铜绿山矿通风系统全局耦合优化研究

2018-05-10戴宏辉

采矿技术 2018年1期

戴宏辉

(大冶有色铜绿山矿，湖北大冶市 435101)

0 引言

地下矿产资源开发是发展和建设社会物质文明的关键和基础。而地下矿产资源开采过程中产生的有毒有害气体、粉尘等需及时排出地表，否则，不仅影响井下的安全生产，而且危害矿工的身体健康和生命安全[1]。随着矿产资源开采范围不断向下延伸和服务年限增长，矿井通风网络结构变动、线路增长、阻力增大、能耗严重、热害显现等问题日益突出，造成通风系统降低或失去预定功能[2]。因此，对金属矿矿井通风系统提出了越来越高的要求。

铜绿山铜铁矿是大冶有色金属公司的主力矿山和老矿山，设计采矿石量132万t/a。露天已采完Ⅰ、Ⅱ号矿体，地下开采Ⅲ、Ⅳ号矿体也相继进入残采阶段，目前重心逐渐移向深部的Ⅺ号新矿体开采[3-4]。因此，铜绿山矿的通风系统也异常复杂，几次移动风机安装位置。特别2010年以后，铜绿山铜铁矿深部工程正式建成投产，深部开采的通风系统与原来的通风系统必然存在相互影响，导致深部工作面通风更加困难，通风管理难度增加。为了解决采矿需风量和通风阻力增加与通风机能力的矛盾，改善工作面通风效果，有必要开展深部开采通风系统与现有上部通风系统整体优化的研究。

因此，开展铜绿山铜铁矿矿井通风系统全局耦合优化研究，对确保深部工程安全生产具有十分重要的现实意义。

1 通风系统概况

铜绿山矿采用中央主井、盲主井、混合井、副井，两翼风井开拓方式[5]。斜坡道辅助开拓，不通地表，在阶段运输巷道之间掘进一条起联络作用的斜坡道。开拓系统布局基本决定了通风系统为中央进风两翼抽风方式。采矿方法主要以分段空场嗣后充填采矿法和上向水平分层充填采矿法为主。

目前铜绿山矿井中老系统与混合井系统(Ⅺ号矿体)同时生产。老系统最低生产中段为-725 m，设计生产能力2500 t/d。-245～-365 m中段主要回收难采采场、顶底柱、零星矿体等；-425，-485 m采场布置全面铺开。-545，-605 m中段正在进行开拓。混合井系统为深部找矿重大成果，于2010年6月启动开拓工程基建，2014年10月投产，最低生产中段为-965 m，设计生产能力2000 t/d。-725，-665 m目前已形成多个采场。-785，-845 m中段正在进行开拓。

老系统采用中央进风、两翼抽风的通风方式[6]。进风井为矿体上盘的新主井、新副井和矿体下盘的管缆井。在-305 m以下深部主要由新主井、新副井和辅助斜坡道进风。南翼污风由-245 m中段南主扇经老主井抽出；北风井已延深至-425 m，北翼污风由-245，-365 m北主扇压入北风井排出，北风井与各中段联络巷由风门控制，减少循环风流。新鲜风流从新副井等流入，按通风构筑物调整后的通风阻力大小自然分配风量，分别经各中段石门、斜坡道、运输巷道、穿脉，然后进入采场，经采场天井至上或下中段穿脉、运输平巷；与该中段新鲜风流混合后，进入本中段采场，再经采场天井至上或下中段穿脉、运输平巷；如此逐中段上或下行通风至主回风中段平巷、回风石门和南、北回风井排出地表[5]。

混合井系统采用对角式通风方式，混合井进风，东回风井回风。生产前期在-605 m中段回风井附近布置了1台主通风机。

为了直观反映矿井井巷间的连接关系及风流路线，生成矿井通风系统可视化模型至关重要。Ventsim三维通风仿真系统具有良好的可视化效果，且兼容DXF 数据，用户可以快速利用现有设计数据进行三维通风系统建模，并可将模型直接输出到AutoCAD形成通风立体图[9]。因此，利用铜绿山矿中段平面图以及深部工程相关图纸、资料信息，运用Ventsim通风系统软件，构建了铜绿山矿井通风系统可视化模型，如图1所示。

图1 铜绿山矿井通风系统可视化模型

2 通风系统测定

在对铜绿山矿井通风系统进行调查的同时，对矿井通风系统中的一些关键通风参数进行了测定。测定的结果见表1。

表1 铜绿山矿井通风系统测定数据

目前，铜绿山矿矿井通风系统只有3台主扇，第一台安装在IV号矿体-245 m中段北回风石门中，型号为DK45-8-No.19，两段动轮可同时运行和分别运行；第二台安装在III号矿体-245 m中段回风石门硐室中，型号为DK45-8-No.19，两段动轮可同时运行和分别运行；第三台主扇安装在IV号矿体-365 m中段北回风石门中，型号为DK45-6-No.20，两段动轮可同时运行和分别运行。对矿井主扇工况的测定结果见表2。

表2 铜绿山矿通风系统主扇性能测定数据

3 通风系统评价及问题分析

从现场调查、分析和实践情况可知，铜绿山矿井通风系统是共用进风段而用风段、回风段又相对独立的中央进风两翼抽出式排风的对角式通风系统。矿井通风系统经过多次变动，系统复杂，通风线路长，通风效果欠佳。加上深部工程的推进，深部通风与原有通风系统存在相互牵制。同时由于主矿体周边的小矿体连续发现，导致局部通风线路长，断面小，阻力大，调控设施多，且没有形成有效的通风回路。具体问题分列如下：

(1) 多中段同时作业和混联通风方式，形成并联通风结构，虽在风流质量符合要求的情况下，总风量和作业面风量相对较大，但用风段漏风和污风串联严重，各采场风量分布不均，风流短路现象严重(管缆井本来是上部通风系统的进风井，调查中发现管缆井风流方向反向)，不善的通风构筑物管理影响大，上游作业产尘对后续用风点风流质量影响极大，特别是爆破作业和反风情况下，经常出现风流污染物超标状态，作业人员工作环境差。

(2) 各中段风量没有合理分配。由于采用集中进风，分区回风，各用风区段阻力不一致，导致实际需风量和分配的风量不一致。

(3) 主扇风机动力方向紊乱，风机效率低。一方面，风流短路形成循环风流，导致风机在大风量区域运行。另一方面，如北风井兼做提升井，人行频繁，关闭风门不利于作业，导致风门常开，-305 m中段出现污风回流的局面。

(4) 各中段风量调节难度大。各中段的风量调节，以风门为主，此调节方法是一种增阻的调节方法，调节范围有限，并以牺牲有效总风量为代价。

(5) 井下通风构筑物较多，但通风管理不到位。调查发现风门是控制铜绿山矿井通风系统风流方向和防止风流短路的关键措施，通风管理不到位导致风门处于错误的状态。

(6) 局部巷道垮塌严重。由于巷道垮塌，-305 m中段倒段南风井无法到达。巷道垮塌对风流控制带来一定的难度。

(7) 北风井是全矿井污风的主要排放口之一，但由于周边小矿体的开采，该井同时用作废石提升井，井内安装的罐笼导致风流阻力急剧增大，有效风量减少。

(8) 北部区域多风机并联作业，整个矿区的风量增加有限；而南部在-245 m中段只布置一个风机。

(9) 主扇机站处于主回风段，值班人员长期处于污风中，有害身体健康。

4 全局优化方案

针对铜绿山矿分期建设和浅深部同时回采的现状，若采用统一通风的方式，无法有效对用风点的风量进行调节，导致南翼通风困难。采用分区通风的客观条件不成熟。从开拓工程布局来看，整个进风井筒布置在矿体中部，北风机和回风井布置在矿体的两侧，这决定了铜绿山通风系统宏观构建的大格局。依据用风部分通风网络结构和采掘规划布局，以工作面为服务核心，将用风部分复杂的通风网路，划分建设成若干个相互独立、适应生产工作面变化的通风单元，用风部分网路结构复杂、又经常随生产变化而导致分风调控。因此，选择单元通风方式作为铜绿山矿井通风系统优化的宏观构建方案。提出全局通风布局方案列表进行比较，见表3。

表3 铜绿山全矿通风布局方案比较

从表3可看出，考虑改善通风效果和提高井下大气环境等因素，方案3最优。因此，铜绿山矿井通风系统全局布局方案采用方案3。配套的机械通风动力分为三级：一级风机为-245 m南、-245 m北主扇、-365 m北主扇，-365 m东主扇(从东风井回风)，-605 m主扇。二级风机为各需要增大风量的中段中设置的不带风墙集污辅扇，三级风机为作业面的壁扇、局扇。根据铜绿山实际生产情况，可将通风系统分为北翼单元(IV号矿体)、南翼单元(Ⅲ号矿体)、深部单元(Ⅺ号矿体)。并对各单元通风需配套生产进一步优化。

4.1 北翼单元(IV号矿体)通风优化

北翼单元是目前矿山主开采的IV号矿体，生产中段主要有-425 m中段和-365 m中段，-305 m中段回采底柱，-245 m中段和-155 m中段进行残采和周边小矿体的开采。主要采矿方法为水平分层充填法和分段空场嗣后充填法，采场数量相对较多。根据需风量计算发现目前此单元的通风能力是满足生产需求的，这是由于近些年，铜绿山矿将IV号矿体作为主开采矿体，因此通风系统配备也偏向于北翼单元。因此，通风优化工作只需在通风线路各关键位置加风门等有效构筑物，这里不再做详细赘述。

4.2 南翼单元(Ⅲ号矿体)通风优化

根据生产需求，南翼将从-185 m中段到-845 m中段均有回采作业或开拓作业，12个主要中段需要通风，还有深部溜破、提升系统需要通风，整个通风系统将相当复杂。

按各期开采设计及通风研究结果，分-605 m以上(南翼)和-605 m以下(南翼深部)两个单元来进行通风系统方案设计，-605 m以上又分-605，-545 m中段投产前后二个阶段来布置通风方案。第二阶段只提方案，待需要使用前再作通风设计。

4.2.1 第一阶段

在-245 m中段南沿利用现有主风机不变；在-365 m中段新增一台主扇向东回风井排风；-425 m到-365 m中段间倒段通风井直径达到3 m，在-425 m中段倒段通风井前增加一台辅扇，无风墙增压通风。此时-365 m中段采场下行通风，按有分段平巷区域采场的采矿方法，需要分段平巷南端掘进一个回风井，便于采场污风下行到-365 m中段主回风巷。在-245 m中段和-365 m中段进风段设置风门，防止风流短路，形成漏风。见图2。

图2 第一阶段南翼单元通风

4.2.2 第二阶段

在-245 m中段南沿利用现有主风机不变；由于东回风井通风能力限制，不能有3台主扇同时向其排风，第一阶段-365 m主扇撤到-485 m中段，在-485 m中段向东回风井排风；-305 m到-365 m中段间倒段通风井直径达到3 m，在-365 m中段倒段通风井前增加一台辅扇，无风墙增压通风，此辅扇由第一阶段-425m中段辅扇转移至此。-545 m中段采场上行通风到-485 m主扇，-605 m中段下行通风到-605 m主扇。此时-485, -605 m中段采场下行通风，按有分段平巷区域采场的采矿方法，需要分段平巷南端掘进一个回风井，便于采场污风下行到-485，-605 m中段主回风巷。在-245， -305， -485 m中段进风段设置风门，防止风流短路，形成漏风。在-545，-605 m中段近回风段设置调节风门，控制通过风量。见图3。

4.3 深部单元(Ⅺ号矿体)通风优化

铜绿山矿Ⅺ号矿体开采工程主要开采-605中段以下矿体。根据设计先回采-725，-665 m中段，同时开拓-785，-845 m中段，再开拓回采-905，-965 m中段。将-785，-845 m中段投产前后分为第一阶段和第二阶段。

图3 第二阶段南翼单元通风

4.3.1 第一阶段深部通风方案

第一阶段为-605 m两个中段回采，-845 m两个中段开拓，需风重点为-605 m两个中段。上部通风整改未结束时兼顾-485 m中段南回采，也是通风重点，即有3个重点需风中段。

从混合井进风，主要经-725 m中段运输平巷、斜坡道、分段平巷到达各采场、掘进工作面，污风经采场充填天井到上中段回风巷，经倒段回风井到-605中段的风机，污风从东回风井排出地表。溜破系统及混合井下部各水平通风，由混合井进风，经破碎硐室、皮带道和粉矿回收巷分别到达电梯井、专用回风井巷，污风经-605中段风机，从东回风井排出。在-605 m中段混合井车场附近设置风门，防止风流短路，形成系统漏风；在-665 m中段混合井车场附近、-725 m中段回风段及-605 m中段6穿前设置调节风门，在-605 m中段专用回风巷设置调节风窗，控制通过风量。见图4。

4.3.2 第二阶段深部通风方案

第二阶段为-605 m两个中段回采基本结束，-845 m两个中段投产，需风重点转入-845 m两个中段。此时-605 m中段回采仍未结束，也是通风重点，即有3个重点需风中段。

从混合井进风，主要经-725 m中段运输平巷、斜坡道、分段平巷到达各采场、掘进工作面，污风经采场充填天井到上中段回风巷，经倒段回风井到-605 m中段的风机，污风从回风井排出地表。

同时兼顾-605 m中段南回采，由新副井进风-545 m中段进风，此时-605 m中段采场下行通风，按有分段平巷区域采场的采矿方法，需要分段平巷南端各掘进一个回风井，便于采场污风下行到-605 m中段主回风巷，经-605 m中段的风机，污风从东回风井排出地表。

溜破系统及混合井下部各水平通风，由混合井进风，经破碎硐室、皮带道和粉矿回收巷分别到达电梯井、专用回风井巷，污风经-605 m中段风机，从东回风井排出。

在-605 m中段混合井车场附近设置风门，防止风流短路；在-725 m中段混合井车场附近、-785 m中段混合井车场附近、-665 m中段回风段、-845 m中段回风段及-605 m中段6穿前设置调节风门，在-605 m中段专用回风巷设置调节风窗，控制通过风量。

5 优化方案网络解算

根据优化后的铜绿山矿井通风系统数学模型，并进行网络解算，得到网络解算数据。由于解算数据量大，本文只给出主要风路的网络解算数据，见表4。从表4可知，每个井筒和中段的需风量，风机型号和工况，为现场施工提供了设计依据。

6 结论

(1) 对铜绿山矿井通风系统进行了详细的调查，并对通风系统主要风路参数和主扇工况进行了测定；并深入分析了目前铜绿山矿井通风中存在的问题。

(2) 在铜绿山各中段平面图以及深部工程的相关图纸、资料信息的基础上，利用Ventsim通风系统软件，构建了铜绿山矿井通风系统可视化模型；并结合实测输入各风路的参数和环境参数，为矿井通风系统优化提供了直观和有效依据。

(3) 提出了多种通风系统全局优化方案，确定铜绿山矿井通风系统最优方式为单元独立通风方式；并配套三级通风动力：一级风机为-245 m南、-245 m北主扇、-365北主扇，-365 m东主扇(从东风井回风)，-605 m主扇。二级风机为各需要增大风量的中段中设置的不带风墙集污辅扇，三级风机为作业面的壁扇、局扇。

(4) 针对铜绿山3个通风单元，从系统多因子多单元相互影响和牵制的分析角度出发，耦合优化了各通风单元的通风方案；并在确定最终优化方案后，进行了通风系统网络解算，给出了具体各风路的需风量、风机型号和工况，为现场施工提供了数据依据和指导。