石湖金礦井下長(zhǎng)距離局部通風(fēng)研究

李印洪，耿小飛，李亞俊

（1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.中國(guó)黃金集團(tuán)石湖礦業(yè)有限公司，河北 石家莊 050504；3.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

礦井局部通風(fēng)是礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分。在井下新鮮風(fēng)流不能到達(dá)或不能完全到達(dá)，同時(shí)不方便施工通風(fēng)構(gòu)筑物的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域，需要采用局部通風(fēng)技術(shù)將井下新鮮風(fēng)流按照需求的風(fēng)量分配并進(jìn)行輸送。也就是說(shuō)，廣義的局部通風(fēng)是對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)主風(fēng)流進(jìn)行二次分配，用來(lái)解決風(fēng)網(wǎng)中斷路部分（獨(dú)頭掘進(jìn)）、風(fēng)網(wǎng)中風(fēng)壓平衡風(fēng)流靜止部分（部分角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）、風(fēng)量不足（網(wǎng)絡(luò)不暢）的通風(fēng)問(wèn)題。局部通風(fēng)包括風(fēng)流的組織、局部通風(fēng)設(shè)備（局部風(fēng)機(jī)、引射器等）選擇、局部通風(fēng)材料（風(fēng)筒、接頭等）選擇、局部通風(fēng)構(gòu)筑物（如風(fēng)庫(kù)等）的設(shè)置等多個(gè)方面?？梢赃@么認(rèn)為，局部通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)成為礦山井下生產(chǎn)不可或缺的一個(gè)部分，是井下通風(fēng)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。在局部通風(fēng)技術(shù)中，較為困難的就是長(zhǎng)距離局部通風(fēng)，存在局部通風(fēng)線路長(zhǎng)、阻力大、局部通風(fēng)設(shè)備使用多的特點(diǎn)。石湖金礦101采區(qū)400 m中段聯(lián)絡(luò)道的掘進(jìn)距離600 m，局部通風(fēng)困難時(shí)期，局部通風(fēng)控制長(zhǎng)度為1 140 m，就屬于這樣一個(gè)工程實(shí)例。

1 工程概況

中國(guó)黃金集團(tuán)石湖礦業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)石湖公司）位于石家莊市靈壽縣西北部山區(qū)，行政隸屬陳莊鎮(zhèn)所轄。礦區(qū)地理坐標(biāo)為：東經(jīng)：114°03′15″～114°04′21″，北緯：38°38′04″～38°40′19″。礦區(qū)距靈壽縣城65 km，距石家莊市96 km，207國(guó)道從礦區(qū)南部通過(guò)，區(qū)內(nèi)有運(yùn)礦公路與之相通。

石湖公司現(xiàn)下轄有101、116兩個(gè)礦區(qū)，根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)勘察，101北翼發(fā)現(xiàn)分支礦脈及數(shù)條盲礦脈，這樣101采區(qū)與116采區(qū)的距離較之前的約2 km拉近到600 m，為優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，該公司決定，在400 m中段掘進(jìn)101采區(qū)與116采區(qū)聯(lián)絡(luò)運(yùn)輸平巷，作為探礦及行人材料運(yùn)輸使用，根據(jù)圍巖的穩(wěn)固性，巷道斷面設(shè)計(jì)為三心拱形，掘進(jìn)斷面2.1 m×2.3 m。

巷道掘進(jìn)采用風(fēng)動(dòng)7655型鑿巖機(jī)，硝銨、乳膠炸藥爆破，裝巖機(jī)出渣，電機(jī)車(chē)牽引礦車(chē)運(yùn)輸，廢石倒入101采區(qū)400 m 中段采空區(qū)。具體如圖1所示。

圖1 聯(lián)絡(luò)平巷相對(duì)位置圖

2 長(zhǎng)距離獨(dú)頭掘進(jìn)通風(fēng)方案

2.1 風(fēng)流組織

鑒于101采區(qū)有采空區(qū)便于處理平巷掘進(jìn)廢石，且101采區(qū)提升運(yùn)輸系統(tǒng)能力稍大一點(diǎn)，故而400 m中段聯(lián)絡(luò)平巷的施工方案為，自101采區(qū)400 m中段20?？碧骄€往116采區(qū)54?？碧骄€掘進(jìn)。因此，聯(lián)絡(luò)平巷掘進(jìn)局部通風(fēng)需要利用101采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)組織風(fēng)流。101采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)北回風(fēng)井位于0?？碧骄€，距離聯(lián)絡(luò)平巷掘進(jìn)當(dāng)頭580 m，這580 m的沿脈運(yùn)輸平巷的除了聯(lián)絡(luò)平巷施工人員出入，還是101礦區(qū)北部探礦工程施工人員及材料進(jìn)出的重要通道，不適宜作為掘進(jìn)平巷的污風(fēng)通道。按照《采礦手冊(cè)》（非煤礦山）推薦，壓入式局部通風(fēng)適用于短距離的平巷掘進(jìn)，而抽出式局部通風(fēng)適用于長(zhǎng)距離的平巷掘進(jìn)［1］，原因就在于抽出式局部通風(fēng)的風(fēng)流組織中，污風(fēng)經(jīng)由風(fēng)筒送至專(zhuān)用回風(fēng)通道，能最大范圍地控制污風(fēng)污染范圍，對(duì)安全生產(chǎn)最為有利。但是抽出式局部通風(fēng)風(fēng)機(jī)距離掘進(jìn)當(dāng)頭近（根據(jù)斷面計(jì)算不大于5 m）［2］，壓入式局部通風(fēng)由于具有風(fēng)筒出風(fēng)口距離掘進(jìn)當(dāng)頭遠(yuǎn)（根據(jù)斷面計(jì)算不大于10 m），故壓入式局部通風(fēng)對(duì)風(fēng)筒、風(fēng)機(jī)保護(hù)強(qiáng)于抽出式局部通風(fēng)。且抽出式局部通風(fēng)在生產(chǎn)組織中，需要隨著掘進(jìn)作業(yè)面的推進(jìn)不斷移動(dòng)局扇（每個(gè)爆破循環(huán)移動(dòng)一次），影響作業(yè)面掘進(jìn)速度［3，4］。故技術(shù)人員經(jīng)過(guò)討論，最終決定101采區(qū)聯(lián)絡(luò)平巷施工的局部通風(fēng)采用壓抽混合式，新鮮風(fēng)流由101采區(qū)400 m北部沿脈運(yùn)輸?shù)肋M(jìn)入，經(jīng)作業(yè)面壓入式風(fēng)機(jī)送至聯(lián)絡(luò)道掘進(jìn)作業(yè)面，污風(fēng)由抽出式局扇經(jīng)風(fēng)筒送人101采區(qū)400 m中段北回風(fēng)井，如圖2所示。

圖2 風(fēng)流組織示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，北風(fēng)井風(fēng)墻處距離工程最遠(yuǎn)的距離為1 140 m。

2.2 局部通風(fēng)設(shè)備選擇

2.2.1 風(fēng)量計(jì)算

1.按排出炮煙計(jì)算風(fēng)量，根據(jù)：

式中：Qmp為壓入式工作的局扇風(fēng)量／m3·s－1；t為通風(fēng)時(shí)間，取900 s；A為一次爆破的炸藥消耗量，取20 kg；S為獨(dú)巷掘進(jìn)斷面積，取4.83 m2；Lw為抽出式風(fēng)口到工作面的距離，取30 m，故：

2.按排塵風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量，根據(jù)：

式中：Qmp為壓入式工作的局扇風(fēng)量／m3·s－1；U為排塵風(fēng)速，取0.25 m／s；S同前，故：

兩者比較，選擇大值，即掘進(jìn)作業(yè)面所需風(fēng)量為1.21m3／s。

3.局扇風(fēng)量，壓抽混合式的局扇風(fēng)量，抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)量按壓入式風(fēng)機(jī)風(fēng)量的1.2～1.25倍選取，長(zhǎng)距離通風(fēng)時(shí)，還需考慮風(fēng)筒漏風(fēng)系數(shù)。即風(fēng)機(jī)風(fēng)量：

按照標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)筒漏風(fēng)率的標(biāo)準(zhǔn)為L(zhǎng)＝（1 000～2 000）m時(shí)，漏風(fēng)率φ≤2%，代入公式可得Φ＝1.25。

在進(jìn)行局扇選擇時(shí)，抽出式工作的局扇風(fēng)量按上述不同方法計(jì)算的風(fēng)量，同時(shí)參照輸送距離1 140 m，選取1.25的風(fēng)機(jī)風(fēng)量，選取大值作為抽出式的供（入）風(fēng)量，即抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1.89 m3／s；壓入式送風(fēng)量為1.21 m3／s。

2.2.2 阻力計(jì)算

1.抽出式風(fēng)機(jī)阻力計(jì)算。因巷道設(shè)計(jì)的掘進(jìn)斷面為2.1 m×2.3 m，按照巷道掘進(jìn)使用風(fēng)筒的習(xí)慣選取400 mm規(guī)格的風(fēng)筒，風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速為11.54 m／s。阻力計(jì)算公式為：

式中：H為局部通風(fēng)阻力／Pa，主要為風(fēng)筒內(nèi)的沿程阻力及出口動(dòng)壓損失總和；H1為沿程阻力（包括摩擦阻力及彎頭等的局部阻力）／Pa，摩擦阻力為6 948.98 Pa，局部阻力為1 737.25 Pa，合計(jì)為8 686.23 Pa；H2為動(dòng)壓損失／Pa，按照風(fēng)速11.54 m／s，動(dòng)壓損失為83.23 Pa。

經(jīng)計(jì)算，平巷掘進(jìn)施工后期，即局部通風(fēng)距離最長(zhǎng)阻力最大時(shí)，抽出式風(fēng)機(jī)需擔(dān)負(fù)的阻力為8 769.46 Pa。

2.壓入式風(fēng)機(jī)阻力。壓入式風(fēng)機(jī)主要負(fù)責(zé)往作業(yè)面送風(fēng)，隨作業(yè)面的延伸不斷前移，故阻力計(jì)算考慮送風(fēng)距離為40 m時(shí)，風(fēng)筒沿程產(chǎn)生的阻力，由公式計(jì)算可知，阻力為304.78 Pa，出口動(dòng)壓為50.76 Pa，合計(jì)為355.54 Pa。

2.2.3 局部通風(fēng)設(shè)備選擇

1.壓入式風(fēng)機(jī)選擇，根據(jù)計(jì)算，壓入式風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量為1.21 m3／s，全壓為355.54 Pa，根據(jù)手冊(cè)，可以選取JK58－1NO3（1.5 kW）型礦用局扇，局扇參數(shù)為：風(fēng)量0.9～1.4 m3／s，全壓575～928 Pa，在風(fēng)筒直徑為300 mm時(shí)，最大送風(fēng)距離80 m，重量51 kg，局扇的工況點(diǎn)如圖3所示。

圖3 壓入式風(fēng)機(jī)工況圖

2.抽出式風(fēng)機(jī)選擇，根據(jù)計(jì)算，最困難時(shí)期，局部通風(fēng)抽出式風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量為1.89 m3／s，全壓為8 769.46 Pa，在這個(gè)阻力下，難以選擇單一礦用局扇，且一直利用一臺(tái)風(fēng)機(jī)服務(wù)整個(gè)平巷掘進(jìn)周期，功率大運(yùn)行成本高，為充分利用礦設(shè)備庫(kù)中的備用局扇，按照300 m的間隔計(jì)算，每臺(tái)風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)的阻力為2 369.08 Pa，選取JK58－2NO4（11 kW）型礦用局扇，風(fēng)機(jī)參數(shù)為：風(fēng)量2.2～3.5 m3／s，全壓1 811～2 923 Pa，在風(fēng)筒直徑為400 mm時(shí)，最大送風(fēng)距離400 m，重量130 kg，局扇的工況點(diǎn)如圖4所示。整個(gè)平巷掘進(jìn)周期最多時(shí)需要使用4臺(tái)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)之間使用風(fēng)庫(kù)連接。

圖4 抽出式風(fēng)機(jī)工況圖

2.3 風(fēng)筒作業(yè)參數(shù)選取及局部通風(fēng)組織

參照類(lèi)似工程實(shí)例及石湖金礦實(shí)際平巷規(guī)格參數(shù)，選取復(fù)合阻燃高強(qiáng)度塑料薄膜風(fēng)筒，抽出式風(fēng)筒直徑400 mm，20 m一節(jié)，每臺(tái)抽出式風(fēng)機(jī)配15節(jié)風(fēng)筒。抽出式風(fēng)機(jī)距離作業(yè)面最近距離為20 m，最遠(yuǎn)為50 m，每10個(gè)爆破循環(huán)之后（釬桿長(zhǎng)2.5 m，孔深2.2 m）移動(dòng)風(fēng)機(jī)，增加一節(jié)風(fēng)筒；壓入式風(fēng)機(jī)距離作業(yè)面最遠(yuǎn)55 m，最近25 m，風(fēng)筒出口距離作業(yè)當(dāng)頭10m，風(fēng)筒5m、2m一節(jié)配合使用，抽出式局部通風(fēng)采用雙反邊風(fēng)筒接頭，壓入式局部通風(fēng)也使用雙反邊風(fēng)筒接頭。

2.4 風(fēng)庫(kù)參數(shù)

根據(jù)石湖金礦101采區(qū)400m運(yùn)輸行人聯(lián)絡(luò)道巷道參數(shù)，風(fēng)庫(kù)斷面為寬×高×深（2.1 m×2.3 m×2 m），風(fēng)庫(kù)的入口砌墻，墻上設(shè)置兩個(gè)Φ400 mm直徑的鐵風(fēng)筒（一進(jìn)一出），調(diào)節(jié)風(fēng)窗1個(gè)，參數(shù)為500 mm×500 mm。以101采區(qū)400 m北部回風(fēng)穿脈口為起點(diǎn)，每300 m設(shè)置一個(gè)，運(yùn)輸行人聯(lián)絡(luò)道掘進(jìn)施工結(jié)束，局扇風(fēng)筒等回收完畢后，風(fēng)庫(kù)可作為臨時(shí)材料間或人行休息避車(chē)硐室使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

石湖金礦101采區(qū)400 m聯(lián)絡(luò)道工程長(zhǎng)600余m，通風(fēng)最困難時(shí)，通風(fēng)距離1 140 m，局部通風(fēng)風(fēng)筒受巷道斷面的限制，只能采用400 mm直徑的風(fēng)筒，阻力極高，若采用單臺(tái)風(fēng)機(jī)排出污濁空氣，風(fēng)機(jī)的高壓容易造成風(fēng)筒變形過(guò)大，漏風(fēng)率增高，作業(yè)面循環(huán)風(fēng)占比變大，炮煙的排出速度慢，污染作業(yè)及行人區(qū)域。而使用多臺(tái)同型號(hào)局扇串聯(lián)作業(yè)，快速排出巷道掘進(jìn)所產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)，局部通風(fēng)效果良好，作業(yè)面日常通風(fēng)監(jiān)測(cè)的風(fēng)質(zhì)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)目的，符合安全規(guī)程的要求，較好地滿(mǎn)足了掘進(jìn)作業(yè)的排粉塵及炮煙等有害物質(zhì)的生產(chǎn)需求。但是多臺(tái)局扇簡(jiǎn)單串聯(lián)，即前臺(tái)局扇的出口端風(fēng)筒直接接入后面局扇入口端，盡管局扇的型號(hào)參數(shù)一致，實(shí)際運(yùn)行工況總會(huì)略有差別，加上漏風(fēng)率的存在及不同，導(dǎo)致串聯(lián)局扇產(chǎn)生的負(fù)壓容易將前面局扇的風(fēng)筒抽癟，導(dǎo)致風(fēng)筒損壞，局部通風(fēng)不能運(yùn)轉(zhuǎn)。技術(shù)人員通過(guò)多方論證，在聯(lián)絡(luò)道平巷施工的局部通風(fēng)中增加局部通風(fēng)構(gòu)筑物風(fēng)庫(kù)后，因風(fēng)庫(kù)入口調(diào)節(jié)風(fēng)窗的存在，若前面一臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量稍大，多余風(fēng)量從調(diào)節(jié)風(fēng)窗溢出，若是風(fēng)量不足，不足部分風(fēng)量能從巷道內(nèi)直接補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離局部通風(fēng)多臺(tái)局扇串聯(lián)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?？偟目磥?lái)，該工程的局部通風(fēng)設(shè)計(jì)及工程布置對(duì)類(lèi)似礦山工程有較好的借鑒意義。