某礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案研究

聶都超，周國，羅飛躍，瞿睿，周富東

(湖南黃金洞礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南 平江市 414500)

1 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀及問題

某礦區(qū)主要開采礦脈為2#脈、3#脈及6#脈，主要用風(fēng)點(diǎn)位于-100 m中段、-140 m中段、-180 m中段、-220 m中段和-260 m中段。新、老明斜井及措施斜井為進(jìn)風(fēng)井，4#明斜井為回風(fēng)井，通過安裝在110 m中段的主扇將污風(fēng)經(jīng)4#明斜井抽至地表（155 m標(biāo)高）。

新、老明斜井新鮮風(fēng)一部分由2-1盲斜井到6#脈、3#脈和2#脈的-100 m中段，再經(jīng)-100 m副井將新鮮風(fēng)送至2#脈的-100 m以下中段用風(fēng)點(diǎn)；另一部分由3#脈60 m中段盲斜井到2#脈的-100 m中段和3#脈的-60 m中段和-100 m中段，再通過3#脈-100 m盲斜井將新鮮風(fēng)送至3#脈的-100 m以下各中段用風(fēng)點(diǎn)。措施斜井新鮮風(fēng)進(jìn)入-100 m中段后，一部分送至6#脈；另一部分與新、老明斜井新鮮風(fēng)匯合后送至2#脈和3#脈各個中段作業(yè)點(diǎn)。

由于礦區(qū)主扇與通風(fēng)系統(tǒng)不匹配，并且3#脈沒有獨(dú)立的回風(fēng)系統(tǒng)，3#脈的污風(fēng)經(jīng)自然風(fēng)壓作用進(jìn)入到2#脈的生產(chǎn)作業(yè)點(diǎn)，造成污風(fēng)串聯(lián)現(xiàn)象。整個工區(qū)的污風(fēng)由 2#脈深部中段的通風(fēng)上山以及-180 m盲斜井、0水平盲斜井回風(fēng)至0水平中段，再依次由110 m盲斜井、4#明斜井排出地表。

通過對礦區(qū)井下通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)查（測定結(jié)果見表1），目前礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)主要存在以下問題。

表1 礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量（風(fēng)速）測定結(jié)果

（1）進(jìn)風(fēng)量不足，且未進(jìn)行分區(qū)通風(fēng)。根據(jù)表1可知，目前礦區(qū)新、老明斜井和措施斜井總進(jìn)風(fēng)量為9.2 m3/s，與根據(jù)礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃計(jì)算的實(shí)際需風(fēng)量56.62 m3/s相差很大，不能滿足礦井安全生產(chǎn)需求。由于礦區(qū)主扇與通風(fēng)系統(tǒng)不匹配，并且3#脈沒有獨(dú)立的回風(fēng)系統(tǒng)，3#脈的污風(fēng)經(jīng)自然風(fēng)壓作用進(jìn)入到 2#脈的生產(chǎn)作業(yè)點(diǎn)，造成污風(fēng)串聯(lián)現(xiàn)象。

（2）通風(fēng)上山不完善，回風(fēng)井部分?jǐn)嗝嫘∏也灰?guī)整，造成風(fēng)阻過大。礦區(qū)深部某些中段之間的通風(fēng)上山還未施工，無法形成完整的通風(fēng)系統(tǒng)，阻礙了污風(fēng)的排出，易導(dǎo)致炮煙中毒的事故發(fā)生。井下某些中段回風(fēng)井部分實(shí)際斷面過小，只有2.8 m2；上、下兩段風(fēng)井貫通后，其連結(jié)處應(yīng)做成流線型，實(shí)際上未修整巷道；回風(fēng)井格篩上存在廢石，回風(fēng)平巷垮塌且未及時處理。這些問題導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)局部風(fēng)阻過大。

（3）井下密閉效果差，存在漏風(fēng)現(xiàn)象，下部開拓與通風(fēng)系統(tǒng)不匹配。礦區(qū)上中段存在大量采空區(qū)，有的采空區(qū)密閉效果差，部分新鮮風(fēng)漏進(jìn)采空區(qū)。部分中段的風(fēng)門、風(fēng)窗密閉不合格，存在漏風(fēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)入工作面的新鮮風(fēng)流減少，部分采場作業(yè)環(huán)境差。目前，礦井下部已開拓到-300 m中段，現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)不能服務(wù)到所有作業(yè)面，導(dǎo)致深部通風(fēng)困難，對通風(fēng)安全造成一定的隱患。

綜上可知，現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足安全生產(chǎn)需求，需對整個通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 礦區(qū)需風(fēng)量計(jì)算

礦井需風(fēng)量計(jì)算是礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。礦井通風(fēng)的目的在于供給礦井必要數(shù)量的新鮮空氣，以稀釋并排除有毒有害氣體和粉塵。礦井需風(fēng)量又是計(jì)算礦井通風(fēng)阻力和選擇通風(fēng)設(shè)備基本參數(shù)的基礎(chǔ)。

根據(jù)金屬礦山生產(chǎn)的特點(diǎn)，在計(jì)算全礦井下開采所需風(fēng)量時，要根據(jù)生產(chǎn)規(guī)劃指標(biāo)、開采強(qiáng)度以及其他的相關(guān)參數(shù)來計(jì)算各區(qū)所需風(fēng)量。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求，風(fēng)量計(jì)算需遵循以下原則。

（1）按井下同時工作的最多人數(shù)計(jì)算，供風(fēng)量應(yīng)不少于每人4 m3/min。

（2）按排塵風(fēng)速計(jì)算，硐室型采場最低風(fēng)速應(yīng)不小于0.15 m/s，巷道型采場和掘進(jìn)巷道應(yīng)不小于 0.25 m/s；電耙道和二次破碎巷道應(yīng)不小于 0.5 m/s；箕斗硐室、破碎硐室等作業(yè)地點(diǎn)可根據(jù)具體條件，在保證作業(yè)地點(diǎn)空氣中有害物質(zhì)的接觸限值符合規(guī)定的前提下，分別采用計(jì)算風(fēng)量的排塵風(fēng)速。

（3）有柴油設(shè)備運(yùn)行的礦井，按同時作業(yè)設(shè)備的功率計(jì)算風(fēng)量，應(yīng)不小于4 m3/（kW·min）。

計(jì)算礦井所需的總風(fēng)量時，除按上述要求計(jì)算并取其最大值外，還應(yīng)將井下不同區(qū)域所需的風(fēng)量進(jìn)行累計(jì)，并加上漏風(fēng)風(fēng)量。

根據(jù)原則（2）計(jì)算回采工作面需風(fēng)量，礦區(qū)回采工作面為巷道型斷面，巷道斷面一般為2 m×2 m的三心拱類型，取過風(fēng)斷面面積為3.6 m2，根據(jù)排塵風(fēng)速的要求計(jì)算單個回采作業(yè)面的需風(fēng)量為：

式中，S為采場內(nèi)作業(yè)地點(diǎn)的過風(fēng)斷面，3.6 m2；V為回采工作面要求的排塵風(fēng)速，取0.25 m/s。

當(dāng)井下巷道斷面一般為2.2 m×2.2 m的三心拱類型時，取過風(fēng)斷面面積S為4.5 m2，單個掘進(jìn)工作面的需風(fēng)量為：

式中，S為掘進(jìn)工作面作業(yè)地點(diǎn)的過風(fēng)斷面，m2；V為掘進(jìn)工作面要求的排塵風(fēng)速，取0.25 m/s。

依據(jù)礦山現(xiàn)有生產(chǎn)能力及實(shí)際礦井需風(fēng)點(diǎn)，并為今后礦山拓產(chǎn)和深部開采留有余地，復(fù)核計(jì)算井下需風(fēng)量。主要包括同時作業(yè)的回采掘工作面需風(fēng)量及掘進(jìn)工作面需風(fēng)量。本次設(shè)計(jì)根據(jù)年度礦山生產(chǎn)計(jì)劃，計(jì)算各中段的風(fēng)量分配，見表2。

表2 礦井各中段風(fēng)量分配

同時作業(yè)回采工作面共24個，掘進(jìn)工作面共23個，此外井下獨(dú)立硐室2個。獨(dú)立硐室需風(fēng)量共為：

式中，Q1為單個硐室需風(fēng)量，取2 m3/s；N為硐室數(shù)量。

綜上可知，礦井總需風(fēng)量為：

考慮井下漏風(fēng)，備用系數(shù)取 1.1，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總供風(fēng)量為：

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

通過現(xiàn)場調(diào)查和通風(fēng)測定，兩翼風(fēng)機(jī)風(fēng)壓不夠，回風(fēng)井?dāng)嗝嫘　⒉灰?guī)整是通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足要求的主要原因。基于礦區(qū)原有的2#，3#和6#脈的分區(qū)通風(fēng)方式，將6#脈和3#脈的通風(fēng)路線做合并規(guī)劃，充分利用已有巷道等工程，減少新建工程量。本次通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)初選兩套通風(fēng)方案，主要工作內(nèi)容如下。

（1）對通風(fēng)量重新計(jì)算和分配（見表2），重新進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型，根據(jù)井下實(shí)際情況，安裝變頻控制器，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算和通風(fēng)線路優(yōu)化。

（2）按照優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的通風(fēng)線路進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的布置、掘進(jìn)和工程量概算。

（3）對通風(fēng)構(gòu)筑物如風(fēng)門、風(fēng)窗、密閉墻的構(gòu)筑、完善工作進(jìn)行布置。

3.1 方案一：2#、3#和6#脈分區(qū)通風(fēng)方案

3#脈生產(chǎn)作業(yè)面產(chǎn)生的污風(fēng)由各中段端部新掘的回風(fēng)上山依次送到-20 m中段，由-20 m中段的回風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)機(jī)將污風(fēng)排至0水平回風(fēng)中段，再依次由110 m盲斜井、4#明斜井排出地表。2#脈深部（-300 m、-260 m及-220 m中段）產(chǎn)生的污風(fēng)也是通過各中段端部的回風(fēng)上山依次排入-180 m中段回風(fēng)道內(nèi)，由新設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)將污風(fēng)排至 0水平東盲斜井0水平中段，再依次由110 m盲斜井、4#明斜井排出地表。

3.2 方案二：2#、3#和6#脈分區(qū)接力通風(fēng)方案

采取分區(qū)接力風(fēng)機(jī)方式可以彌補(bǔ)主扇風(fēng)機(jī)風(fēng)壓不足，2#脈接力風(fēng)機(jī)擬安裝在2#脈-180 m中段回風(fēng)道，3#脈的接力風(fēng)機(jī)擬安裝在3#脈-20 m中段回風(fēng)道，0水平中段風(fēng)機(jī)擬安裝在2#脈0水平中段回風(fēng)道內(nèi)，2#脈、3#脈和6#脈的通風(fēng)路線同方案一。

3.3 通風(fēng)系統(tǒng)方案比較

兩個方案的綜合對比見表3。

表3 通風(fēng)方案綜合對比表

上述兩個方案回風(fēng)路線相同，且通風(fēng)風(fēng)路比較暢通。兩個方案的主要區(qū)別在于風(fēng)機(jī)數(shù)量、通風(fēng)效果和通風(fēng)管理。方案二采用接力通風(fēng)方式，較方案一通風(fēng)調(diào)節(jié)更為靈活，但需要重新掘進(jìn)風(fēng)機(jī)硐室，初期工程量和投資都明顯大于方案一；方案二相對于方案一多了1臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行，后期通風(fēng)管理工作復(fù)雜。結(jié)合礦區(qū)長遠(yuǎn)規(guī)劃，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)推薦方案二。

4 通風(fēng)系統(tǒng)詳細(xì)方案

4.1 礦井風(fēng)量分配

礦井風(fēng)量分配見表4。

表4 礦井風(fēng)量分配/(m3/s)

礦井的總阻力按選取的最大阻力線路進(jìn)行計(jì)算，各段巷道摩擦阻力依據(jù)公式計(jì)算，式中，L為長度，P為坑道周長，a為摩擦阻力系數(shù)，S為斷面積。計(jì)算時不計(jì)算局部阻力，只在系統(tǒng)計(jì)算中加1.2的系數(shù)。

通過實(shí)測通風(fēng)線路各巷道的風(fēng)阻值、風(fēng)量及風(fēng)壓，最終計(jì)算得出3#脈最大總風(fēng)壓為471.23 Pa，2#脈最大總風(fēng)壓為678.36 Pa，0水平中段最大總風(fēng)壓為623.16 Pa，根據(jù)通風(fēng)線路最大阻力值確定礦井線路總摩擦阻力ht。一般認(rèn)為，總局部阻力大于總摩擦阻力的10%～20%，因此3#脈通風(fēng)線路總摩擦阻力為：

2#脈深部風(fēng)機(jī)總摩擦阻力為：

0水平中段風(fēng)機(jī)總摩擦阻力為：

4.2 礦區(qū)最大自然風(fēng)壓計(jì)算

夏季自然風(fēng)壓與主扇工作方向相反，根據(jù)礦山資料，取進(jìn)風(fēng)井空氣平均溫度為303 K、排風(fēng)井空氣平均溫度為293 K，按下式計(jì)算，

式中，P0為地表大氣壓力，取760 mmH2O；H為井深，m；T1為入風(fēng)井平均溫度；T為排風(fēng)井平均溫度；K為深度修正系數(shù)，1.036。

經(jīng)計(jì)算，3#，2#脈深部自然風(fēng)壓分別為-164.11 Pa，-182.125 Pa。

4.3 礦區(qū)通風(fēng)機(jī)選擇

4.3.1 風(fēng)機(jī)風(fēng)量

式中，p為扇風(fēng)機(jī)的風(fēng)量備用系數(shù)（包括井口、反風(fēng)裝置和繞道處的漏風(fēng)），一般取 1.1；Q′總為礦井要求的合理供風(fēng)量，m3/s。

計(jì)算可得 3#脈風(fēng)機(jī)分配風(fēng)量 19.55 m3/s，2#脈西翼風(fēng)機(jī)分配風(fēng)量為33.16 m3/s。

4.3.2 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓hf

風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓不僅要克服礦井總阻力，同時還要克服反向的礦井自然風(fēng)壓，風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓可按照下式計(jì)算：

式中，ht為礦井總阻力，Pa；hn為自然風(fēng)壓，Pa；hr為風(fēng)機(jī)裝置總阻力，Pa；hv為出口動壓損失，Pa。

經(jīng)計(jì)算，3#脈風(fēng)機(jī)、2#脈深部風(fēng)機(jī)、0水平中段風(fēng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓分別為 885.59 Pa、1150.16 Pa、1083.32 Pa。

4.4 風(fēng)機(jī)選擇

根據(jù)上述風(fēng)量Qf、風(fēng)壓hf的計(jì)算結(jié)果，在通風(fēng)機(jī)個體特征曲線中找出相應(yīng)的工況點(diǎn)（要求工況點(diǎn)落在風(fēng)機(jī)的合理工作區(qū)域內(nèi)，即風(fēng)機(jī)效率在0.6以上），為通風(fēng)線路重新選擇合適的風(fēng)機(jī)型號。

設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)和安裝位置見表5。

表5 設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)和安裝位置

5 結(jié)語

礦井通風(fēng)管理是礦井生產(chǎn)管理的重要內(nèi)容之一，通風(fēng)狀況的好壞直接影響到井下工人的健康安全、礦井的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。做好礦井通風(fēng)工作，一方面要針對現(xiàn)場實(shí)際情況，解決相關(guān)的礦井通風(fēng)技術(shù)難題；另一方面要從系統(tǒng)安全角度出發(fā)，全面提高通風(fēng)管理的整體水平。為實(shí)現(xiàn)礦井的安全生產(chǎn)，在提高通風(fēng)技術(shù)水平的同時，必須加強(qiáng)礦井通風(fēng)的管理工作。

礦山目前還未設(shè)置獨(dú)立的通風(fēng)管理體系，而且由于生產(chǎn)任務(wù)緊、人少事多、一人多職、通風(fēng)專業(yè)技術(shù)人員出現(xiàn)“斷層”等原因，導(dǎo)致了通風(fēng)管理不到位，通風(fēng)管理制度不完善等問題。在今后的通風(fēng)工作中，應(yīng)根據(jù)礦山的實(shí)際情況，逐步完善通風(fēng)管理組織機(jī)構(gòu)和各項(xiàng)通風(fēng)管理制度，嚴(yán)抓落實(shí)，保證通風(fēng)系統(tǒng)的有效正常運(yùn)轉(zhuǎn)，徹底改善作業(yè)場所的勞動安全衛(wèi)生條件，保證安全生產(chǎn)。