng)具有氣壓低、氧氣不足、通風(fēng)阻力大、風(fēng)網(wǎng)復(fù)雜、風(fēng)流難以控制、尾氣和粉塵易聚集等特點(diǎn)，對(duì)斜坡道內(nèi)作業(yè)人員身體健康和無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備正常運(yùn)行影響較大。

2)以錫鐵山鉛鋅礦斜坡道為例，對(duì)高海拔特長(zhǎng)斜坡道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究，經(jīng)高原環(huán)境下阻力計(jì)算和風(fēng)機(jī)選型，采用上部分段壓入，中部分段抽出及深部分段地表抽出的三段壓抽聯(lián)合通風(fēng)方案。

3)利用VENTSIM軟件建立斜坡道通風(fēng)模型并解算，模擬結(jié)果表明，主要進(jìn)回風(fēng)井巷風(fēng)量與設(shè)計(jì)值相符合，風(fēng)機(jī)模擬工況與設(shè)計(jì)工況相符合，說(shuō)明通風(fēng)方案設(shè)計(jì)的有效性，可以滿足斜坡道通風(fēng)需求。