均压通风防漏技术在金矿残矿回收中的应用

温军锁，严鹏，唐学义，宋士生

（1.中国黄金集团公司，北京100011；2.长春黄金研究院，长春130012）

均压通风防漏技术在金矿残矿回收中的应用

温军锁1，严鹏2，唐学义2，宋士生2

（1.中国黄金集团公司，北京100011；2.长春黄金研究院，长春130012）

近年来随着黄金价格上涨，过去采易弃难、采富弃贫形成的残余矿量已具备了较高的开采价值。由于大量采空区的存在以及井下采空区本身的复杂性，残矿回收的通风条件较差，存在着一定的通风安全和职业健康隐患。利用辅扇开放式均压通风技术可以在减少专用通风设施的情况下实现均压通风。经过研究以及实际应用，采用均压通风技术进行防漏取得明显效果，通风系统更安全可靠，扇风机运转效率更高，经济效果显著。

均压通风；防漏技术；复杂采空区

近几十年来，我国社会和经济的快速发展加速带动了矿产资源的需求。黄金矿山采用空场采矿法开采形成的大量地下采空区，正严重威胁着矿山的生产安全。同时，随着资源价格上涨，过去采易弃难、采富弃贫形成的残余矿量已具备了较高的开采价值。因此，残矿回收这项工作目前在黄金矿山非常普遍，尤其在一些资源危机型矿山，残矿回收的采矿量甚至占其总采矿量的一半以上。由于大量采空区的存在以及井下采空区本身的复杂性，残矿回收的通风条件变差，存在着一定的通风安全和职业健康隐患。中国黄金集团公司控股的某金矿，由于多年的地下开采，井下累计形成总体积约30万m3的采空区，这些采空区形态复杂，相互连通，对井下通风十分不利，残矿回收面临较大的通风安全隐患［1－2］。

1 矿井通风系统现状

某黄金矿山现采用混合式通风系统，新、老竖井大体位于矿体走向中央作为进风井，井下两翼回风，污风由东回风井排到地表；回风井设有扇风机房，安装一台75kW主扇做抽出式工作。该公司的采空区较为复杂，有多个残矿回采中段，同时较长的通风线路造成了漏风地点多的问题。目前首先要解决的问题是根据矿体开采情况和地质资源储量优化通风网路，在此基础上对防漏风技术进行研究，形成完整的新型通风系统［3－4］。

风量测量结果表明，漏风主要发生在通风系统西部采空区，西部进风通过采空区向总回风道漏风，西翼进风量15.8m3/s，但进入150m、120m、100 m中段用风段的风量共为11m3/s，100m中段几乎无风，有效风量率不足70%。

漏风的危害主要表现在以下几个方面：

1）进风向回风漏风，使采掘工作面，尤其是通风系统的边远作业面如100m中段的供风量减少，有效风量率降低，工作面空气质量下降，易发生炮烟中毒事故。

2）通风系统西部回风向进风漏风，造成污风串联，风流循环，风路紊乱，也会使工作面空气质量下降，发生通风安全事故。

3）漏风通道多与其它风路构成并联网路，使整个通风系统的风阻减少，主扇的工作风阻相应减少导致其运转效率降低，增加扇风机的无用功，使通风成本增加；扇风机效率分析说明，主扇效率不足60%。

4）漏风通道及其漏风的存在，改变了预设的通风系统及风路关系，造成通风调节和管理的困难。

5）更为严重的是，给在发生矿井灾害时的救灾风流控制带来不确定性，影响救灾时的通风效果。

矿井通风系统中发生漏风的必要条件如下：一是存在漏风通道；二是漏风通道两端存在风压差，缺少其中一个条件就不会发生漏风。因此，只要破坏这两个条件同时存在的状态就能避免漏风。具体做法是，或者堵塞漏风通道，或者消除漏风通道两端的风压差；如果减少漏风通道两端的风压差，即可收到减少漏风的效果［5］。

根据漏风风流的流动规律h＝R漏Q漏2，漏风风阻是漏风通道的固有特性，R漏与井巷的摩擦阻力系数有关，通过实际测量，该金矿通风系统中的漏风主要发生在采空区。该矿采空区分布范围大，形态复杂空间大，封堵难度大。为降低漏风率，可降低漏风巷道两端的压差，使漏风巷道进出口两端的通风压力达到平衡［6－8］。

2 均压通风技术

在矿山通风系统的任何区域，通风巷道两个节点的压力差及通风巷道的风阻决定通风量的大小，两个节点风压的相对大小决定风流的方向。若通过调节风压大小的方式尽量使通风巷道或者某个区域进出口的风压差减小，甚至为0，从而达到少漏风或者不漏风的目的，即为均压通风的基本原理［9］。

2.1 均压通风原则

在工程应用中，实施均压通风技术需要满足以下要求［10］：

1）为防止局扇发生循环风，需使局扇的风量小于全风量。

2）使上、下风道的绝对压力尽量提高，以降低压差。

2.2 均压通风方法

实现均压通风有多种方法。在实际工作中，根据漏风通道或区域的具体情况，可以相应地采用一种或几种方法。

1）风窗调节法

风窗调节法就是通过在要改变风压的分支上设置风窗，达到改变该分支风压的目的。将风窗安设在一条有风压作用的风路里，则该风路中原有的压力变化趋势将改变，风窗使前面风路中的风压增高，后面风路中的风压降低。开启面积计算方法如下：

式中：Q—工作面风量，m3/s；S回—回风巷断面面积，m2；hw—风门的阻力，Pa，即风门两侧压差。

2）风机调节法

通过在风路上安装辅扇来调节风压的方法即为风机调节法。一般有如下两种情况，有风墙的辅扇和无风墙的辅扇，若风压调节范围较小，一般采用后者，可利用辅扇出口一部分风流的动能转化为静压能，这种方法简单易行收效快。

风机调压性能是使风机前面的风压呈正压状态，后面的风压呈负压状态。如果将风机安设在一条有风压作用的风路内，则风机后面的相对压力较前面的增高，前面的压力则降低。

3）风机、风窗联合调节法

顾名思义，风机、风窗联合调节法就是将风机和风窗同时安设在需要调压的巷道中。根据风机调节法及风窗调节法各自的特点可知，若风机安设在风窗之后，则使相对压力降低；若风机安设在风窗之前，则使相对压力提高。

4）通风系统调节法

矿井通风系统往往具有复杂性，其和矿山的开拓系统与回采工艺紧密联系。为防止漏风而优化通风系统，根本原理是降低漏风通道两端的风压差。具体措施为调节风窗的面积的大小，改变或增减风门、风墙等通风构筑物的位置与数量，或者改善风路的布局等，以达到防止漏风调节风压的目的。

现以图1为例进行说明：

图1 角联通风网路示意图Fig.1 Diagonal ventilation network diagram

假设图1所示的角联通风网路中4节点的风压比2节点的风压高，且4节点属于采空区一侧，2节点属于工作面一侧，因此，漏风的风流方向为节点4至节点2。若均衡2节点与4节点的风压，可通过提高2节点风压或降低4节点风压两种方式。具体调节措施可在2、3节点之间安设2道调节风窗，或者在2、6节点安设局扇和风门，从而提高节点2处的风压。从而使2节点的风压高于4节点的风压，使漏风风流的方向改变为节点2至节点4，即改变了采空区风流的流动方向，达到均压通风的目的。

考虑到需要对采空区进行定期巡查，研究确定采用无风墙辅扇升压调节法实现均压通风，以减少采空区漏风［11］。

2.3 均压通风参数

无风墙辅扇升压调节法的作用是靠它的出口动压增压并引射风流。见图2。

图2 无风墙辅扇Fig.2 The auxiliary fan without wind wall

无风墙辅扇的有效风压是单位体积内辅扇出口动压除去能量损失后的能量，以ΔH表示。无风墙辅扇在巷道中所造成的有效风压按式（2）计算。

式中：Hv—辅扇出口的动压，Pa；S0—辅扇出口的断面，m2；S—安设辅扇巷道的断面，m2；K—试验系数，它与辅扇在巷道中的安装条件有关，K值变化于1.5～1.8，安装条件较好时取大值。

式中：ν0—辅扇出口的风速，m/s。

无风墙辅扇应用注意事项如下［12－13］：

1）为提高增压效果，可以用其有效风压与辅扇出口动压成正比的原理，在扇风机出口安设合适的引射器来提高出口的动压。

2）为减少能量损失，提高增压效果，可利用其有效风压与巷道断面面积成反比的原理，选择平直、断面面积较小的巷道安设辅扇，且最好将辅扇安设在巷道断面中心位置，使风流沿着巷道中心线流动。

3）若辅扇安装巷道的风阻较大，须防止辅扇附近出现循环风流。

辅扇调节法机动灵活、简单易行，并能降低矿井阻力，减少矿井漏风，增大矿井总风量。

因此，从理论上说，漏风通道的风压差h漏为零时即可杜绝漏风，无风墙辅扇在巷道中所造成的有效风压ΔH＝h漏就能抑制漏风。

3 均压通风应用方案

经估测，通风系统西侧进风段与回风道的压降之间的压差为102Pa，根据这个风压值，选择K40－4－NO.10（15kW）风机作为增压风机，安装在靠近330m中段西翼回风道起点的位置。

另外，由于原有主扇在高压低风量下运行，效率低，风机运转不稳定，井下工作面风量不足，影响安全生产，经过优化配置，改用两台K40－4－NO.12（37kW）风机作为主扇，两台风机串联作业，一台安装在回风井井口，另一台安装在靠近总回风道末端的位置。同时对通风构筑物，主要是密闭进行必要的调整。

3.1 均压通风系统模拟

采用Ventsim软件进行通风系统的仿真分析。Ventsim软件能够较好地模拟矿井通风网路，可方便建立矿井通风网路三维模型，具有良好的可视性，通过路径模拟、风网参数解算及风机设置，可模拟通风系统的运行效果与优化设计［14］，见图3。

模型解算结果与通风系统现状调查结论基本符合，系统的总风量不足23m3/s，100中段的风量不到1m3/s；尤其严重的是75kW的主扇低效率运行，高风压，低风量，主扇与通风系统不相匹配。

3.2 通风系统优化模型

图4为优化后的矿井通风系统。通过模型解算，总进风量由原来不足23m3/s增加到27m3/s，尤其是深部100m中段风量增加一倍，保证了系统中边远工作面的通风要求。在新系统中，所有扇风机均为高效运转，运转效率均达90%。

图3 Ventsim软件应用界面Fig.3 The application interface of Ventsim software

图4 通风系统优化模型Fig.4 The optimization model of ventilation system

原有通风系统可能存在采空区的多点漏风，漏风点不易准确了解。通过在系统西翼150m中段进风段与300m中段回风段之间虚增一条漏风通道，通道出口位于增压辅扇前方；由于有辅扇的作用，使得漏风通道两端的压差减少，从而实现减少漏风。经模型运算，虚设漏风通道的漏风量为0.6 m3/s，抑制漏风的效果十分显著。

4 结论

1）以均压通风技术抑制漏风为主要目的的通风系统优化方案，除增加了矿井总风量、有效抑制漏风、通风系统更为稳定、扇风机运转效率更高、通风安全更为可靠等技术效益之外，还具有明显的经济效益。

2）以扇风机运转效率90%为标准，原通风系统的75kW主扇应当以67.5kW功率做功，但其实际效率只有60%，即只有45kW功率做功，损失功率22.5kW。优化后的通风系统总装机容量89kW，与原系统相比增加14kW，增加的功耗比损失的功耗少8.5kW，一年节省的电费即可收回更新设备的投入。

3）实践证明，优化后的通风系统使得残矿回收过程中的通风条件变好，存在的一定的通风安全和职业健康隐患得到了极大改善。

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Application of pressure balance leakage protection technology in recovering remnant ore of gold mine

WEN Junsuo1，YAN Peng2，TANG Xueyi2，SONG Shisheng2
（1.China National Gold Group Co.，Ltd.，Beijing 100011，China；2.Changchun Gold Research Institute，Changchun 130012，China）

As the gold price rising in recent years，residual ore reserves formed by the blindly pursuing economic pattern of mining have become highly economically recoverable.But the mined－out area due to underground mining can be very complicated，and ventilation conditions during remnant ore mining become worse.Then there are potential safety risks in ventilation and occupational health.The technology of pressure equalizing open auxiliary fan can realize pressure equalization ventilation and decrease special ventilation facility.Due to research and practical application，adopting the technology of pressure equalizing open auxiliary fan to prevent loss of ventilation，the result has obtained obvious good effects.Ventilating system is more safety and reliable.Auxiliary fan is more efficient and the economic effect is remarkable.

pressure balance ventilation；leakage protection technology；complex cavity

TD725

Α

1671－4172（2015）02－0100－04

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.023

温军锁（1960－），男，工程师，采矿工程专业，主要从事采矿技术及生产管理工作。