某鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層漏風(fēng)控制技術(shù)研究

魯智勇 李曉健 許 峰

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司）

地下礦山通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)流未經(jīng)用風(fēng)地點(diǎn)而通過采空區(qū)、地表塌陷區(qū)、通風(fēng)構(gòu)筑物和圍巖裂隙等通道直接進(jìn)入回風(fēng)道或排出地表的現(xiàn)象稱為漏風(fēng)［1-2］。礦山由露天開采轉(zhuǎn)入地下開采時(shí)，如果上部覆蓋層不能很好地起到密閉隔離作用，地下采場(chǎng)的風(fēng)流就會(huì)通過覆蓋層孔隙與地表連通，造成嚴(yán)重的漏風(fēng)現(xiàn)象。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)存在較大漏風(fēng)現(xiàn)象，會(huì)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性產(chǎn)生較大影響，使工作面風(fēng)流紊亂，降低工作面的有效風(fēng)量和風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，不利于揚(yáng)塵的排出，威脅工作人員健康，嚴(yán)重影響采掘作業(yè)安全，降低礦山生產(chǎn)能力［3-5］。本研究針對(duì)某鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采過程中，由于覆蓋層漏風(fēng)導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差和局部區(qū)域通風(fēng)不暢等問題，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及分析該鐵礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于均壓通風(fēng)原理提出切實(shí)可行的覆蓋層漏風(fēng)控制技術(shù)方案，改善通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)壓及阻力分布，并通過積極實(shí)施取得顯著效果，使該鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)符合相關(guān)規(guī)范的要求，為礦山安全生產(chǎn)和降低通風(fēng)成本提供有力保障。

1 礦山概況

某鐵礦位于我國(guó)西南部，屬侵蝕堆積、溶蝕構(gòu)造、侵蝕剝蝕構(gòu)造地貌，具有高山、深谷、盆地交錯(cuò)分布的特點(diǎn)。地勢(shì)西北高東南低，山脈走向近于南北，屬大雪山的南延部分。

礦山上部經(jīng)過多年露天開采，于2 a 前轉(zhuǎn)入地下開采，地下開采生產(chǎn)規(guī)模為150 萬(wàn)t/a。由于該礦山地下開采上部圍巖覆蓋層厚度小于30 m，導(dǎo)致井下采場(chǎng)通過覆蓋層裂隙與地表連通，造成采場(chǎng)大量漏風(fēng)，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)有效風(fēng)量率較低，井下作業(yè)條件變差，影響礦井安全生產(chǎn)。

1.1 礦山開拓工程

根據(jù)礦體賦存狀態(tài)、礦山實(shí)際情況、生產(chǎn)規(guī)模等條件，該鐵礦主要開拓工程包括：主斜坡道、輔助井、運(yùn)輸平硐、管道斜井、西風(fēng)井、運(yùn)輸水平回風(fēng)井等。各開拓工程主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 采礦方法

礦山采用無(wú)底柱分段崩落法開采，根據(jù)礦體產(chǎn)狀及采區(qū)的不同有如下幾種礦塊布置方式：沿走向布置礦塊的無(wú)底柱分段崩落采礦法、垂直走向布置礦塊的厚大無(wú)底柱分段崩落采礦法、垂直走向布置礦塊的2 層礦體無(wú)底柱分段崩落采礦法，上述3 類采礦方法所占比例依次為8.90%、9.86%、81.24%。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該礦山采用對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮風(fēng)流通過輔助井、運(yùn)輸平硐、管道斜井及主斜坡道進(jìn)入井下，沖洗采場(chǎng)及需風(fēng)作業(yè)面后污風(fēng)進(jìn)入1 380，1 300，1 280及1 200 m 水平西風(fēng)井聯(lián)巷，在地表回風(fēng)機(jī)站作用下進(jìn)入西風(fēng)井，經(jīng)西風(fēng)井排至地表。此外，井下1 200 m 運(yùn)輸水平回風(fēng)井聯(lián)巷設(shè)置輔扇，將小部分風(fēng)流通過回風(fēng)井排至地表；在1 300 m 卸礦站回風(fēng)道安裝輔扇，將卸礦站污風(fēng)通過回風(fēng)平巷排至地表。該礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀示意圖見圖1。

目前，礦山共設(shè)置3 個(gè)回風(fēng)機(jī)站：地表西風(fēng)井回風(fēng)機(jī)站、1 200 m 運(yùn)輸水平回風(fēng)機(jī)站、1 300 m 卸載站回風(fēng)機(jī)站，井下機(jī)站設(shè)置見表2。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)與分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查及通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀檢測(cè)結(jié)果分析，該鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題有

（1）外部漏風(fēng)量大。該礦山通風(fēng)系統(tǒng)總進(jìn)風(fēng)量為104.39 m3/s，總回風(fēng)量為299.93 m3/s，通風(fēng)系統(tǒng)存在188.48 m3/s 外部漏風(fēng)，漏風(fēng)量占礦井總風(fēng)量的64.4%，外部漏風(fēng)量極大。

（2）通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。由于礦山采用抽出式通風(fēng)，且覆蓋層漏風(fēng)難以采取有效措施進(jìn)行控制，因此無(wú)法保證進(jìn)風(fēng)通道進(jìn)風(fēng)量相對(duì)恒定，造成通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)容易受到氣候條件變化、生產(chǎn)采區(qū)變動(dòng)等因素影響。

（3）采區(qū)進(jìn)風(fēng)線路不暢。1 200 m 中段上盤采區(qū)缺少進(jìn)風(fēng)天井，導(dǎo)致該區(qū)域通風(fēng)效果較差。1 200～1 280 m 水平3 條專用進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量極低，未起到專用進(jìn)風(fēng)井作用。

3 通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)控制技術(shù)研究

3.1 研究思路

減少覆蓋層通過地表漏風(fēng)一般有2個(gè)途徑，一是增加漏風(fēng)風(fēng)阻，二是降低漏風(fēng)壓差。增加漏風(fēng)風(fēng)阻可通過增加上部覆蓋層厚度以及井下設(shè)置封閉墻等構(gòu)筑物實(shí)現(xiàn)，由于人為回填廢石來增加上部覆蓋層厚度的工程量巨大，且時(shí)間周期較長(zhǎng)，通過增加構(gòu)筑物防止地表漏風(fēng)的可行性也較小。因此，采用均壓通風(fēng)技術(shù)降低漏風(fēng)區(qū)域兩側(cè)壓差來減少覆蓋層漏風(fēng)的方案比較容易實(shí)現(xiàn)，效果也較為理想。根據(jù)上述研究思路，主要從以下2個(gè)方面進(jìn)行漏風(fēng)控制技術(shù)方案研究。

（1）優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)阻力分布，降低漏風(fēng)區(qū)域兩側(cè)壓差，減少外部漏風(fēng)，增加系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)，提高進(jìn)風(fēng)風(fēng)質(zhì)。

（2）增加采區(qū)輔扇或優(yōu)化采區(qū)進(jìn)、回風(fēng)井?dāng)?shù)量及位置，調(diào)節(jié)各水平進(jìn)風(fēng)量，減小采區(qū)通風(fēng)阻力，使各水平風(fēng)量按需分配，改善采區(qū)通風(fēng)效果。

3.2 總風(fēng)量核算

礦井總風(fēng)量應(yīng)取各種風(fēng)量計(jì)算方法中較大值，對(duì)比各計(jì)算結(jié)果可知，該礦山按柴油設(shè)備同時(shí)作業(yè)臺(tái)數(shù)計(jì)算的需風(fēng)量最大，即為該礦山礦井總需風(fēng)量。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，柴油設(shè)備運(yùn)行時(shí)供風(fēng)量不小于4 m3/（min·kW），則該礦山總需風(fēng)量計(jì)算方法如下。

式中，Qc為按柴油設(shè)備同時(shí)作業(yè)臺(tái)數(shù)計(jì)算的需風(fēng)量，m3/s；∑P為井下同時(shí)運(yùn)行的柴油設(shè)備總功率，kW。

根據(jù)礦山生產(chǎn)計(jì)劃，按表3柴油設(shè)備同時(shí)作業(yè)臺(tái)數(shù)計(jì)算需風(fēng)量，計(jì)算得需風(fēng)量Qc=176.2 m3/s。

根據(jù)表3，該礦山礦井總需風(fēng)量為176.2 m3/s。礦井總風(fēng)量等于礦井需風(fēng)量乘以礦井風(fēng)量備用系數(shù)Kb，后者是考慮到漏風(fēng)、風(fēng)量不能完全按需分配以及調(diào)整不及時(shí)等因素。Kb值為1.20～1.45，可根據(jù)礦井開采范圍的大小、所用的采礦方法、設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的布局等具體條件進(jìn)行選取。

根據(jù)該礦山采用崩落法開采、上部覆蓋層厚度較薄導(dǎo)致地表存在外部漏風(fēng)可能性、井下作業(yè)面分布范圍廣等情況，需適當(dāng)加大風(fēng)量備用系數(shù)。因此，確定該礦山通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量備用系數(shù)Kb值取1.35，則礦井總風(fēng)量Qz=237.87 m3/s，取238 m3/s。

3.3 漏風(fēng)控制技術(shù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)研究思路與該礦山通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀、采掘生產(chǎn)計(jì)劃和設(shè)計(jì)資料，該礦山覆蓋層漏風(fēng)控制技術(shù)方案主要選擇以下2個(gè)方案進(jìn)行比較。

（1）方案一：①1 200 m 輔助井聯(lián)巷增加通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)主扇，將1 200 m 作為主進(jìn)風(fēng)水平；②1 200 m 中段上盤新增加1條專用進(jìn)風(fēng)井，解決采區(qū)上盤進(jìn)風(fēng)問題；③在1 200 m各中段進(jìn)風(fēng)井聯(lián)巷增加進(jìn)風(fēng)輔扇，調(diào)節(jié)各進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量。

（2）方案二：①不增加系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)主扇，僅通過增加輔扇來實(shí)現(xiàn)采區(qū)風(fēng)量分配及漏風(fēng)區(qū)域風(fēng)壓平衡；②1 200 m 中段上盤新增加1 條專用進(jìn)風(fēng)井，解決采區(qū)上盤進(jìn)風(fēng)問題。

對(duì)上述2個(gè)技術(shù)方案進(jìn)行比較，見表4。

根據(jù)表4，雖然方案一的一次性投資較大，但是2種方案通風(fēng)系統(tǒng)后期運(yùn)行費(fèi)用相差不大，并且方案一系統(tǒng)總風(fēng)量較大、漏風(fēng)控制效果較好，系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。從解決覆蓋層漏風(fēng)問題及增加通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性角度綜合考慮，選擇方案一作為該礦山通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)控制技術(shù)方案。

通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)控制技術(shù)方案實(shí)施后，該礦山變?yōu)槎嗉?jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)，如圖2所示。通風(fēng)系統(tǒng)采用輔助豎井、管道斜井和斜坡道進(jìn)風(fēng)，總回風(fēng)豎井主要回風(fēng)、卸載站回風(fēng)巷與溜破回風(fēng)井少量回風(fēng)。Ⅰ級(jí)進(jìn)風(fēng)機(jī)站設(shè)置在1 200 m 輔助井聯(lián)巷，Ⅱ級(jí)機(jī)站設(shè)置在1 200 m 中段進(jìn)風(fēng)井聯(lián)巷，Ⅲ級(jí)機(jī)站設(shè)置在地表西風(fēng)井回風(fēng)機(jī)站。

3.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算

為了驗(yàn)證覆蓋層漏風(fēng)控制技術(shù)方案的預(yù)期效果，需要對(duì)該方案通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算，具體步驟：①根據(jù)技術(shù)方案建立通風(fēng)系統(tǒng)三維立體中線圖；②將三維通風(fēng)系統(tǒng)中線圖導(dǎo)入通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)三維仿真軟件Ventsim 中，生成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體模型；③對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行調(diào)整，使模型中節(jié)點(diǎn)、分支、風(fēng)路滿足解算要求；④對(duì)模型中各風(fēng)路的斷面、摩擦阻力、局部阻力、風(fēng)機(jī)設(shè)置等參數(shù)進(jìn)行賦值，得到與技術(shù)方案一致的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型；⑤進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)三維仿真模擬，得到覆蓋層漏風(fēng)控制技術(shù)方案的通風(fēng)網(wǎng)路解算結(jié)果，見表5和表6。

根據(jù)解算結(jié)果，該礦山通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量將達(dá)到258.14 m3/s，滿足計(jì)算的礦井總風(fēng)量238 m3/s，各井筒風(fēng)速以及主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)控制技術(shù)方案實(shí)施后，系統(tǒng)漏風(fēng)率從64.4%降低至25.5%，礦山通風(fēng)效果將明顯改善。

4 結(jié)論

（1）露天轉(zhuǎn)地下開采過程中，降低覆蓋層外部漏風(fēng)的主要技術(shù)手段是使用均壓通風(fēng)法來降低漏風(fēng)區(qū)域兩側(cè)壓差，該方法不但在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，而且在解決外部漏風(fēng)效果上有穩(wěn)定保障。

（2）基于均壓通風(fēng)技術(shù)原理的多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)能更精確地調(diào)節(jié)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)壓力布置，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量合理分配，改善作業(yè)場(chǎng)所的通風(fēng)條件，多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)是露天轉(zhuǎn)地下開采的最佳通風(fēng)方式之一。