茶山矿南矿段通风系统改造研究

2014-05-23谢世勇黄俊歆

中国钨业 2014年3期

谢世勇，黄俊歆

（1.赣州有色冶金研究所，江西赣州 341000;2.湖南工学院安全与环境工程学院，湖南衡阳 421001）

1 矿井概况

茶山矿隶属于南星锑业有限公司，始建于1975年，位于南丹市车河镇西南3.5 km处。全区地质矿量269.5万t，生产正常期年产矿石量10～15万t，其中南矿段为 6～9万 t，北矿段为 4～6万 t，年均工业总产值约5000～6000万元，属于小型矿山。

矿区有两种类型的矿床，一种为夕卡岩型锌铜矿床，多呈矿化，仅局部呈层间小矿体，由北向南逐渐减弱。一种为热液充填石英脉型锑钨矿床，即28号脉，伴生有银、铅、锌、铜、金和莹石等，由若干条呈侧幕排列的脉组成，北段开采的为28号脉。采用留顶、底柱和间柱的普通浅孔留矿法进行开采，目前使用自然通风方式，井下通风状况较差。

2 通风系统改造的必要性

茶山矿属于小型矿山，当前的采掘作业区，多为坚硬的块状体，矿体顶底板的岩石主要为泥灰岩，岩性比较坚硬、结构中等稳固。目前已开拓形成355、310、290、260、230、190、170、150、120、100、70 中段，其中170以上的中段已开采完毕，相邻各中段有人行通风井作为应急出口，采用斜井绞车提升。矿井采用自然通风，原设计新鲜风流由斜井坑口（井口标高+444.68 m）和浅部斜井（原五一窿平巷，井口标高+444.68 m）经各级斜井进入各个开采中段的各个采场，再经各中段回风天井进入上中段的回风巷，从三岔河坑口（井口标高+474.704 m）和六庙坑口（井口标高+442 m）排出地表。现阶段通风系统图见图1。

但实际上，由于自然风压随气候、季节的变化而变化，而且矿井开采已转入深部，通风问题日益突出，已经成为制约茶山矿安全生产和可持续发展的“瓶颈”。目前南矿段存在的问题如下：

（1）矿井风量小，风压低。南矿段现有四个坑口：深部斜井、三岔河坑口、浅部斜井、六庙坑口，每个坑口均有提升运输和行人。现有的进风井有深部斜井、浅部斜井等处，风量分别为3.85 m3/s和1.28 m3/s，风速分别为0.35 m/s和0.41 m/s。出风井有三岔河、六庙坑口，出风量分别为8.73 m3/s和3.95 m3/s，风速分别为1.36 m/s和0.38 m/s，进、回风井的自然风压为87 Pa。由于矿井总进风量很小，风压低，造成井下工作环境极为恶劣，有的采掘工作面基本上无风，严重缺氧，所有指标均不符合规范[1]，现有的自然通风不能满足矿井通风要求。

（2）井下温度高，湿度大。我国现行评价矿井气候的指标是干球温度，金属矿山最高允许的干球温度为28°[1]，而井下测试的温度绝大部分都在此值以上，有的超过37°，并且湿度高达100%。

图1 茶山矿南矿段现阶段通风系统

（3）通风系统紊乱，漏风严重。通过对南矿段通风现状进行现场勘察及测试，发现井下无任何通风设施及通风构筑物，导致风流乱串，漏风严重；且有多处与老塘相通，对已废弃巷道或采场未采取封闭措施或封闭不严，许多中段巷道受地压破坏，漏风严重，有效风量严重不足[1]，有效风量率仅为46.9%。

（4）事故隐患多。据统计，茶山矿自建矿以来，发生过多起伤亡事故，从事故发生的时间看，主要集中在每年的4～7月份。其原因主要是在这一段时间雨水多，空气湿度大，天气变化无常，井下空气质量差，作业环境十分恶劣，采场工人容易疲劳困乏，事故隐患增加。

综上所述，茶山矿目前的通风状况已严重制约矿井的生产和经济效益的提高，已到了非改不可的地步。小型矿山合理开采服务年限为30年，矿井按照设计开采了10余年，按提交的储量情况尚可服务近20年。因此，改造设计和优化矿井通风系统，实现机械通风，对于茶山矿的安全生产和矿井的可持续发展具有十分重要的意义。

3 通风阻力测定与分析

3.1 通风阻力的测定

采用气压计逐点测定法进行矿井通风阻力测定。选定1条主要测风路线，基点定在进风斜井井口。将2台同型号的精密气压计放置在基点处，同时读取绝对压力值后，一台气压计留在基点，每隔5 min记录一次气压计变化值；另一台气压计用于井下沿预定测定路线逐点测压，记录测压时间、读取压力变化值并测量其他通风相关参数。待全部测定完毕，重新回到基点，再校对气压计的读数[2～4]。

矿井其他次要巷道通风阻力以及局部通风阻力采用胶皮管－压差计测定方法。测定过程中，测点选择要求风流没有分风或汇风流，且风流稳定、巷道断面比较规整，测站摆放在节点上下侧5～7 m的位置。

表1 测点位置说明

3.2 测定结果分析

测定后，对通风阻力分布情况、矿井有效风量率等测定结果进行了分析。

（1）通风阻力分布情况。矿井通风系统中风路可分为进风段、用风段和回风段。所测定路线上通风阻力分布比例为 1∶1.05∶8.94，见表 2。

一般矿井的进风段、用风段和回风段阻力分配比例为3∶3∶4[4-5]，从茶山矿南矿段实际测量结果看出，测试通风路线上，回风段通风阻力所占比例过大。

表2 矿井主要通风路线阻力分布情况

（2）矿井有效风量率。矿井有效风量是指风流通过井下各工作地点，包括独立采矿工作面、掘进工作面、硐室和其他用风地点的实际风量的总和。

通过现场实际测量，矿井总风量为8.73 m3/s，矿井有效风量为4.09 m3/s。因此矿井有效风量率为：

不符合规范中矿井有效风量率不低于60%的规定[1]。

4 矿井通风系统优化改造方案

4.1 通风系统的选择

根据28号矿体在矿区的分布范围、现有矿井开拓方法、井巷的布置、采准布置形式、采空区和老塘的位置、大小以及它们和地表的沟通程度，茶山矿的通风系统从技术上考虑可采用集中通风系统和分区通风系统两种。但从经济上分析，构成集中通风系统较理想，但由于28号矿体在第2和第16勘探线尖灭，两勘探线之间无矿体，相距有700 m，且在此范围内无任何可作通风用的巷道。采用集中通风方式要增加大量的通风工程，这对于一个小型矿山来说在经济上是不合理的。因此，选取分区通风较为合理，即选择分区通风系统[6-10]。

采用分区通风则具有下列优点：

（1）风路短，阻力小，通风网路简单，通风系统的安全可靠性高。

（2）风流容易控制，风量易分配，满足生产需要，漏风少。

（3）通风构筑物少，便于维护管理。

（4）专用通风井巷工程量少，施工方便。

（5）通风动力消耗少，通风费用低。

4.2 风量计算

4.2.1 风量计算原则

根据规范要求，矿井需风量须按下列要求分别计算，并取其中最大值[1]。

（1）按井下同时工作的最多人数计算，每人供给风量不得少于4m3/min。

（2）按分项计算风量法进行计算。

4.2.2 矿井需风量的计算

（1）回采工作面风量计算。按通风排尘风量、排尘风速（峒室型采场最低风速）不应小于0.15 m/s。

采场和掘进巷道不应小于0.25 m/s、排除炮烟计算，取其最大值作为回采工作面风量，每个回采工作面风量为2.5 m3/s。

（2）备用工作面风量计算。考虑茶山矿生产管理的具体情况并结合井下采场布置，备用工作面不设计临时密闭措施，故每个备用工作面风量设计取1.5 m3/s。

（3）掘进工作面风量计算。掘进工作面的分布和数量由矿井采掘比大致确定。按现有开拓采准巷道断面，每个掘进工作面风量设计取1.5 m3/s。

（4）硐室风量。硐室不单独占用风量，与矿井进风巷道串联，对主风流无污染，不计全矿风量。

（5）分项计算总风量：Q=32.4 m3/s。

4.3 通风总阻力计算

4.3.1 风量分配的基本原则

（1）采掘工作面、井下硐室等需风点应按照各工作面所需风量和采掘进度计划的要求分配风量。

（2）风量分配应符合通风网络中巷道阻力条件，否则应采取措施进行调节。

（3）各需风点、井巷的风速必须符合规程规定。

4.3.2 主扇安装位置的选择

从南矿段通风实测的矿井总出风量大于实测进风量的结果，结合矿井的具体开采情况可以了解到回风段存在严重漏风现象。由于170以上的中段基本上已采完，有些已废采场和巷道并没有得到有效的封闭，并且从120中段到六庙坑口的通风路线很长，达千余米，如果将主扇安装在六庙坑口，回风段密闭工程量势必相当大，难度也会很大，稍有密闭不严，很可能在回风段造成风流短路，新风到不了工作面，污风排不出。所以为了提高矿井有效风量率，减小井下密闭工程，降低矿井的通风阻力，确定将主扇安装在坑内。

主扇安装在坑内的优点是：主扇装置的漏风较少；主扇靠近工作面，矿井有效风量率较高；可以同时利用多井巷进风和多井巷回风，因而降低矿井通风阻力并节省大量密闭工程。

其缺点是：安装供电检修维护不方便；容易遭受井下大爆破或其他灾害的破坏。

考虑到六庙工区深部盲斜井与北120中段贯通处，比较靠近工作面，较少受爆破冲击波的影响，没有地压及其他自然灾害的影响，进风风路和回风风路易于严密隔绝，主扇运输到安装地点要方便，供电方便，电源可靠，选择在六庙工区深部盲斜井与北120中段贯通40 m处安装主扇。

4.3.3 矿井通风总阻力计算

在主扇的服务期内，随着采掘工作面及中段接替的变化，通风系统的总阻力也将因之变化。为了使主扇在整个服务期限都能满足需要，而且有较高的运转效率，按照矿井开拓布局和采掘工作面接替安排，对主扇服务期内不同时期的系统总阻力的变化进行分析，将矿井通风划分为两个时期：通风容易时期和困难时期。然后，根据风量和巷道参数计算出最大总阻力。沿着通风容易和困难时期的风流路线，依次计算各段摩擦阻力，然后分别累计得出容易和困难时期的总摩擦阻力。

通风容易时期的总阻力 hme=1.15h1=1823 Pa

通风困难时期的总阻力 hmd=1.15h2=2352 Pa

4.4 风机选型

（1）计算风机风量 Qf。

式中：Qf为主要风机的工作风量，m3/s；Qm为矿井需风量，m3/s；k为漏风损失系数，取k=1.1。

将有关数据代入得：Qf=35.64 m3/s

（2）计算风机风压。

风压计算式为：Htd=hm+hd+hvd±HN

容易时期：Htd=hm+hd+hvd-HN

困难时期：Htd=hm+hd+hvd+HN

式中：Htd为风机全压，Pa；HN为矿井自然风压，Pa；hm为矿井通风系统的总阻力，Pa；hd为通风机附属装置的阻力，Pa；hvd为扩散器出口动能损失，Pa。

对于轴流式风机，将有关数据代入得风机的最小、最大风压为：

根据通风机的工况点参数对初选的通风机进行技术、经济和安全性比较，最后确定通风机的型号为DK62―No16 和转速 n=960 r/min，安装角 2.5°，风量为 20 m3/s～62 m3/s，风阻为 960 Pa～2960 Pa，效率为80%，其性能曲线如图2所示。

图2 DK62―No16性能曲线

4.5 电动机选型

（1）通风机输入功率按通风容易及困难时期，分别计算通风机所需输入功率Nmin、Nmax。

式中：ηs为通风机静压效率，取 ηs=0.8；Nmin、Nmax分别为矿井通风容易时期和通风困难时期通风机的输入功率，kW。

经计算，得：

（2）电动机的台数及种类。考虑到风机动压的损失（漏风等损失）,取动压系数为1.05。

式中：K为电机功率贮备系数，一般情况下取1.1～1.20,现取K=1.10；ηs为通风机静压效率，取ηs=0.75；N为所需两台电机的总功率。

（3）设计选型。根据通风机技术参数要求及矿井无爆炸性气体、粉尘，设计选取普通型电机。

（4）备用电机。根据《金属非金属地下矿山安全规程》的规定：矿井每台主扇必须具有相同型号和规格的备用电机。因此，设计选取备用电机一台，电机的技术参数如表3所示。

表3 电机技术参数

5 通风系统改造后的实测效果

茶山矿南矿段通风系统改造完成后，选定了测点，对矿井通风系统主要参数进行了全面的测定，阻力测定工作采用基点气压法，实测数据见表4。

表4 南矿段各测点通风参数测定记录表

从表4可以看出，改造后的矿井通风系统已经符合有关规范的规定[1，5]，井下温度已经全部降到27℃以下，而在改造前的温度最高达37℃以上；矿井有效风量达30.58 m3/s，而改造前仅有6.142m3/s；矿井有效风量率为90.98%，已经超过规范中不得小于60%的规定，而改造前矿井的有效风量率仅为46.9%；外部漏风量为3.03 m3/s，外部漏风率仅为9%，小于15%，而改造前矿井外部漏风率为29.5%，井下新鲜风流大大增加，工作环境大大改善，已经达到设计要求。