复杂网络结构的通风系统改造技术方案研究与实践
2014-03-23吴洁葵刘伟强
崔 文,吴洁葵,刘伟强,刘 庆,唐 星
(1.湖南宝山有色金属矿业有限责任公司, 湖南 郴州市 424402;2.湖南有色冶金劳动保护研究院, 湖南 长沙 410014)
0 引 言
矿井通风网络结构渐趋复杂是地下矿山生产发展的必然结果,对多矿体深部开采尤其如此。随着开采范围扩大,巷道、采区的扩展延伸,通风网络结构将发生较大变化,从而导致原有通风系统无法满足生产用风需求,在这种情况下就必须对通风系统进行有针对性调整、改造,使之适应新的矿井生产作业布局和通风要求。湖南宝山矿业有限责任公司(以下简称宝山矿)是一座经过多年开采的有色金属矿山,整个矿田由东、中、西、北部四个矿床构成,矿体分散。由于历史原因,矿区内有多家矿山企业分区同时开采,加之矿体产状特别复杂,规模小,因此在生产过程中采取了边探边采的生产方式,最终形成矿井之间多处巷道贯通,加之小矿企业通风系统不完善,导致各矿井的通风系统相互干扰,严重影响了通风效果。随着近年来开采活动向地下深部发展,新的高硫富矿体纳入开采计划,以及矿山资源整合后周边矿井的并入和贯通,使得原有通风系统已经无法满足井下用风需求,严重影响到井下正常作业和生产安全,因此,对宝山矿通风系统进行重新规划成为了当务之急。
1 原有通风系统结构及存在的主要问题
1.1 原有通风系统结构
宝山矿井下采用明竖井及平窿—盲斜井联合开拓方式。西部铅锌矿主要分布在50,10,-30,-70 ,-110,-150,-190等7个中段,并具有开采-1000 m左右的潜力;西部现主要开采区域为10~-70 m中段, -110、-150中段正在实施开拓工程;北部铅锌矿主要分布中段为50,10,-30,-70,-110五个中段,其中10中段以上为整合矿井中段,开采进入后期残矿资源回收阶段;中部铅、锌资源经长年开采已经枯竭,二期单铜矿体资源主要分布在365,330,290,250,210,170等6个中段的中部,暂时没有开采;西部10中段以上属另一家矿山企业622矿。整体而言,宝山矿采矿作业主要分布在北、西两个区域,原有通风系统为两翼对角井下抽出式分区通风,新鲜风流分别从明竖井口(472 m)、330主平窿进入,部分风经西部斜井到达50中段,再分别由北盲斜井和西盲斜井分风至北部和西部各中段,由沿脉、穿脉巷道进入工作面。北部污风从一条50中段通往90中段的斜井抽至90中段,由于90中段与西部进风斜井相通,部分污风经稀释后返回下部中段,另一部分通过采空区和天井上至130中段,经东部回风斜井排出地表;西部回风线路相对简单,由于此前开采强度不大,来自10中段以下的污风尘毒含量不高,加之622矿未建立机械通风系统,因此污风经10中段167线穿脉与622矿斜井相通的联络道引出,进入622矿区作为进风,最终通过622矿斜井排出地表(见图1)。
1.2 存在的主要问题
(1) 分区之间通风系统相互影响。总体来看,宝山矿已经形成了北部、西部两个分区通风系统,但由于两区之间有多条巷道贯通,在负压作用下,西部污风只有少量(约1/6)从622矿斜井排出,而大部分进入了北部区域,对北部通风造成较大影响。
(2) 污风串联循环。北部10中段以上原属地方企业牛郎冲矿,2000年经整合后纳入宝山矿。牛郎冲矿的回风井因垮塌而堵死,通风失效,因此不得不借助10中段以下宝山矿北部通风系统进行通风,即来自10中段以下的污风进入牛郎冲矿各中段,由宝山矿北部50中段185线的70-90通风天井排至回风井,从而形成了污风串联。由于10中段以上多处巷道已与宝山矿作业中段相通。污风抽至90中段后,其中一部分会通过贯通处返回下部中段,形成污风循环。在西部,622矿区利用宝山矿西部10中段以下排出的污风作为进风,是一种典型的污风串联。随着深部开采强度的增大,这种污风串联的危险性也是与日俱增。
图1 原有通风线路示意
(3) 含硫气体不能及时排除。2005年宝山矿在 50中段以下发现了两个富矿体并开辟了10中段的803采场,该矿体的铅锌品位较高,同时含硫量也极高。在开采过程中,矿石暴露而氧化,产生SO2进入空气中。SO2属有毒有害气体,对人体危害极大。由于污风串联循环原因,北部生产受到严重影响。
(4) 局部新鲜风流短路。由于北部50中段与进风斜井相通,新鲜风流到达50中段时被50中段短路分风,使得进入50以下区域的风量骤减,供风量严重不足。
2 通风系统改造技术方案
2.1 矿井通风系统改造的原则
对矿井通风系统的设计和改造,必须重点考虑安全性、科学性、经济性,并充分考虑矿山现有资源和自然条件,从而保证方案的优化和切合实际。针对宝山矿的实际情况,应遵循以下原则。
(1) 在保证正常、良好通风效果的前提下,尽量降低通风费用;尽量利用现有的生产井巷,以减少通风专用井巷的工程量和工程费。根据宝山矿的现状,其90 m中段以上东部区域已完全结束采矿作业,只剩余一些零星的防洪排水等设备及硐室等需要通风的地方,这些中段的一些井巷工程可以用来做专用的通风井巷,节约通风工程投资。
(2) 减少矿井内部漏风,提高有效风量率,解决深部的回风问题。根据现有的通风系统结构紊乱,已不能适应生产的需要这一情况,重新设计一个完整的通风网络,对宝山矿通风系统是完全必要的。
(3) 由于宝山矿北部有几个含硫高的矿体在开采过程中会产生有毒有害气体,该气体所经之处人员无法作业。因此,要顺利的把这部分价值较高的矿体开采出来,同时又要避免其有毒有害气体污染其它作业面,就必须对该部分矿体设计一个专用的回风线路,该回风线路井巷不能同时用做运输或行人等用途。
(4) 从矿山具体情况出发,根据矿井开拓方式、采矿方法、矿井生产能力和矿区地形地貌等因素,确定合理的通风系统。同时要根据矿山气候条件的变化和自然通风的规律,充分利用自然通风的有效作用,控制自然通风的有害影响。
2.2 通风线路规划
将宝山矿北部10中段以下区域和原牛郎冲矿(10中段以上)各中段合并作为北部通风区域统一通风。因为90中段已经结束作业,将该中段与其他平巷密闭隔离,保留回风天井后可作为回风平巷。以原牛郎冲矿主斜井、宝山矿北部盲斜井进风,分风到各中段,经沿脉、穿脉巷道、采场人行天井进入各工作面,清洗工作面后由端部天井汇集至90中段; 90中段与130中段之间原有两条通风天井,130中段与170中段之间原有探矿天井,170中段到210中段也有回风天井,而210中段可通过东部斜井直达地表,因此,将东部斜井作为回风井。需要说明的是,由于50中段到90中段的回风量增大,必要时可通过刷帮扩大过风面积。
西部进风线路完好,无需变动,但回风线路必须重新规划。90中段是整个矿区的横向枢纽,在西部,90中段可通过斜井或中段回风天井经130、170、210及东部回风井通向地表,因此将10中段经10~50斜井,再由50通90中段回风井联络起来,就构成一条完整的回风线路。考虑到线路较长,可通过设置在10和90中段的两台主扇接力通风。重新规划的通风线路见图2。
2.3 风机位置选定
风机安设位置一般选择在风路上断面合适的非生产区域。对于北部区域,原10中段167线和50中段185线的辅扇保留,将已经老化的东部斜井口主扇更新。由于北部通风的进回风线路长达4500 m,阻力损失高达2200 Pa以上,因此需在130中段东沿脉勘探线增加一台主扇,与东部斜井口主扇形成串联。在西部,10中段169线设一台风机将10中段以下工作面污风抽出,由设在90中段165线的接力风机将污风引向130及以上中段。
图2 重新规划的通风线路示意
3 主扇选择
主扇类型宜选择K系列或FS系列矿用节能风机。该类风机具有气动效率高、节能效果好的特点,叶片安装角可调,可直接通过电机反转实现反风。主扇功率的确定则需要通过计算确定,即对总需风量、风压以及风阻等参数值进行计算,再确定个体特性曲线、工况点与计算结果相适宜的风机功率。
3.1 总需风量计算
总需风量为各个工作面需要的最大风量与需要独立通风的硐室风量之总和,考虑到矿井漏风、生产不均衡以及风量调节不及时等因素,还应再乘以大于1的系数。根据采矿技术参数和年计划产量,可以算出同时采矿作业点和备采点数量;根据其年计划掘进量和每天掘进进尺可以算出同时掘进工作点数;加上其他需通风的硐室,即为需通风的作业点总数。
3.1.1 回采作业面总需风量计算
同时作业的采矿点数,采用下式计算:
(1)
式中,N为同时出矿的作业点数;A为年计划产量,t;a为矿石损失率;b为矿石贫化率;t为每个矿房日出矿能力,t。
回采作业面需风量是在排炮烟需风量与排尘风量两者之间取大值。排炮烟需风量按下式计算:
(2)
式中,q为每个矿房的需风量,m3/s;V为硐室容积,m3;A为炸药量,kg;t为通风时间,s;Kt为紊流扩散系数。
排尘风量需依照《金属非金属矿山安全规程》规定的最低排尘风速要求计算:
q=s×v
(3)
式中,q为每个矿房的需风量,m3/s;s为硐室断面积,m2。
此外,还需考虑备采作业点的需风量,备采作业点需风量取采矿作业点需风量的一半值。
3.1.2 掘进工作面总需风量计算
掘进同时作业点,采用下面公式计算:
(4)
式中,n为同时工作的掘进作业点;B为年计划掘进量,m;V为每个掘进当头进尺,m。
与回采作业面需风量计算相似,掘进作业点需风量也是在排炮烟需风量与排尘风量两者之间取大值。排炮烟需风量按下式计算:
(5)
式中,Qp为压入式掘进的需风量,m3/s;lr为巷道长度,m;A为炸药量,kg;t为通风时间,s;S为巷道断面积,m2。
3.1.3 其他硐室需风量
根据《采矿设计手册》的建议值选取。
依照上述方法计算的北部和西部需风量见表1和表2。
表1 北部需风量计算
3.2 总阻力计算
依照风量分配原则和生产规划对各中段进行风量分配后,可计算通风阻力。矿井通风总阻力是摩擦阻力和局部阻力之和。局部阻力可根据总摩擦阻力进行估算,一般情况下,总局部阻力不超过总摩擦阻力的 20% ,宝山矿井巷变形、堵塞现象较少,取总摩擦阻力的 15%。在进行矿井通风总摩擦阻力计算时,只需选择一条阻力最大的风路进行计算,并沿着这条风路,从矿井进风口直到矿井排风口,分别计算各段井巷的摩擦阻力,然后叠加起来,即为矿井通风总摩擦阻力。
表2 西部需风量计算
按照上述方法计算的北部通风线路总风阻为2240 Pa,西部通风线路总风阻为1658 Pa。
3.3 风机选型
风机选型依据是风量和风压。风压则由通风线路总阻力、与通风方向相反的自然风压、装置阻力、出口动压损失等的代数和构成。经测定自然风压约32 Pa左右,与线路总阻力相比较小,对选型不构成大的影响。
北部区域,总回风量为36.05 m3/s,需要克服的总阻力为2240 Pa,对应风机特性曲线和工况点,可选择2台型号为K40-6-NO18-90 kw的风机, 1台装在130中段东沿脉勘探线,1台装在地表360井口,形成串联。
西部区域,经过计算,主扇风压为1906 Pa,因采用两级抽出接力通风方式,因此可将通风线路分成两段,依据每段线路阻力选择风机型号。经计算安装在10中段169线穿脉内的风机需克服通风线路阻力为476 Pa,可选择FS170(B)-75 KW;安装在90中段165线穿脉内的接力风机需克服通风线路阻力为1430 Pa,可选择:K40-4No15(110 KW)。
4 改造效果
宝山矿北部和西部分区通风工程改造后,深部作业区的通风得到有效的改善,大大降低了分区和中段之间的通风干扰,基本消除了污风循环现象。部分主要区域和节点的通风测试数据见表3,充分体现了工程实施前后之间的差别。
表3 改造工程实施前后风量对比
5 结 语
宝山矿矿体分散,作业中段多,作业点分散,通风线路长,中段之间多处贯通,这些因素都给矿井通风带来了不少困难。本方案将北部和西部划分为两个深部开采区域,实现真正意义上的北部和西部分区通风,保证了多中段作业的需风量,达到了降低通风阻力、改善通风效果、节约通风能耗的目的,避免了污风串联循环。工程中充分利用了现有的井巷工程,投资少,施工容易,见效快,符合宝山矿的现实情况。
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