超長(zhǎng)走向金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

譚星宇

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

受礦體賦存的影響，部分地下開采金屬礦山的生產(chǎn)系統(tǒng)沿走向布置，走向長(zhǎng)度超過2 km，本研究將此類地下開采礦山稱為超長(zhǎng)走向金屬礦山。國(guó)內(nèi)部分礦山屬于超長(zhǎng)走向金屬礦山，如：遼寧紅透山銅礦-407～-827 m主要生產(chǎn)中段的走向長(zhǎng)度約為2.2～2.6 km［1］，甘肅金川龍首礦1 400～1 220 m中段的走向長(zhǎng)度約為2.1 km［2］，云南勐糯鉛鋅礦500 ～200 m主要生產(chǎn)或開拓中段的走向長(zhǎng)度約為2.6 km。本研究在分析超長(zhǎng)走向金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)主要特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例，開展超長(zhǎng)走向金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案比選。

1 超長(zhǎng)走向礦山通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）風(fēng)流路線長(zhǎng)，風(fēng)阻大。風(fēng)流路線長(zhǎng)，風(fēng)阻大是超長(zhǎng)走向金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)最突出特點(diǎn)。礦井風(fēng)阻由摩擦風(fēng)阻和局部風(fēng)阻組成，其中摩擦風(fēng)阻是礦井風(fēng)阻的主要組成部分，由巷道的摩擦風(fēng)阻計(jì)算式［3］可知，當(dāng)摩擦阻力系數(shù)、巷道凈斷面周長(zhǎng)和巷道凈斷面面積一定時(shí)，巷道摩擦風(fēng)阻隨巷道長(zhǎng)度增長(zhǎng)而增大。超長(zhǎng)走向金屬礦山風(fēng)流路線長(zhǎng)，即巷道長(zhǎng)度大，因此全礦的風(fēng)阻大。

（2）風(fēng)流集中，主扇負(fù)壓大。主扇運(yùn)行形成負(fù)壓用于克服全礦的通風(fēng)阻力，主要用于克服風(fēng)流通過井巷產(chǎn)生的摩擦阻力［3］。超長(zhǎng)走向金屬礦山主扇負(fù)壓大主要是受礦山風(fēng)阻大影響，同時(shí)也是由于主要進(jìn)回風(fēng)井巷風(fēng)流集中。主扇負(fù)壓大容易造成主扇附近漏風(fēng)和風(fēng)流循環(huán)，造成能源的浪費(fèi)。

（3）同中段多采場(chǎng)同時(shí)作業(yè)。超長(zhǎng)走向金屬礦山中段多沿礦體走向布置，同一中段可布置多個(gè)采場(chǎng)，通常礦山為滿足產(chǎn)能要求，在同一中段布置多個(gè)采場(chǎng)。同中段多采場(chǎng)同時(shí)作業(yè)造成風(fēng)流合理分配困難、通風(fēng)管理難度大等問題。

（4）中段開拓工程量大。金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423-2020）要求：礦山形成系統(tǒng)通風(fēng)、采場(chǎng)形成貫穿風(fēng)流之前不應(yīng)進(jìn)行回采作業(yè)［4］。采場(chǎng)形成系統(tǒng)通風(fēng)的前提是中段進(jìn)、回風(fēng)巷等中段開拓工程須完成施工，超長(zhǎng)走向金屬礦山的中段進(jìn)、回風(fēng)巷工程量大，礦山前期投入大。

2 工程背景

2.1 工程概述

云南某鉛鋅礦目前主要開采Ⅲ1、Ⅱ3和Ⅱ15鉛鋅礦體，均為平均厚度2.2 m的薄礦體，礦體東西走向延伸大，分布在27#～76#勘探線之間，走向長(zhǎng)度達(dá)2.5～2.9 km，開采標(biāo)高為+500 m～+200 m，+500 m以上已基本回采結(jié)束。

礦山采用平硐+豎井+斜井聯(lián)合開拓，產(chǎn)能22萬t/a。通風(fēng)系統(tǒng)為單翼對(duì)角抽出式，走向長(zhǎng)度達(dá)2.5～2.9 km，新鮮風(fēng)由西部2#豎井和中部1#平硐進(jìn)入，通過2#豎井、1#斜井、2#斜井、3#斜井和3#豎井等進(jìn)入+500 m、+450 m、…、+200 m中段，污風(fēng)流經(jīng)東側(cè)端部回風(fēng)天井、回風(fēng)平巷、回風(fēng)斜井等，再由3#平硐和4#平硐排出地表。礦山安裝2臺(tái)主扇，1臺(tái)安裝在+820 m中段0#堪探線附近（型號(hào)：FBCD-4-NO10、功率：2×22 kW），另1臺(tái)安裝在+680 m中段17#堪探線附近（型號(hào)：DK45-8-NO17、功率：2×55 kW）。圖1為礦山通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀圖。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)存在主要問題

對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查、測(cè)定和分析，主要存在以下問題：

（1）礦山走向長(zhǎng)度達(dá)2.5～2.9 km，且采用單翼對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，目前主要風(fēng)流路線長(zhǎng)度超過5.0 km，開采至+200 m中段時(shí)，主要風(fēng)流路線將超過6.0 km；同時(shí)礦山巷道斷面較?。ㄖ卸芜\(yùn)輸巷道4.8 m2，回風(fēng)井巷3.6～6.4 m2），全礦風(fēng)阻大。

（2）1#平硐風(fēng)流反向，其原因是風(fēng)流路線長(zhǎng)，礦山2臺(tái)串聯(lián)作業(yè)的主扇安裝在回風(fēng)側(cè)，主扇能力不足，主扇負(fù)壓對(duì)進(jìn)風(fēng)段的風(fēng)流控制失去影響。

（3）經(jīng)計(jì)算全礦需風(fēng)量為52.5 m3/s，通過測(cè)定全礦總進(jìn)風(fēng)量?jī)H為20.6 m3/s，全礦風(fēng)量不足。

（4）局部通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置不足，存在污風(fēng)串聯(lián)、污風(fēng)循環(huán)、局部漏風(fēng)等現(xiàn)象。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案研究

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

3.1.1 總體思路

綜合考慮礦山的實(shí)際情況和超長(zhǎng)走向礦山通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)，總體思路［5～7］為：充分利用礦山已有井巷，在增加少量井巷工程的條件下，盡可能地增加礦山主要進(jìn)、回風(fēng)路線，盡可能多地利用并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，形成低風(fēng)阻通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)；合理配置主扇，滿足系統(tǒng)通風(fēng)要求；用風(fēng)區(qū)域采取區(qū)域分區(qū)通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)節(jié)，減少投產(chǎn)前的開拓工程量；將+500 m以上回采結(jié)束區(qū)域不再利用的井巷進(jìn)行全面密閉，避免淺部漏風(fēng)。根據(jù)以上總體思路，提出2個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，分別為集中回風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)、東西分區(qū)回風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)。

3.1.2 方案1：集中回風(fēng)方案

方案一新鮮風(fēng)由2#豎井進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和1#平硐進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入各生產(chǎn)中段，用風(fēng)區(qū)域以3#豎井為界分為西區(qū)和東區(qū)進(jìn)行通風(fēng)，西區(qū)污風(fēng)和東區(qū)污風(fēng)分別由16#堪探線回風(fēng)井和27#堪探線回風(fēng)井匯入3#平硐回風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，由3#平硐回風(fēng)網(wǎng)絡(luò)集中排出地表。圖2為方案一通風(fēng)系統(tǒng)圖，方案一主要風(fēng)機(jī)的配置如表1。

2#豎井進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)：由2#豎井、1#豎井和5#斜井等組成的并聯(lián)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，1#豎井為箕斗井，原為回風(fēng)井，根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423-2020），箕斗井可作為進(jìn)風(fēng)井，因此將其改為進(jìn)風(fēng)井，在箕斗井的產(chǎn)塵點(diǎn)采取空氣凈化措施，保證空氣質(zhì)量。

1#平硐進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)：由1#平硐、1#斜井、2#斜井、3#斜井、3#豎井和4#斜井等井巷組成并聯(lián)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，在+390 m中段掘進(jìn)風(fēng)平巷聯(lián)絡(luò)4#斜井和3#豎井，1#平硐進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)與2#豎井進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)通過+500 m中段平巷連通，風(fēng)量實(shí)行自由分配。

3#平硐回風(fēng)網(wǎng)絡(luò)：由3#平硐、4#平硐、8#斜井、9#斜井、10#斜井、回風(fēng)天井和中段平巷等組成的并聯(lián)回風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，+630～+680 m、+550～+580 m新掘進(jìn)回風(fēng)天井，將+820 m～4#平硐回風(fēng)天井、+500 m中段回風(fēng)巷進(jìn)行擴(kuò)刷。

3.1.3 方案2：東、西分區(qū)回風(fēng)方案

方案二新鮮風(fēng)由2#豎井進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和1#平硐進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入各生產(chǎn)中段，用風(fēng)區(qū)域以3#豎井為界分為西區(qū)和東區(qū)進(jìn)行通風(fēng)，西區(qū)污風(fēng)由2#平硐回風(fēng)網(wǎng)絡(luò)排出地表，東區(qū)污風(fēng)由3#平硐回風(fēng)網(wǎng)絡(luò)排出地表。圖3為方案二通風(fēng)系統(tǒng)圖，方案二主要風(fēng)機(jī)的配置如表2。

2#豎井進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、1#平硐進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與方案一基本相同。

2#平硐回風(fēng)網(wǎng)絡(luò)：由2#平硐、6#斜井、7#斜井、36#勘探線回風(fēng)天井等組成的并聯(lián)回風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，36#勘探線回風(fēng)天井部分原有，部分新掘進(jìn)。

3#平硐回風(fēng)網(wǎng)絡(luò)：由3#平硐、4#平硐、8#斜井、9#斜井、10#斜井、27#堪探線回風(fēng)天井和中段平巷等組成的并聯(lián)回風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，+630～+680 m新掘進(jìn)回風(fēng)天井，37#勘探線回風(fēng)天井部分原有，部分新掘進(jìn)。

3.2 仿真模擬及分析

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用Ventsim三維通風(fēng)仿真軟件建立礦山通風(fēng)系統(tǒng)三維模型［8-9］，模型風(fēng)路數(shù)量1 961條，風(fēng)路總長(zhǎng)63 127m。運(yùn)用Ventsim軟件對(duì)方案一和方案二進(jìn)行仿真模擬，方案一和方案二均分為容易時(shí)期和困難時(shí)期分別進(jìn)行模擬，容易時(shí)期的主要生產(chǎn)中段為+450 m中段和+390 m中段，困難時(shí)期主要生產(chǎn)中段為+250 m中段和+200 m中段。

3.2.1 方案一仿真模擬

圖4為方案一仿真模擬圖，主要模擬結(jié)果如下：

（1）容易時(shí)期總進(jìn)風(fēng)量57.6 m3/s，2#豎井進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)風(fēng)量為37.7 m3/s，1#平硐進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)風(fēng)量為19.9 m3/s；困難時(shí)期總進(jìn)風(fēng)量57.5 m3/s，2#豎井進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)風(fēng)量為35.7 m3/s，1#平硐進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)風(fēng)量為21.8 m3/s。

（2）容易時(shí)期總風(fēng)壓為2 235 Pa，主扇風(fēng)壓最大，數(shù)值為1 269 Pa；困難時(shí)期總風(fēng)壓為2 473 Pa主扇風(fēng)壓最大，數(shù)值為1 274 Pa。

（3）容易時(shí)期3臺(tái)風(fēng)機(jī)總輸入功率為161.6 kW，風(fēng)機(jī)運(yùn)行平均效率為83.8%；困難時(shí)期3臺(tái)風(fēng)機(jī)總輸入功率為171.7 kW，風(fēng)機(jī)運(yùn)行平均效率為81.3%。

根據(jù)仿真模擬，通風(fēng)系統(tǒng)按方案一優(yōu)化后能滿足安全生產(chǎn)的要求，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率高，但全礦總風(fēng)壓較高。

3.2.2 方案二仿真模擬

圖5為方案二仿真模擬圖，主要模擬結(jié)果如下：

（1）容易時(shí)期總進(jìn)風(fēng)量57.2 m3/s，2#豎井進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)風(fēng)量為33.4 m3/s，1#平硐進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)風(fēng)量為23.8 m3/s；困難時(shí)期總進(jìn)風(fēng)量57.1 m3/s，2#豎井進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)風(fēng)量為29.0 m3/s，1#平硐進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)風(fēng)量為28.1 m3/s。

（2）容易時(shí)期總風(fēng)壓為1 263 Pa，主扇風(fēng)壓最大，數(shù)值為706 Pa；困難時(shí)期總風(fēng)壓為1 603 Pa主扇風(fēng)壓最大，數(shù)值為861 Pa。

（3）容易時(shí)期4臺(tái)風(fēng)機(jī)總輸入功率為77.4 kW，風(fēng)機(jī)運(yùn)行平均效率為88.7%；困難時(shí)期4臺(tái)風(fēng)機(jī)總輸入功率為94.6 kW，風(fēng)機(jī)運(yùn)行平均效率為88.4%。

根據(jù)仿真模擬，通風(fēng)系統(tǒng)按方案二優(yōu)化后能滿足安全生產(chǎn)的要求，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率高。

3.3 優(yōu)化方案選取

由模擬結(jié)果可知通風(fēng)系統(tǒng)按方案一和方案二優(yōu)化后均能滿足礦山安全生產(chǎn)的要求，為選取最優(yōu)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，制定如表3所示適用于超長(zhǎng)走向通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案選取指標(biāo)，指標(biāo)分為技術(shù)指標(biāo)、模擬指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)三大類，共12項(xiàng)［10-11］。方案一和方案二各項(xiàng)指標(biāo)值如表3所示，表中部分?jǐn)?shù)值為容易時(shí)期和困難時(shí)期的平均值。

從技術(shù)指標(biāo)、模擬指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)三方面對(duì)方案一和方案二進(jìn)行比較：

（1）技術(shù)指標(biāo)方面：方案二的風(fēng)流路線長(zhǎng)度、通風(fēng)井巷工程量和主通風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量三項(xiàng)指標(biāo)明顯優(yōu)于方案一，方案二采用分區(qū)回風(fēng)，大大縮短了主要風(fēng)流路線的長(zhǎng)度，方案二的風(fēng)流路線長(zhǎng)度僅為方案一的65.2%，主通風(fēng)機(jī)方案二比方案一多1臺(tái)，從技術(shù)方面考慮方案二優(yōu)于方案一。

（2）模擬指標(biāo)方面：方案一和方案二的礦井總風(fēng)量基本相近，均能滿足礦山安全生產(chǎn)的要求，在礦井通風(fēng)阻力、主扇最大負(fù)壓、風(fēng)機(jī)輸入功率和風(fēng)機(jī)平均效率4項(xiàng)指標(biāo)上方案二均優(yōu)于方案一，比較仿真模擬結(jié)果方案二優(yōu)于方案一。

（3）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面：方案二的3項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)于方案一，方案二不僅本次優(yōu)化工程的費(fèi)用低，而且今后日常運(yùn)行的通風(fēng)費(fèi)用也遠(yuǎn)低于方案一，方案二每噸礦石通風(fēng)費(fèi)用約為方案一的50%，從經(jīng)濟(jì)方面考慮方案二優(yōu)于方案一。

綜上所述，方案二在技術(shù)、模擬和經(jīng)濟(jì)三方面均優(yōu)于方案一，選取方案二（東西分區(qū)回風(fēng)方案）為本次通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案。

4 結(jié)論

（1）在分析超長(zhǎng)走向金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例，提出了2個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，方案一為集中回風(fēng)方案，方案二為東西分區(qū)回風(fēng)方案，并分別對(duì)2個(gè)方案進(jìn)行了仿真模擬。

（2）制定了適用于超長(zhǎng)走向通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案選取指標(biāo)，指標(biāo)分為技術(shù)指標(biāo)、模擬指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)三大類，共12項(xiàng)；將指標(biāo)應(yīng)用于礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案的選取，最終選取方案二為礦山的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案。