高海拔矿井螺旋斜坡巷道施工通风技术

曾艳华 彭康夫

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；2.交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

高海拔地区矿井具有大气压力低、空气稀薄的气候特点。由于高海拔地区含氧量低，矿井施工人员的劳动能力会大幅下降，另外炸药产生的有害气体（CO、NO等）膨胀导致有害气体体积含量大幅增加。机械车辆的耗油量增加，产生的有害气体（CO、NO等）大幅增加，风机性能下降，使得矿井施工通风排烟的难度增加，通风效果降低，因此高原地区矿井施工通风技术急需解决。

目前，国内对于高海拔地区矿井施工通风的研究很少。汤守礼首次对高海拔矿山中压气机性能的变化进行了理论分析，提出了压气机在高海拔地区的性能计算公式，并对高海拔矿山中排除炮烟的风量计算、风阻计算提出了修正方法［1］；孙信义对压入式通风在高海拔矿井中的应用进行了探讨，对压入式通风改善高海拔矿井通风效果进行了初步研究，但并没有针对具体工程进行详细的设计［2］；尹玉鹏、辛高、魏诚、崔延红等对高海拔矿井中风机性能下降的问题，从理论上考虑了气压、空气密度的变化，提出了风量、风压、电动机功率参数修正计算模型［3］；唐志新、杨鹏、吕文生、潘贵豪等对高原矿井中O2浓度低对人体健康的影响进行了探讨，并对CO2和一些有毒有害气体的浓度标准进行研究，提出了在2 000 m以上的高原，应该设定最低O2浓度，并采取增氧通风措施［4］。

总结发现，国内高海拔地区矿井施工通风的研究主要偏重于通风设备及通风风量计算的参数修正、通风方式的探讨，对于高海拔地区矿井施工通风方案优化的研究较少，对高海拔地区矿井工作面CO浓度扩散进行通风网络计算和现场测试研究不够深入。本研究以黄龙沟3 390～3 220 m斜坡道工程为依托工程，对通风方案进行合理优化，并结合通风网络计算和实测数据研究高海拔地区矿井施工工作面CO浓度随时间变化的分布规律。

1 工程概况及矿井施工通风方式

黄龙沟矿属于高寒高海拔地区矿山，具有“三低一高”的特点，具体表现为：气温低，极端最低气温-30℃，每年冬期长达7个月；气压低：气压仅为平原地区的60%左右，矿井口气压为61 kPa；含氧量低：为海平面的60.83%左右；海拔高：海拔高程在3 200 m以上。

黄龙沟矿3 390 m至3 220 m斜坡道工程长为2 916 m，开挖断面为26.56 m2，采用钻爆法施工。该斜坡道施工前，3 650 m平巷、3 450 m平巷和3 220 m至3450 m间溜矿井已施工完成。3 390 m平巷洞口至斜坡道起始处长度大约为1 000 m，斜坡道围绕溜矿井采用螺旋环形下坡的形式与3 220 m水平巷贯通。斜坡道弯道共分为4段，其最大坡度为15.5%。黄龙沟矿3 390 m至3 220矿井巷道、3 635 m平巷、3 450 m平巷和3 220 m至3 450 m间溜矿井及示意图如图1所示。

2 通风方式选取

该矿高原地区的空气密度仅有平原地区的60%左右，由于抽出式通风是负压通风，矿井内部的大气压力小于外部环境，对于高海拔矿井，不仅不能改善矿井环境，还会使空气压力低、含氧量不足的问题进一步恶化。而压入式通风方式是正压通风，矿井内部的空气压力高于外部环境。矿井内部的大气压力增加，使空气密度增大，氧分压增加，单位体积内氧含量增加，从而改善矿井的生产环境［5］。因此，选用压入式通风方式。

3 高海拔矿井施工通风方案选取

3.1 开挖面需风量计算

矿井施工通风需风量由4个方面确定［6-7］，即按掘进工作面同时工作人数计算的需风量Q1、按工作面最小风速计算需风量Q2、按一次爆破排烟计算的需风量Q3、按冲淡柴油机械产生的废气计算的需风量Q4；经过上述计算后，取Q=max（Q1，Q2，Q3，Q4）为巷道掘进施工工作面的需风量。由于最小风速比较小（仅0.25 m/s），矿山巷道掘进工作面的需风量由人员需风量、一次爆破排烟计算的需风量和冲淡柴油机械产生的有害气体需风量的Q1、Q3、Q4确定。

由于黄龙沟矿海拔高、大气压力低、空气稀薄，需对需风量进行修正，定义海拔高度空气的密度比Kh，表示海拔高度为h时空气密度与平原（海拔为0 m）的空气密度之比。

不同地区的温度和气压随海拔变化的梯度有差异，所以根据都兰矿井位置，查询相邻气象站30 a气象资料，可以得到青海地区Kh与海拔高度h的经验公式，气象站信息如表1所示。

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对于高海拔黄龙沟矿，还需考虑大气压力低、空气稀薄的特点，对需风量Q3、Q4进行参数修正［8-9］。

3.1.1 按人员需风量计算

研究表明，在短期高原缺氧环境（数月），通气适应逐渐完成，人员在各海拔高度的质量通气相等［10］。但是由于不同海拔空气密度不同，高原施工时的人员需风量较平原大，表达式为：

式中，N为隧道内最多作业人数；Kh为海拔空气的密度比。

3.1.2 按一次爆破排烟计算

根据［10］苏联B H沃洛宁公式，一次爆破排烟的需风量Q3按下式计算：

式中，t为通风时间，s；A为同时爆破炸药量，kg；b为每公斤炸药产生的CO当量，取40 L/kg；S为隧道开挖断面积，m2；L为通风长度；P为风管始末端风量之比，百米漏风率取1.5%；C为工作面通风要求达到的CO浓度，mg/m3；Ca为坑道环境要求达到的CO浓度，mg/m3。

由于高海拔地区气压低，空气重率和密度降低，炸药爆炸时产生的炮烟体积会增加，产生的CO体积也相应地增加。因此，高海拔爆破排烟所需的需风量应进行修正。

根据理想气体的状态方程可得，在不考虑湿度变化对空气密度影响的情况下，高海拔空气的膨胀率可以近似考虑为Kh的倒数，则炸药在高海拔地区产生的有害气体为平原地区的1/Kh倍。

按文献［11］，海拔1 500 m～3 660 m的CO浓度30 min接触限制浓度81 mg/m3（换算成体积浓度为97.2×10-6），以此作为工作面通风要求达到的CO浓度，取20 mg/m3（换算成体积浓度为24×10-6）作为坑道环境要求达到的CO浓度，可计算出按一次爆破排烟的需风量。

3.1.2 按稀释柴油机械产生的废气计算

该矿井坑道施工采用无轨运输，洞内需风量应对内燃设备排放的尾气进行稀释。

目前该项需风量Q4计算一般均采用单位功率的需风量指标法，这种方法实质是在浓度稀释法经验总结的基础上所得到的扩大指标数据来进行计算的。

式中，N为内燃机械总功，kW；q为内燃机械单位功率供风量，取4 m3/（min·kW）；k为功率系数，取0.6；fh为内燃机车废气排放的高海拔修正系数。

由于柴油机车CO排放量随着海拔的升高而增加，规范［11］中规定CO海拔高度系数 fh计算如下（式中h为海拔高度）。

该线性回归公式适用于平原地区，在高海拔地区比实测值偏高。据研究和调研资料［12-13］，CO海拔高度系数 fh可优化为

式中，h为海拔高度。

作业区域范围同时作业的内燃设备有：挖掘机1台，功率为40.9 kW；侧翻式装载机1台，功率为92 kW；自卸汽车1台，功率为93 kW。作业面附近内燃机总功率为225.9 kW。

3.2 需风量及通风方案优化

3.2.1 原方案：压入式通风方案

该方案将工区分为2个，第一工区为洞口至连接巷1处斜坡道，第二工区为连接巷1处斜坡道至斜坡道末端；2个工区均采用独头压入式通风。

将该环形斜坡巷道分为2个工区。第一工区为3 390 m平巷洞口至连接巷1处斜坡道，施工长度为1 330 m；第二工区为连接巷1处斜坡道至环形斜坡道末端，施工长度为1 586 m。

通风时间取30 min，综合施工时一次爆破炸药量、坑道开挖断面面积、独头压入通风的长度和巷道内的内燃机功率计算施工通风需风量，并根据施工断面海拔高度修正需风量。计算得到原方案2工区的需风量如表2所示。

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根据表2，2工区的风机需风量均由有稀释爆破炮烟需风量控制，1工区为2 416 m3/min，2工区为3 056 m3/min。

独头压入式通风的管路通风阻力计算公式：

式中，l为巷道摩擦阻力系数；x为局部阻力系数；D为巷道的当量直径，m；ρ为空气密度，g/m3；Qf为风机风量，m3/min；Q为风筒出口风量，m3/min。

受施工限制，最大风筒直径取ϕ1 300 mm。由上式可求得工区1管路的通风阻力为3 269 Pa，工区2管路的通风阻力为7 794 Pa。在高海拔地区，风机性能随空气密度的减小而降低，工区2通风阻力如此高，选到合适的风机设备已很困难，需进行通风方案优化。

3.2.2 优化方案：巷道式排烟通风方案

斜坡道施工前，3 450 m至3 220 m溜矿井已经贯通，而3 390～3 220 m斜坡道绕该溜矿井螺旋下坡，斜坡道施工至里程K1+300后，可以利用溜矿井将污风排至3 450 m平巷。因此，第2工区的施工通风方案可以优化为“3 390 m平巷洞口进风，溜矿井3 450 m平巷排烟”的巷道式通风方案。该方案在K1+300 m、K2+231 m里程位置增设溜矿井与螺旋下坡斜坡道间的连接通道1和连接通道2，在3 390 m平巷内设射流风机，新鲜风从3 390 m洞口进入，在里程K1+300 m和K2+231 m前设风机将新鲜风流压入施工作业面，污风从掌子面流入连接通道，进入溜矿井，然后排至3 450 m平巷和3 635 m平巷排出。

该方案将施工通风分为3个分区，各工区的最大风管长度和最大需风量如表3所示。

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该方案缩短了独头压入通风长度，减小了漏风量，大大减小了斜坡道施工段的需风量及管路的通风阻力。同由于施工作业面和排烟平巷高程差60～330 m之间，自然风压对施工排烟起到了促进作用。

通过方案优化后，考虑高海拔地区风流密度降低，风机性能降低，选取1台DSF-Ⅲ型-No13.0（2×132 kW）轴流风机即能满足第一工区的通风要求。

优化后巷道式施工通风方案需在3 390 m平巷和螺旋斜坡道中各增设1台SDS63K-2P-7.5射流风机，用于克服2段隧道中风流的阻力，为第二工区和第三工区提供加强通风。

第一、二、三工区的具体通风方案及布置分别如图2、图3、图4所示。

4 优化方案的通风网络分析

通过上节的通风方案优化后，排烟通过溜矿井、3 450 m平巷和3 650 m平巷排出。为了考察2水平的排烟情况，采用通风网络对矿山巷道进行计算。计算中简化漏风影响，3 220 m平巷进风由工作面风量代替。

遵循风量平衡定律、风压平衡定律、通风阻力定律的条件下，建立巷道通风网络的数学模型，根据斯考德—亨斯雷法解算法［14］进行求解。

第二工区巷道内各处风量分配如图5所示。

由图5可知，第二工区巷道内风速可达到 1.23 m/s（修改图中风量达2 000 m3/min以上），满足最小风速要求。在自然风压的作用下，掌子面的污风经由溜矿井排至3 450 m平巷和3 635 m平巷，41.7%的风量由3 450 m平巷排出，58.3%风量由3 635 m平巷排出。第三工区巷道内各处风量如图6所示。

由图6可知，第三工区巷道内风速可达到 1.14 m/s，满足最小风速要求。掌子面的污风经由溜矿井排至3 450 m平巷和3 635 m平巷，受自然风压的影响，37.3%的风量由3 450平巷排出，62.7%风量由3 635 m平巷排出。

5 优化方案通风效果现场测试

为验证优化后通风方案的效果，展开了施工通风的现场测试。主要对巷道内风速、CO浓度规律变化进行现场测试［15-17］。

5.1 测试方案

风速采用机械式低速风速表进行测试，风速范围0.2～10 m/s。采用CO检测仪对不同位置处的CO进行测试。

第一工区通风效果测试，掌子面里程为K1+050 m，测试断面选择在距洞口K0+100 m、K0+300 m、K0+500 m、K0+600 m、K0+900 m处；第二工区通风效果测试，掌子面里程为K2+076 m时，测试断面选择在K0+300 m、K0+600 m、K0+1000 m、K1+500 m、K1+800 m处；

第三工区通风效果测试，掌子面里程为 K2+772 m时，测试断面选择在距洞口K0+500 m、K0+900 m、K1+600 m、K2+200 m、K2+2 500 m处在各断面处进行风速的测试。现场测试如图7、图8所示。

5.2 测试结果

5.2.1 巷道内风速

施工至不同地段时，风流稳定后测试巷道内5个断面的风速，经整理得到5个监控点的断面平均风速分布。施工至K1+050、K2+076、K2+772时监控断面的风速分别如表4、表5、表6所示。符号为“+”表示风流由外流向掌子面，符号为“-”表示风流由掌子面向外流。

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测试结果表明：测试各断面的风速并不相同，巷道内风速大于设计最低风速0.25 m/s，掌子面的风量也满足要求。测试中，理论上压入式通风方式中巷道各断面的风速应一致。造成巷道内各测试断面风速不等的原因主要有：一是由于风筒漏风；二是运渣车辆行驶，扰动监测点的风流。

5.2.2 巷道内CO浓度扩散分析

施工至K1+050时，选取断面K0+500处及K0+800处进行CO的测试，CO浓度扩散随时间变化的结果如图9所示。

施工至K2+076时，选取断面连接巷1#处及K1+800 m处进行CO的人工测试，CO浓度扩散随时间变化的结果如图10所示。

施工至K2+772时，选取断面连接巷2#点处及K2+500 m处进行CO的人工测试，CO浓度扩散随时间变化的结果如图11所示。

由图9可知，在现有压入式通风情况下，掌子面爆破后，断面K0+800 m处在通风13 min后，CO浓度降到最高允许浓度以下；断面K0+500 m处在通风18 min后，CO浓度降到最高允许浓度以下。这说明在平巷施工时，巷道内的CO能够在规定的时间内降到卫生标准以下，巷道内的通风效果很好。

由图10可知，断面K1+800 m处在通风13 min后，CO浓度降到卫生标准以下，说明掌子面附近的巷道在通风后CO浓度下降很快，空气质量很快变好；连接巷1#处在通风19 min后，CO浓度降到卫生标准以下，这表明施工至第二个弯道时，通风20 min左右后，斜坡内的CO都已经降到卫生标准以下。

由图11可知，断面K2+500 m处在通风13.5 min后，CO浓度降到卫生标准以下；连接巷2#点处在通风18.5 min后，CO浓度降到卫生标准以下。

从图9～图11可以看出，掌子面爆破之后，总体而言，CO浓度随着时间的变化规律比较明显，断面处CO浓度先呈线性快速增加，随后快速下降，经过一段时间后，下降速率变缓，由此可知，巷道内的CO主要表现“移动”和“扩散”2个特点，CO气团随着气流向洞口移动，因此断面处初始CO增加和初始下降时速率都很快；CO在移动过程中不断扩散，使巷道内的CO浓度全面升高，导致超过允许浓度的时间越来越长、范围越来越宽的现象，这就是“中间高、两边低”、“来得快、去得慢”的扩散分布。整体来看，爆破后，巷道内CO浓度很高，需要通风一段时间后才能作业施工。

6 结论

（1）受高海拔、施工长距离及风机性能下降的影响，黄龙沟3 390 m至3 220 m螺旋斜坡道施工采用独头压入式通风的管路阻力过大，已无法选到合适的施工通风风机。利用3 450 m平巷和3 220 m平巷间的溜矿井，采用巷道式通风，能缩短独头压入通风长度，减小漏风量，大大减小了斜坡道施工段的需风量及管路的通风阻力。

（2）针对高原进行需风量优化和通风方案优化后，本巷道施工通风需风量由稀释爆破排烟需风量确定，第一工区最大需风量为2 416 m3/min，第二工区最大需风量为2 310 m3/min，第三工区最大需风量为1 967 m3/min。采用直径为1 300 mm的风管，第一工区选用1台DSF-Ⅲ-No13.0型轴流风机（功率为2×132 kW），第二工区和第三工区均选用上述同型号风机和2台SDS63K-2P-7.5型射流风机即可满足通风要求。

（3）通过通风网络计算，通风方案优化后，第二工区巷道内风速可达到1.23 m/s，第三工区巷道内风速可达到1.14 m/s，均满足最小风速要求。在自然风压和风机风压共同作用下，污风顺利经由溜矿井排至3 450 m平巷和3 635 m平巷排出。

（4）现场测试结果表明，采用优化后的施工通风方案，隧道内的风速和工作面风量均能达到要求，且在20 min内，隧道内CO浓度能达到卫生标准要求。