玲瓏金礦九曲分礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

程 力

(1.山東黃金集團(tuán)有限公司深井開采實驗室; 2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點實驗室)

引 言

隨著淺部礦體資源的枯竭,礦山逐步向深部開采發(fā)展,深部高溫、高濕、熱害問題層出不窮,嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)和未來的發(fā)展規(guī)劃。生產(chǎn)實踐表明,隨著礦山開采深度的增加,開采范圍與作業(yè)地點的不斷變化,導(dǎo)致礦山原有通風(fēng)系統(tǒng)阻力增大、漏風(fēng)多,且基站風(fēng)機(jī)設(shè)置不合理[1-3],無法滿足深部開采的需要。而對生產(chǎn)礦井進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化[4-5],可提高通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計、施工和管理水平[6],提升礦井安全與生產(chǎn)效率。因此,礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化是礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造中的重要組成部分。

山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司(下稱“玲瓏金礦”)歷史悠久,據(jù)有文獻(xiàn)可查的年代算起,有近千年的開采史,下轄九曲、靈山、西山3個分礦。其中,九曲分礦是主要生產(chǎn)礦山之一,由九曲礦段和大開頭礦段組成。前期生產(chǎn)區(qū)域為-320～-840 m水平,現(xiàn)階段礦區(qū)已開采至-1 180 m水平,隨著開采深度的增加,高溫?zé)岷σ殉蔀橹萍s井下生產(chǎn)與安全的主要因素,尤其是獨頭掘進(jìn)工作面處氣溫高、濕度大、空氣含氧量低,工作環(huán)境極度惡劣。因此,有效解決深部礦井通風(fēng)降溫問題已迫在眉睫。本文通過對玲瓏金礦九曲分礦深部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,提出了切實可行的優(yōu)化方案,確保礦井安全生產(chǎn)。

1 工程背景

玲瓏金礦位于山東省招遠(yuǎn)市城北20 km。其中,九曲分礦是主要生產(chǎn)礦山之一,采用豎井和盲豎井聯(lián)合開拓,九曲礦段礦石經(jīng)-70 m盲豎井、9#斜井、4#斜井接力提升至206 m中段,由電機(jī)車沿206 m平硐運至玲瓏選礦廠;大開頭礦段礦石經(jīng)-270 m盲豎井、255 m技措井提升至206 m中段,由電機(jī)車沿206 m平硐運至玲瓏選礦廠。前期生產(chǎn)區(qū)域為-320～-840 m水平,近年來生產(chǎn)區(qū)域延伸至-1 180 m水平。

根據(jù)礦體的賦存特征及圍巖特性,主要采用充填采礦法和留礦采礦法開采。九曲分礦各井筒主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 各井筒主要技術(shù)參數(shù)

2 通風(fēng)系統(tǒng)概況

2.1 系統(tǒng)通風(fēng)方式

目前礦區(qū)淺部通風(fēng)系統(tǒng)采用“三進(jìn)一回”的通風(fēng)方式,即280 m豎井、255 m豎井及東山豎井主要進(jìn)風(fēng),現(xiàn)有回風(fēng)井(45勘探線,回風(fēng)斷面不小于15 m2)回風(fēng),-270 m為總回風(fēng)水平。

中段采場通風(fēng)方式為新鮮風(fēng)沿280 m豎井、255 m豎井及東山豎井進(jìn)入需風(fēng)中段后,分別進(jìn)入各礦脈沿脈巷,清洗作業(yè)面的污風(fēng)沿采場通風(fēng)井排至上中段,沿上中段各礦脈端部穿脈巷進(jìn)入回風(fēng)系統(tǒng)。

2.2 機(jī)站設(shè)置

通過現(xiàn)場調(diào)查,九曲分礦目前機(jī)站設(shè)置情況如下:

1)-270 m中段為總回風(fēng)水平,九曲礦段、大開頭礦段-270 m中段回風(fēng)巷分別設(shè)置1個主回風(fēng)機(jī)站,分區(qū)回風(fēng),風(fēng)機(jī)抽出式運行,變頻控制。

2)大開頭礦段-620 m中段回風(fēng)井聯(lián)巷設(shè)置1個輔助回風(fēng)機(jī)站,承擔(dān)-620 m中段以下生產(chǎn)區(qū)域回風(fēng);九曲礦段-720 m中段回風(fēng)井聯(lián)巷設(shè)置1個輔助回風(fēng)機(jī)站,承擔(dān)-720 m中段以下生產(chǎn)區(qū)域回風(fēng),風(fēng)機(jī)抽出式運行,變頻控制。

3)九曲礦段-70 m盲豎井-370 m中段、-420 m中段、-470 m中段、-620 m中段、-720 m中段進(jìn)風(fēng)井聯(lián)巷各設(shè)置1個輔助進(jìn)風(fēng)機(jī)站,風(fēng)機(jī)壓入式運行。

4)大開頭礦段-270 m盲豎井-420 m中段、-470 m中段、-570 m中段、-620 m中段、-670 m中段進(jìn)風(fēng)井聯(lián)巷各設(shè)置1個輔助進(jìn)風(fēng)機(jī)站;-670 m盲豎井作業(yè)中段進(jìn)風(fēng)井聯(lián)巷各設(shè)置1個輔助進(jìn)風(fēng)機(jī)站,風(fēng)機(jī)壓入式運行。

3 深部通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控

通過查閱礦區(qū)深部開采工程初步設(shè)計,深部-720～-1 180 m水平通風(fēng)系統(tǒng)采用東山豎井、280 m豎井、255 m豎井進(jìn)風(fēng),東翼倒段回風(fēng)井、西翼倒段回風(fēng)井及中部55勘探線回風(fēng)井回風(fēng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)總風(fēng)量為192 m3/s。因此,本次深部通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化在維持深部開采工程初步設(shè)計總體統(tǒng)籌不變的基礎(chǔ)上,對該區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 深部通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

根據(jù)礦區(qū)已有通風(fēng)系統(tǒng)工程,在考慮礦區(qū)深部生產(chǎn)任務(wù)條件下,以充分利用原有井巷及通風(fēng)設(shè)備為原則,確定深部通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案如下:

1)進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)。新風(fēng)從地表280 m豎井、255 m豎井及東山豎井進(jìn)入井下,再經(jīng)盲主井、東副井進(jìn)入-720～-1 180 m水平作業(yè)區(qū)域。

2)回風(fēng)系統(tǒng)。污風(fēng)經(jīng)九曲礦段倒段回風(fēng)井(東翼)、大開頭礦段倒段回風(fēng)井(西翼)及中部55勘探線回風(fēng)井排至-620 m總回風(fēng)水平,深部-720～-1 180 m水平通風(fēng)系統(tǒng)形成“兩進(jìn)三回”的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。

由于-620～-1 180 m水平通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)井為東翼倒段回風(fēng)井(φ3.0 m)、西翼倒段回風(fēng)井(φ3.0 m)及中部55勘探線回風(fēng)井(φ3.5 m),-470 m水平至-620 m水平通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)井為東翼倒段回風(fēng)井(φ3.0 m)、西翼倒段回風(fēng)井(φ3.0 m),為保證深部污風(fēng)能及時排出,減少系統(tǒng)通風(fēng)阻力,新掘1條-470 m水平至-620 m水平中央回風(fēng)井,位于55勘探線附近,與深部55勘探線回風(fēng)井銜接,井筒凈直徑為3.5 m。污風(fēng)排至-620 m總回風(fēng)水平后,沿現(xiàn)有東、西倒段回風(fēng)井巷工程及新掘-470 m水平至-620 m水平中央回風(fēng)井排至上部回風(fēng)井并排出地表。-620 m中段作為深部-720～-1 180 m水平區(qū)域主回風(fēng)水平。

3.2 總風(fēng)量計算

礦井總風(fēng)量計算是礦井通風(fēng)設(shè)計的一項極其重要的內(nèi)容,礦井總風(fēng)量供給不足,會使井下勞動條件惡化,達(dá)不到安全通風(fēng)要求;盲目加大礦井總風(fēng)量,不一定能夠達(dá)到預(yù)期的通風(fēng)效果,同時會造成能耗浪費。礦井風(fēng)量計算時,因按排塵計算的風(fēng)量一般大于排煙風(fēng)量,故通常采掘工作面按排塵風(fēng)速計算[7]。由于九曲分礦開采深度最深處達(dá)1 500 m,屬深熱礦井,結(jié)合國內(nèi)外相似礦山降溫實例,開采深度在1 500 m內(nèi)的礦山,可通過加大風(fēng)量方式進(jìn)行降溫。因此,設(shè)計推薦通過加大風(fēng)量方式進(jìn)行降溫。借鑒國內(nèi)科研院所針對采場降溫風(fēng)速的研究成果,作業(yè)面通風(fēng)降溫的最佳風(fēng)速約為0.75 m/s。本次研究礦井需風(fēng)量計算結(jié)果見表2。

表2 礦井需風(fēng)量計算結(jié)果

由表2可知:礦井總需風(fēng)量為161 m3/s,考慮到漏風(fēng)及后期生產(chǎn)變動等因素,實際礦井總風(fēng)量需乘以風(fēng)量備用系數(shù)1.2。因此,九曲分礦深部實際總需風(fēng)量為193.2 m3/s。

3.3 機(jī)站優(yōu)化設(shè)置

-620 m中段為深部-720～-1 180 m水平通風(fēng)系統(tǒng)總回風(fēng)水平,設(shè)3個回風(fēng)機(jī)站。其中,九曲礦段-620 m中段(東翼)回風(fēng)巷設(shè)置1個回風(fēng)機(jī)站;大開頭礦段-620 m中段(西翼)回風(fēng)巷設(shè)置1個回風(fēng)機(jī)站;-620 m中段(中部55勘探線回風(fēng)井)回風(fēng)巷設(shè)置1個回風(fēng)機(jī)站,風(fēng)機(jī)抽出式運行,變頻控制。

3.4 新增通風(fēng)井巷工程

后期深部通風(fēng)系統(tǒng)需新掘1條-470 m水平至-620 m水平回風(fēng)井(凈直徑3.5 m)工程,與深部55勘探線回風(fēng)井銜接。該工程新掘工程量約1 500 m3。

4 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案網(wǎng)絡(luò)解算

Ventsim 三維通風(fēng)模擬軟件依據(jù)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),對變化復(fù)雜的礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)控制,建立通風(fēng)系統(tǒng)模型。且該軟件因其方便的建模、合理的風(fēng)路模擬、風(fēng)機(jī)選型,以及功能多樣的火災(zāi)等災(zāi)變模擬而得到了廣泛應(yīng)用[8]。因此,本文采用Ventsim三維通風(fēng)模擬軟件對通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案進(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬解算[9-11],將不同型號風(fēng)機(jī)參數(shù)代入,經(jīng)模擬運行后,計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果見表3。

表3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

深部通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)優(yōu)選方案及各井筒風(fēng)量分配模擬解算結(jié)果分別見表4、表5。

表4 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

經(jīng)Ventsim三維通風(fēng)模擬軟件計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬解算,九曲分礦深部通風(fēng)優(yōu)化方案實施后,礦井總風(fēng)量204.7 m3/s,總裝機(jī)容量760 kW,實耗功率610.1 kW,滿足設(shè)計總風(fēng)量(193.2 m3/s)要求。

5 結(jié) 論

針對玲瓏金礦九曲分礦深部通風(fēng)實際情況,在維持原總體設(shè)計不變的基礎(chǔ)上,對通風(fēng)路線、回風(fēng)機(jī)站設(shè)置及風(fēng)機(jī)選型進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)論如下:

1)采用主井、副井進(jìn)風(fēng),東、西兩翼及中部55勘探線倒段回風(fēng)井回風(fēng)的“兩進(jìn)三回”通風(fēng)方式,在九曲礦段-620 m中段(東翼)、大開頭礦段-620 m中段(西翼)、中部-620 m中段55勘探線回風(fēng)井設(shè)置回風(fēng)機(jī)站,風(fēng)機(jī)抽出式運行,變頻控制,系統(tǒng)總風(fēng)量為204.7 m3/s,能滿足設(shè)計總風(fēng)量需求。

2)新掘-470 m水平至-620 m水平回風(fēng)井工程(55勘探線附近,凈直徑3.5 m),與深部55勘探線回風(fēng)井銜接;新掘-470 m水平至-620 m水平九曲礦段回風(fēng)井工程(37勘探線附近,凈直徑3.0 m),具體位置以現(xiàn)場施工為準(zhǔn)。

3)深部通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案具體為盲主井、東副井分別進(jìn)風(fēng),風(fēng)量分別為109.2 m3/s、95.5 m3/s,合計204.7 m3/s;九曲礦段倒段回風(fēng)井(東翼)、大開頭礦段倒段回風(fēng)井(西翼)及55勘探線回風(fēng)井(中部)回風(fēng),回風(fēng)量分別為50.0 m3/s、50.8 m3/s、103.9 m3/s。

4)建議在九曲分礦盲主井、東副井進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷處,對新鮮風(fēng)進(jìn)行冷水噴淋,一方面用于減少進(jìn)風(fēng)風(fēng)流中攜帶的部分粉塵,保證進(jìn)風(fēng)風(fēng)質(zhì);另一方面在夏季可降低井下進(jìn)風(fēng)風(fēng)溫。