采空区回风降阻通风节能技术及其应用

李印洪 姚银佩 刘东锐

(湖南有色冶金劳动保护研究院)

采空区回风降阻通风节能技术及其应用

李印洪 姚银佩 刘东锐

(湖南有色冶金劳动保护研究院)

随着矿山开采的延伸，矿山深部通风难度增加。分析了当前主要通风降阻措施，提出了井下开采利用采空区回风降阻技术，阐述了降阻节能原理，通过在矿山工程中应用，证明利用采空区回风能够达到通风降阻节能的目的。

采空区回风 通风降阻 应用

国内大多数空场法回采的矿山，对空区未进行填充或未完全填充，留下大量的采空区以及溜井、人行井、通风井等采准通道。由于我国大多数矿脉小且薄，其空区对于地表的影响不大，所以并不要求进行特别处理。但随着矿山开采年限的增加，开采区域延伸，井下通风系统存在着回风线路少且长、回风阻力大等问题，浪费了大量的能源[1]，极大地制约了矿区生产的进一步扩大。降低矿山深部开采通风能耗，是矿山企业迫切要解决的难题。

1 采空区回风降阻通风节能技术

1.1 通风节能技术现状

根据多年来井下通风技术的发展和进步，通风节能技术主要有如下几种[2-4]：

(1)通风系统优化节能。包括分区通风、多级机站通风、循环风通风、矿井通风网络优化调节等。其原理是通过扩大通风断面、缩短通风线路等降低通风阻力，均衡各风机风压,以求达到通风系统功率最小的目的。

(2)采用新型通风设备[5]。20世纪70年代前使用仿苏联的BY型的2BY、70B2、K70(以上统称70B2)轴流风机，压力大而风量小，风机高效区与我国井下通风系统参数不匹配，导致风机效率仅为30%左右；80年代使用2K60、2K58、50A(主要在煤矿使用)轴流风机，是从70B2和50B1发展起来，同样存在风机效率低下的问题，故也已逐步淘汰；目前使用的K(BK)、DK(BDK)、FS等系列风机，采用稳流环防喘振装置，消除了驼峰，高效区域宽，风机直接反转风量,可以满足我国矿山井下反风要求，推广应用后节能效果明显。据统计，节能风机近20 a推广总量2.8万台，节电50亿kWh。

(3)通风系统运转管理节能。采用在线风质监测，与风机变频控制系统联动，根据生产计划的不同，合理调整风机转速，达到通风系统运转管理节能的效果。

(4)运用规模采矿技术，降低通风系统能耗。通过提高矿房开采的机械化程度，提高矿房日出矿能力，减少同时作业矿房数量，降低通风系统需风量，节约通风系统能耗。

(5)通风系统地温预热节能。在北方井下矿山，通风系统兼带有加热入风风流的功能，若使用电加热或者蒸汽加热，能耗较大。如果使用空区或废弃巷道利用地温冬季预热空气，夏季预冷入风风流，不仅能节约大量能耗，减少污染物排放，而且可最大程度地利用自然风压能力辅助通风系统通风。

1.2 采空区状态

采空区一般由开拓巷道、顶底板、间柱、部分未破坏的采准巷道(如通风、人行井)、矿石开采完毕后遗留空区组成。其中通风系统回风井及回风平巷服务于整个矿山生产时期，所以各矿山企业都能对各中段运输道、通风井巷进行较好的维护；矿房采空区则进行砌墙封闭或嗣后废石充填处理；空区采准(通风、人行井)等未能得到维护，一般会有不同程度的损坏。

1.3 井下深部开采通风能耗增加的原因

随着矿山开采深度的增加，通风能耗增加，其主要原因如下：

(1)通风线路增长，通风阻力增大。在有色金属等非煤井下矿山的通风系统中，系统阻力分为进风段、用风段、回风段3个部分。进风段、回风段阻力占井下通风系统阻力的90%以上，用风段线路长度、阻力均变化不大。故随着矿山井下开采的延伸，通风系统主扇功率增加极快，通风能耗、通风成本也快速上升。

(2)采空区增加，漏风大。随着采空区及中段的增多，通风系统短路漏风不可避免。为抵消漏风对井下深部开采的影响，我国规定在通风系统设计或优化时根据各矿山具体情况取1.25～1.5的风量备用系数，即增大风机风量，保证作业面有充足的新鲜风流。深部开采漏风大，导致深部开采通风能耗、通风成本迅速增加。

(3)矿山井下深部开采，地温升高导致作业面温度过高，形成新的安全隐患。虽然目前有空调制冷、冰制冷、蓄冰球制冷、冷水制冷等多种制冷方式，但是，增大井下作业面风量是当下最为经济有效的方式，因此导致深部开采通风能耗、通风成本进一步增加。

1.4 采空区降阻原理

井巷通风阻力包含了井巷摩擦阻力、局部阻力和正面阻力。众所周知，摩擦阻力是指风流在井巷沿程流动时，由于流体层间的摩擦及流体与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力[6]：

R=αPL/S3,

(1)

式中，R为通风摩擦阻力，N·S2/m8；α为摩擦阻力系数，N·S2/m4；P为风压，Pa；L为风路长度，m；S为过风断面面积，m2。

由式(1)可知，通风系统阻力与巷道长度呈正比，与过风断面的立方成反比，故要降低通风系统阻力，需缩短通风系统线路长度，增加通风系统的过风断面。利用上部开采活动遗留的大量采空区作为回风通道，不仅不用刷大通风系统专用回风井巷，而且能够获得大断面的回风通道，极大地降低通风系统回风段阻力。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

湖南某铅锌矿位于湖南省桂阳县城西，该矿为地下开采，原采用浅孔留矿法，后改为上向水平分层干式充填采矿法和浅孔留矿嗣后充填采矿法回采高品位铅、锌、铜、银矿体， 2012年后使用下向式分段空场嗣后充填采矿法。

由于矿山原采用空场法，在区域内遗留了很多空区。为防止地表移动塌陷，该矿2008年对矿区内大部分空区进行了回填处理。由于开采和通风需求，对地表无影响的少量空区未进行回填处理：①西部315矿270 m中段与290 m之间20 m×20 m×10 m(长×宽×高)的空区；②西部315矿290 m与其平硐之间20 m×20 m×30 m(长×宽×高)的空区；③北部牛郎冲矿-30 m中段与90 m中段间大量废弃坑道及20 m×40 m×30 m(长×宽×高)的空区。

2.2 采空区回风设计

矿区西部通风系统需风量为45 m3/s，而西部回风井断面小(2 m×1.5 m)，满足不了生产需要，井下作业面通风困难。故根据矿山井下实际情况，对矿区西部通风分区进行回风路线设计。

原315矿270～290 m中段、290～315 m平硐均采用回风天井进行回风，回风天井直径2 m，局部回风阻力734 Pa，回风困难，风流难以流动。该部分风流并入主矿区，目前矿区的通风系统进风路线多，回风路线少，该处回风天井需要担负更大的回风任务，回风阻力加大，导致扇风机能耗加大。

通过现场调研发现，270～290 m中段及290～315 m平硐均存在采空区，利用采空区对该局部回风工程进行设计，使其满足矿山整体的回风需求。新设计的通风线路如图1。

图1 采空区回风系统

2.3 降阻效果计算

空区断面20 m×20 m(长×宽)，根据式(1)计算，与采用单独的回风天井相比，局部摩擦阻力损失仅为原来的1/162 278.39，近似为零。

3 结 论

与矿山井下生产相匹配的通风系统，不仅需要提供作业面良好的工作环境，而且要达到运转功率最小，降低企业生产成本，提高企业经济效益的目的。采用采空区回风降低了通风系统阻力，节约了通风能耗，理论和实践都证明其有效性。根据企业生产情况的变化及时进行通风系统的优化改造，是十分必要的。

[1] 费子文，张济中，王绍良，等.采矿手册：第六卷[M].北京:冶金出版社出版，1988.

[2] 王海宁，王花平，谢金亮.金属矿山通风节能技术的研究[J].矿业快报，2006,16(12):24-26.

[3] 王英敏.金属矿山通风节能途径与效益[J].黄金，1989，10(8)：20-26.

[4] 关瑞岐，王远广.矿山通风节能降耗的几个途径[J].煤炭技术，2004，23(5):18-20.

[5] 张慧忠.矿用风机使用现状和发展趋势(续)[J].矿业快报，2007，462(10):15-18.

[6] 王海宁.矿井风流流动与控制[M].北京：冶金工业出版社，2007.

2014-11-06)

李印洪(1975—)，男，高级工程师，硕士，410014 湖南省长沙市雨花区香樟路601号。