大型机械化金属矿山通风系统优化

龚开福　李夕兵　李国元　时增辉(.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 4008； 2.中色非洲矿业有限公司，Kitwe 22592 赞比亚；.贵州锦丰矿业有限公司，贵州 贵阳 50002)

·安全与环保·

大型机械化金属矿山通风系统优化

龚开福1,2李夕兵1李国元3时增辉3
(1.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083； 2.中色非洲矿业有限公司，Kitwe 22592 赞比亚；3.贵州锦丰矿业有限公司，贵州 贵阳 530002)

为了改善大型无轨机械化矿山井下通风效果，分析了无轨设备运行时的需风量，并与工作面最小排尘风速、井下同时工作的最多人数需风量相比对，确定了井下最少供风量；基于Vensim通风软件构建了井下通风网络图，并对风流路径、风机参数、构筑物进行动态调节，使无轨设备相对集中的地方得到更多的风量，从而达到井下通风系统优化的目的。对贵州某大型无轨机械化矿山通风效果研究结果表明：无轨设备需风量最大，以此风量作为井下最少供风量；结合Vensim通风网络图，确定通风机与风构筑物的位置，并调节风门开度与风机转速，对风流路径与风量进行动态优化；采用刚性风筒大大降低通风阻力。通过这几方面的优化成功改善了井下大型机械化金属矿山通风效果。

大型机械化金属矿山通风系统优化

地下矿山开采深度愈来愈深，工作条件恶劣，开采难度越来越大。因此，只靠增加劳动力来实现增加产量的办法，显然是很困难的。要实现矿石量的大幅度增加，必须依靠技术进步，提高矿山的装备水平，这是加快矿山建设速度，迅速扩大采矿规模，提高生产能力和改善开采条件、提高劳动生产率的首要条件和根本保证[1]。采用无轨开采可使矿体开拓快，投产早；无轨采矿生产能力大，效率高，机动灵活，应用范围广；可实现全面机械化和集中作业，减少井下生产工人数量，大大提高生产效率。目前，国外在现代化地下矿山的开采中，已普遍使用无轨设备。20世纪70年代，前苏联就有1/4的地下矿山采用装载机[2]，而到90年代，俄罗斯地下金属矿山已有地下无轨设备出矿的矿山占到了57%以上[3-4]。国外地下金属矿山已形成地下装载机为主的装运体系。我国从70年代中期开始使用无轨设备采矿，目前已有上百个矿山使用，而且正以每年10%的速度增加，实现井下作业全面机械化，并正在向自动化迈进。

但是，大型无轨设备特别是使用柴油驱动的设备为采矿带来方便的同时，也给矿井通风带来巨大的挑战。首先，柴油无轨设备排放的尾气包括有毒气体和颗粒物质，有毒气体包括CO、CO2、NO、NO2和SO2，这些气体短期内达到的最低限为CO(50 mg/L)，CO2(5 000 mg/L)，NO(25 mg/L)，NO2(3 mg/L)和SO2(2 mg/L)。颗粒物质包括95%粒径小于1 um，完全可以呼吸的。特别是颗粒物质能够吸附其他化学物质，诸如可能产生的芳香烃(PAH)、NOX、SO2气体及相应的酸，这些颗粒作为载体把这些物质送入肺内。他们对健康的危害可用计算空气质量指数AQI确定

AQI=(CO/50)+(NO/25)+(RCD/2)+

1.5[(SO2/3)+(RCD/2)]+

1.2[(NO2/3)+(RCD/2)]

其中，RCD为可呼吸的可燃粉尘(或柴油颗粒物质)，当AQI≤3时为可容许的指数范围。因此，无轨设备排放的尾气给井下环境和工人健康带来危害；其次，无轨设备的运行需要满足柴油发动机的耗气量的需求；第三，无轨设备的运行产生大量的热和粉尘，也对井下环境造成破坏。为此，井下通风设计必须考虑这几方面的因素，以某金矿为例，通过对井下作业地点有毒气体及颗粒物质的监测，并计算无轨设备需要的耗气量，提出大型无轨设备金属矿山通风优化方法。

1　矿山概况

贵州某金矿采用露天-地下联合开采，采用上向水平分层进路式充填采矿法开采，中间主斜坡道全无轨开拓方式、采用Boomer282型双臂电动液压凿岩台车配COP1838me型凿岩机钻孔，CATR2900G铲运机出矿，铲装的矿石卸入中段运输巷道的装卸矿硐室，经CATAD45B和WagnerMT-439矿用卡车运输至地表。采用Normet湿喷台车与混凝土罐车。

通风方式采用主斜坡道进风，东西回风井回风的中央对角式通风方式，井下采用连续通风工作制度。新鲜空气主要从安全井和斜坡道进入，通过局扇，由风筒经各中段运矿巷道(或分段巷道)、采场联络道分别送往各用风工作面，产生的污风经采场进路、采场联络道、各中段运矿巷道(或分段巷道)、东西回风巷道回风：西部污风经设于西回风井口的主扇风机排出地表，东部污风经设于东回风井口的主扇风机排出地表，见图1。

图1　某金矿通风系统

2　全矿总需风量计算

2.1按无轨设备计算

按无轨设备计算为

Qs=qsN/60，

(1)

式中，Qs为矿井排出柴油设备废气需风量，m3/s；qs为柴油设备单位功率风量指标，0.068 m3/(kW·s)；N为矿井内各种柴油设备按作业时间比例计算的功率总数，kW；

N=N1f1+N2f2+…+Nifi，

(2)

N1，N2，…，Ni均为各台柴油设备额定功率，kW；f1，f2，…，fi均为各台柴油设备工作时间系数，即设备在井下每小时作业的时间百分比，%。

地下柴油运行设备功率及全矿所需风量见表1。

表1　井下无轨运行设备功率及全矿所需风量Table 1　Power and ventilation volume required of underground trackless equipment running

2.2按工作面最小排尘风速计算

工作面最小排尘风速计算为

Qs=∑qei,

(3)

qei=SiVi,

(4)

式中，Qe为矿井排除各作业面粉尘等所需风量，m3/s；qei为各工作面排尘所需风量，m3/s；Si为各工作面的过风断面，m2；Vi为工作面排尘风速，m/s。

风量计算见表2。

表2　按工作面最小排尘风速计算风量Table 2　The ventilation volume according to minimum dust exhausting wind speed at working face

2.3按井下同时工作的最多人数计算

井下最大班同时工作人数为80人，供风量按每人5 m3/min计算，矿井所需风量为7 m3/s。

根据以上3种方法计算，需风量最大的为无轨设备，故取矿井总用风量为308 m3/s。

3　通风网络构筑与优化

3.1通风测量

3.1.1测量仪器

测量仪器见表3。

表3　矿井通风测定装置Table 3　Measuring device list of mine ventilation

3.1.2测量方法

表示矿井通风系统的基本参数有风量(Q)、风压(H)和风阻(R)，对通风系统要进行科学的改进，必须同时掌握这3个基本参数。通常可用机械式风表测量风量。用风表测量出测点所在断面的风速，然后与该断面面积相乘即可得出测点断面的风量。巷道断面上的各点风速是不同的，通常巷道断面中间部位风速最高，周边的风速最低。为了获得测风断面上的平均风速，通常可采用线路法，将风表在巷道内按一定线路均匀移动，通常巷道断面中间部位风速最高，周边的风速最低。如图2所示，巷道断面较小时采用图2(a)四线法，当巷道断面较大时采用图2(b)六线法。

图2　风表移动路线

根据测量人员站立姿势的不同可将测风方式分为迎面法和侧身法2种[4]。

(1)迎面法即测量人员面向风流，将风表置于正前方测风。由于采用这种姿势人体阻挡了风流，风速较实际偏低，风表的读数值偏小，计算实际风速应将测量值乘以k= 1.14的校正系数。

(2)侧身法是测量人员面向巷道壁站立，手持风表在巷道断面内作均匀移动。由于采用这种姿势减少了巷道通风面积，风速有所增大，所以也需要对风速测量值进行校正。校正系数k=(S-0.4)/S(S为测风点断面积)。

用机械式风表测风的步骤如下[5-6]：

(1)测量人员首先进入待测巷道中估测风速范围，选用相应量程的风表。注意选用的风表量程不能过高或过低，避免造成测量不准或风表损坏。

(2)将风表和秒表指针回零，将风表叶轮平面迎向风流，与风流方向保持垂直，在叶轮转动正常后，同时打开风表计数器和秒表，在60s时间内，按照图2所示路线匀速移动风表，然后同时关闭风表计数器和秒表，读取风表指针读数。有车辆或行人时，要等其通过后风流稳定时再测。

为保证测定准确，一般在同一地点要测2次，2次测量结果相差不得超过5%，并按以下步骤计算测点断面的平均风速v。

首先计算风表的表速：

式中，vB表为风表的表速，m/s；n1、n2为2次测量的表速，m/min。

然后，根据vB查所用风表的校正曲线，得真风速vZ。

最后求平均风速v，即所测断面的实际风速。

通过测风断面的风量则为

用激光测距仪测量巷道断面面积时，规则断面按相应的面积公式测定和计算。测量非规则断面时，先用钢卷尺测出巷道净宽度B，再把巷道净宽度等分成n等分，然后测量每个等分点的高度b，如图3所示，并按下式计算断面面积。

测定工作安排在1个工作班内完成，以免井下气候和生产条件变化带来的影响。根据测定线路，先测进风、回风，然后测分支巷道，再测作业面的风量。

其中，a为巷道阻力系数；L为通风距离，m；Q为风量，m3；S为巷道断面，m2。

3.1.3测量结果

测量结果见表4和表5。

图3　不规则巷道断面的测量

表4　西翼通风参数Table 4　Ventilation parameters of west wing

表5　东翼通风参数Table 5　Ventilation parameters of west wing

3.2通风网络构建

对于一个有数十、数百个节点的通风网路，用手工计算显然不仅工作量大，而且容易出错。采用Ventsim矿井通风仿真模拟软件建立直观的矿井三维通风系统模型，进行通风系统的计算分析。该软件可通过风流路径模拟、风网解算以及风机设置，实现通风系统的模拟控制、检测与优化设计。

3.3通风设施优化

3.3.1风筒

由于采用进路式充填采矿法，采场回采和掘进面通风相似，均采用局部通风。由于当前对旋式风机具有高效、 节能等优点，因此井下通风局扇采用了该类型的风机。风机安装在巷道顶板上，通过风筒将新鲜风流引到生产工作面。为了更少地减少阻力，风筒直径为1.2 m，材质为柔性帆布，接口为拉链式，同时在局部巷道转弯角较小的区域，采用了刚性风筒，降低通风阻力，如图4所示。

图4　刚性风筒

3.3.2局部风机

对于独头掘进的工作面，按巷道长度来配备局扇，巷道长度小于200 m时，配备1台DJK50-3型局扇进行压入式通风；当巷道长度大于200 m时，则采用2台局扇进行压抽混合式通风。局部通风的风筒与工作面的距离：压入式通风不得大于10 m；抽出式通风不得大于5 m；混合式通风时，压入风筒不得超过10 m，抽出风筒应滞后压入风筒5 m。按照采场进路断面20 m2、排尘风速0.5 m/s和30%的漏风系数，每个工作面的需风量为13 m3/s；新鲜风由局扇从沿脉巷道抽取，送风距离为200～400 m，根据生产、掘进计划，回采和掘进工作面为20～22个。由于送风距离长、需风量大、工作面多，按1台局扇供应2个工作面，采用φ1.2 m风筒送风，需要功率55 kW，型号DJK50-3局扇15台。

3.3.3通风构筑物

为了更好地管理风流，在各中段回风巷以及安全井联络道中安装调节风门，对各中段用风量进行控制。当中段回采结束后，应在适当位置设置挡风墙，阻断风流。如图5所示。

图5　通风构筑物

风窗及门的尺寸已确定，其他尺寸根据巷道实际尺寸进行调整。风窗、门的顶板需另加钢梁，风窗采用槽钢形式，木板可以放置于上下槽钢里开控制风窗面积，人行门必须是活动的来满足人员进出，门的方向是顺风自动关闭。砖墙采用水泥空心砖，砖墙厚度为水泥砖的长度，砖墙与巷道壁厚度为水泥砖的长度，砖墙与巷道壁衔接外需灌水泥浆，墙面进行抹灰，防止漏风。

通过风量实际测定，表明所测数据与模拟数据的误差在 10% 以内。图 6 所示为模拟风量与实测风量的比较，因此运用通风模拟软件 Ventsim 对于利用快速调节通风构筑物来优化通风参数、合理分配风量，与无轨设备灵活性想匹配，大大改善了井下通风环境。

图6　模拟风量与实测风量的比较

4　结　论

(1)柴油无轨设备排放的尾气包括有毒气体和颗粒物质，它们对人体健康的危害可用计算空气质量指数AQI衡量:AQI≤3时为可容许的指数范围。

(2)考虑矿山无轨设备运行的耗气量及人员工作环境，设计矿山坑下通风风量计算时按无轨柴油设备所需风量计算考虑了20%的漏风，按最小排尘风速计算时所采用的最小排尘风速为0.5 m/s，确定井下总风量。

(3)运用Ventsim 通风模拟软件对矿井通风进行模拟，根据工作面数量及无轨设备主要的工作地点，有针对性地调节井下各通风构筑物，并通过局扇直接对回采进路及掘进进路进行供风，可保证进风质量和工作面所需风量，达到更快而合理地分配风量，适应无轨设备灵活性的特点。

[1]王建，贾明涛，陈忠强.大型机械化水平分层充填采矿法在某金矿的应用[J].有色金属:矿山部分,2013,65(5):7-10. Wang Jian,JiaMingao,Chen Zhongqiang.Application of large mechanized horizontal cut-and-filling stoping method in a gold mine[J].Nonferrous Metal: Mine Section,2013,65(5):7-10.

[2]张毅力，刘成敏，王海宁.大型机械化矿山多盘区复杂角联通风系统改造[J].矿业研究与开发,2013，33(3)：74-76. Zhang Yili,Liu Chengmin,Wang Haining.Reformation of ventilation system with multi-panel complex diagonal network in large-scale mechanized mine[J].Mining Research and Development,2013，33(3)：74-76.

[3]陈开岩.矿井通风系统优化理论及应用[M].徐州:中国矿业大学出版社，2003:71-87. Chen Kaiyan.Optimization Theory of Ventilation System in Mining and Its Application[M].Xuzhou:China University of Ming and Technology Press,2003:71-87.

[4]王海宁，程哲.机械化盘区通风方法[J].中南大学学报:自然科学版，2012,43(12):4807-4811. Wang Haining,Cheng Zhe.Ventilation method of mechanized panel cutting[J].Journal of Central South University:Natural Science,2012,43(12):4807-4811.

[5]陈宜华，孙豁然.矿井多级机站通风系统优化设计方法的研究[J].金属矿山,2008(1):121-124. Chen Yihua,Sun Huoran.Research on optimization design method for mine multi-stage fan station ventilation system[J].Metal Mine,2008(1):121-124.

[6]吴国珉,鲍侠杰,金明.井下无风墙辅扇动压通风的分析及其应用[J].矿业研究与开发，2008,28(2):63-65. Wu Guomin,Bao Xiajie,Jin Ming.Analysis of dynamic pressure ventilation by auxiliary fan without ventilation wall in underground mine and its application[J].Mining Research and Development,2008,28(2):63-65.

[7]王海宁,牛忠育,吴彦军.矿用空气幕控制井下循环风流的应用研究[J]．矿业研究与开发，2010,30(1):84-87. Wang Haining,Niu Zhongyu,Wu Yanjun.Study of controlling circulated air flow by air curtain in underground mine[J].Mining Research and Development,2010,30(1):84-87.

[8]龚开福,唐小权.锦丰地下矿通风参数优化与风机节能分析[J].有色金属:矿山部分,2011,63(5)：32-35. Gong Kaifu,Tang Xiaoquan.Analysis of ventilation parameters optimization and fans energy conservation in Jinfeng Underground Mine[J].Nonferrous Metal:Ming Section,2011,63(5)：32-35.

[9]孙英.近十年我国金属矿山通风系统的技术改造[J].金属矿山,2008(1):121-124. Sun Ying.Technical transformation for ventilation system in china during the past ten years[J].Metal Mine,2008(1):121-124.

[10]胡杏保,侯大德,王湘桂,等.1996—2006年金属矿山通风系统建设及其进步[J].金属矿山,2007(7):1-6. Hu Xinbao,Hou Dade,Wang Xianggui,et al.Progress in ventilation system construction in metal mines during 1996—2006[J].Metal Mine,2007(7):1-6.

[11]黄光球,陆秋琴,郑彦全.存在固定风量分支的通风网络解算新方法[J].金属矿山,2004(10):52-54. Huang Guangqiu,Lu Qiuqin,Zheng Yanquan.A new optimization algorithm for ventilation network with fixed volume branches[J].Metal Mine,2004(10):52-54.

[12]王从陆,吴国珉,王根.风机并联运转效能分析及工况优化[J].金属矿山,2013(10):155-157. Wang Conglu,Wu Guomin,Wang Gen.Operating point optimization and effectiveness analysis of parallel fan[J].Metal Mine,2013(10):155-157.

[13]黄俊歆，王李管，熊书敏，等.矿井通风系统三维联通巷道建模算法及其应用[J].中南大学学报:自然科学版，2012，43(8):3173-3180. Huang Junxin,Wang Liguan,Xiong Shumin,et al.Modeling algorithm of mine ventilation 3D-interconnected airway and its application[J].Journal of Central South University: Natural Science，2012，43( 8):3173-3180.

(责任编辑徐志宏)

Optimization of Ventilation System in Large-scale Mechanized Metal Mine

Gong Kaifu1,2Li Xibing1Li Guoyuan2Shi Zenghui2
(1.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China；2.NFCAfricaMiningPlc.,Kitwe22592,Zambia；3.GuizhouJinfengMiningLtd.,Guiyang530002,China)

In order to improve the underground ventilation effect in the large-scale trackless mechanized mine,the air volume required by trackless equipment in running was analyzed.Compared with the minimum dusting air speed in working face,and the air volume as maximum personals working at the same time,the minimum underground air-supply volume was determined; Ventilation network graph for underground mine was constructed based on Vensim software,and the wind flow path,fan parameters and structures were dynamically adjusted to realize more air volume for more trackless equipment,so as to achieve the purpose of optimizing the mine ventilation system.The ventilation effect in a large-scale trackless mechanized mine in Guizhou showed that the trackless equipment needs most of air volume,which are considered as the minimum ventilation volume of underground mine; In combination with Vensim ventilation network diagram,the positions of the fan and the structures were determined,and the air door opening and fan speed were dynamically adjusted to optimize the wind flow path and air volume; The rigid duct can greatly reduce the ventilation resistance.The optimization from several aspects above can improve ventilation effect of the large mechanized underground metal mine.

Large-scale mechanized,Metal mine,Ventilation system,Optimization

2014-10-27

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号：2010CB732004)。

龚开福(1983—)，男，工程师。

TG142.71

A

1001-1250(2015)-01-122-06