石碌铁矿排水巷道风流控制问题的措施

范庆霞 范思远

(1.海南矿业股份有限公司，海南 昌江 572700；2.上海霍富汽车锁具有限公司，上海 200444)

0 引言

海南矿业石碌铁矿是我国重要的铁矿石原料基地，曾以亚洲第一富矿著称。解放后经过60年的露天开采现已转入地下开采。矿山地下开采采用竖井与斜坡道联合开拓、无底柱分段崩落法采矿。因露天矿坑汇水面积大、采场顶板采用碎石回填，在台风暴雨季节矿山顶板覆盖层透水快、井巷涌水量大，严重影响采矿生产。

2018年汛期，石碌矿区经历了四次较大的热带风暴过程，持续降雨时间长、降雨量大，给采矿生产带来了严重影响。第一次热带风暴持续十天，降雨量287mm；第二次持续十五天，降雨量341mm；第三次持续十六天，降雨量416mm；第四次持续七天，降雨量447mm。日最大排水量超过6万m3。

1 矿山排水系统现状及存在问题

1.1 排水系统现状

矿山井下排水系统为：大气降雨经人工回填的覆盖层通过采空区、裂隙构造、回采炮孔等路径渗透至采场，与井下涌水、生产用水汇合后，由采场通风泄水井汇入-105m进风巷道，经泄水小井流入-120m专用泄水巷道，再与-120m阶段运输水平水沟内水流汇合通过泄水井下泄到-360m，经沉淀后由水仓泵出地表。在-360m水平1#进风井附近设排水泵房一座，泵房内安装五台潜水泵、十台多级泵，向地表215m水平高位水池供水和84m泄洪平巷排水。

1.2 存在主要问题

采场共用进风、泄水井。当井下涌水量不大时，风流尚能按照设计的风流方向进入采场洗刷工作面。当井下涌水量较大时，风流随水流方向发生改变，导致新鲜风不能进入采场、增大了通风阻力；在运输水平，泄水小井将运输、通风水平连通，导致新鲜风流在小范围内循环，Ⅰ级机站有效风量率降低；在井底车场，泄水井风流随涌水量变化很大，导致车场内各井筒风量难以调节，出现副井反风现象，且在-120m井底车场常年有雾气产生。

2 泄水挡风方案对比

2.1 方案一：在排水巷道中设置泄水风门

泄水风门装置是一种装配式的不需要人为干预的自动风门，将其设置在泄水平巷内起泄水挡风的作用。泄水风门由砌筑钢筋混凝土或钢结构的矩形门框、矩形厚钢板和铰链及销轴构成，厚钢板安装在门框内并采用铰链及销轴相连接，在水(风)力作用下厚钢板可自由摆动，见图1。当矿井涌水量不大时，厚钢板在重力作用下处于下垂状态，起风墙作用；当矿井涌水量较大时，厚钢板在水力作用下被水顶开，起水闸作用，装置摆动角度随着涌水量的大小而变化。

图1 泄水风门示意图

2.2 方案二：在排水巷道中设置导流水仓

导流水仓是先在泄水巷道底板下开挖一段导流巷道，其断面满足矿井最大涌水量的需要，再将巷道上部密闭形成密闭挡墙，使水流从导流水仓通过，见图2。无论矿井涌水量大小，密闭墙始终淹没在导流水仓内，从而将泄水井与泄水巷道隔开，避免泄水井内产生风流对矿井通风的影响。导流密闭墙可采用钢筋混凝土结构或钢结构，在泄水巷道顶板、两帮安装锚杆与钢筋网或钢结构材料连接。

图2 导流水仓示意图

2.3 方案三：在排水巷道中设置泄水挡风墙

泄水挡风墙是由两垛半截墙组成的井巷泄水挡风设施，邻近泄水井的半截墙称前垛半截墙、远离泄水井的半截墙称后垛半截墙，见图3。前垛半截墙密闭泄水巷道上部，后垛半截墙密闭泄水巷道下部，在两垛半截墙的共同作用下起泄水、挡风、挡泥沙的作用。泄水挡风墙采用钢筋混凝土结构，在泄水巷道顶板、两帮、底板上安装锚杆与钢筋网连接，在后垛半截墙上留排沙孔和清理闸门。

图3 泄水挡风墙示意图

2.4 方案四：改变井巷连接方式

在井巷系统中利用“U形”管的原理，以一段“U形”巷道连接泄水井筒与泄水巷道，将泄水井筒底部布置在泄水巷道的下方，在连接段布置一段平巷和一段斜坡形成“U形”结构，见图4。当“U形”连接段储满水后，无论矿井涌水量大小，在泄水井筒与泄水巷道之间始终存在一垛水墙阻止风流通过，因而在泄水巷道内不会形成水雾。

图4 “U形”巷道示意图

2.5 四种泄水挡风方案对比

上述四种泄水挡风方案在技术上都是可行的，但各自在施工条件、工程量、挡风效果、泥沙清理等方面有所差别，在实际工程中需灵活应用。

泄水风门装置是一种装配式的自动风门，要求制作铰链、门框、风门的材料具有耐腐蚀或耐磨性能，施工简单、工程量小、泥沙随水流进入沉淀池、存在漏风问题。

导流水仓通过密闭挡墙将泄水巷道前后完全隔离，在流水状态下开挖导流巷道、浇灌密闭墙，施工难度较大，工程量大，密闭效果好。泥沙淤积后会缩小过水的断面且难以清理，不方便人员检查密闭挡墙内泄水巷道顶帮情况。

泄水挡风墙由两垛半截墙组成，前垛半截墙密闭泄水巷道上部，后垛半截墙密闭泄水巷道下部，施工方便、工程量小、密闭效果好，后垛半截墙具有挡沙作用且清理方便。

井巷连接以一段“U形”巷道连接泄水井筒与泄水巷道，在矿井建设过程中将泄水井适当加深，在泄水巷道底板以下施工一段巷道，当矿井涌水后“U形”巷道将始终保持储水，工程量大、密闭效果好。泥沙淤积后会缩小过水的断面且难以清理，不方便人员检查“U形”巷道段顶帮情况。

3 泄水挡风墙方案在此泄水巷道中应用举例

根据石碌铁矿开拓工程设计，矿山0m、-120m两个生产阶段的涌水均由泄水井下泻至-360m，并通过泄水平巷(断面为高3 000mm×宽3 000mm的三心拱巷道)、沉淀池进入水仓。受0m、-120m两个阶段涌水下泻的影响，在-360m泄水平巷形成了较大的风流和水雾并伴有巨大的响声，风量随涌水量变化，破坏了通风系统的稳定性和风量的合理分配。

矿山前期针对以上存在的问题，为了保持-360m泄水巷道与沉淀池之间的畅通、防止泄水影响矿井通风，在-120m泄水井口、-360m泄水巷道外的联络巷道内分别设置了两道风门，防止涌水下泻产生风流影响通风系统，以利于人员进出检查和清理沉淀池、水仓。平时风门处于常闭状态，但由于联络巷道内有水沟存在，在安装风门后风流还会进入到两道风门之间，因此风门开启依然很困难，且井底车场的雾气始终存在。

为了解决涌水下泻带来的风流大、水雾大、影响矿井通风的问题，2019年5月石碌铁矿按照方案三在-120m、-360m泄水巷道内分别设置了两垛厚度400mm钢筋混凝土结构的半截墙用于泄水挡风，见图5。-120m两垛半截墙相距约15m、-360m两垛半截墙相距约60m，前垛半截墙密闭泄水巷道上部、墙体下沿高度为1 200m(比历史最高水位线高出400～500mm)，后垛半截墙密闭泄水巷道下部、墙体上沿高度为1 300mm(略高于前垛半截墙的下沿)，在后垛半截墙上预留了两个φ200mm的排沙孔和清理闸门，在泄水巷道顶板、两帮、底板上安装锚杆分别与两垛半截墙内的钢筋网相连接，以防水力作用对墙体的影响。

图5 -360m井底车场平面布置图

实践证明，方案三在石碌铁矿井下-360m泄水井与沉淀池之间的应用已经历2019年多场台风暴雨的考验(井下最大日涌水量达9万m3)，挡风泄水效果良好。方案实施前，在-360m泄水井与沉淀池间设置了多道风门用于挡风，尽管如此，由于0m、-120m涌水下泻导致-360m风流紊乱，副井车场区域反风和雾气严重。方案实施后，将-120m泄水井口、-360m泄水井与沉淀池间的风门打开，涌水流过-360m泄水巷道、沉淀池区域无风流产生，消除了副井车场区域的雾气。

4 结语

矿井通风和排水是地下矿山生产建设的重要内容，保持矿井通风稳定和排水顺畅有利于保障矿山安全生产。从石碌铁矿井下生产实际情况出发，针对矿山井下涌水下泄到-360m带来的影响矿井通风的问题，提出了四种可行的泄水挡风方案并应用在阶段运输水平泄水巷道中，利用挡水墙蓄水将泄水巷道进行分隔，不仅解决了长期以来困扰矿山井底车场风流紊乱的问题，还起到了较好的沉淀作用。