六苴铜矿高温深井进风提升供电路线优化

邹尤森，朱先春，朱荣成，朱怀昆,尹继贵,段永祥

(1.云南铜业集团技术中心矿山研究院，云南 昆明 650051；2.云南楚雄矿冶有限公司六苴铜矿，云南 大姚 675401；3.昆明冶金高等专科学校冶金与矿业学院，云南 昆明 650033)

0 引 言

矿山开采由浅部进入深部之后，随着开采深度增加、进风线路增长，井下气候和通风系统会出现以下问题：1)地温增高、空气自压缩散热增大，井下气温升高、 舒适度降低；通风系统的任务除了供新风、排粉尘、排炮烟之外，增加了排出各种热量，降低井下气温，改善高温环境的重任。2)风阻随之增大，通风电耗增加，主扇风量却随之减少。3)新风与进风井巷热交换面积和热交换时间随之增加，新风被井巷地热和空气自压缩热不断加热，气温逐渐上升，吸热和降温能力逐渐下降，导致深部即使增大风量，但是气温仍然较高。这些现象在六苴铜矿、郝家河铜矿等沿用上部斜井开拓方式来开采深部缓倾斜矿床，进风和回风线路比较长的大中型老矿山尤为突出。除了新风温度升高、风阻增大、风量减少、电耗增加、降温效能下降，深部气候环境变差之外，还会出现运输距离和供电线路增长、有效工作时间缩短、劳动生产率下降、运输成本和电路损耗增加、电压降增大、设备稳定性降低等问题。

为了解决六苴铜矿深部刀把矿段进风、提升与供电等问题，云南楚雄矿冶有限公司与昆明冶金高等专科学校合作，在国家自然科学基金项目和云南省应用基础研究计划项目研究成果指导下，以工作面为服务核心优化了开拓系统，新增了地表直达深部采区的3#竖井，缩短了进风、提升与供电线路长度，有效解决了上述问题,改善了深部高温、高湿状况，为高温深井安全开采创造了必要条件。现将优化方案及实施成效介绍如下，以供同行参考。

1 高温深井开采情况

1.1 资源概况与开采方案

六苴铜矿主要开采的六苴矿床是一个长达 6 000 m、形状犹如菜刀状的缓倾斜砂岩型中等厚度大中型铜矿床，上部像刀身，宽900～1 000 m，倾角21～23°，赋存高程1 940～1 720 m；下部像刀把，宽100～210 m，倾角21～63°，赋存高程1 720～-150 m，矿体平均铅垂厚度 10.9 m。楚雄矿冶有限公司从1976年开始，采用斜井开拓方式，有底柱分段空场法和房柱法2种方法采矿，将矿床分为刀身和刀把2个矿段，每个矿段又分为多个时期自上而下开采。目前刀身矿段和刀把矿段Ⅰ、Ⅱ期已采完，正在继续采用斜井开拓方式，自上而下逐步开采Ⅲ期矿体，建设Ⅳ、Ⅴ期开拓系统，设计产能50万t/a。3个区段可采矿石储量995万t，其中铜品位1.13%，金属量11.28万t;银品位 25.43 g/t，金属量 253.04 t(表1)。根据市场铜价3.8万元/t、银价316.4万元/t计算，潜在价值50.87亿元。

表1 刀把矿段Ⅲ—Ⅴ期资源与环境参数Tab.1 Resources and environmental parameters of the Ⅲ—Ⅴ phase of the blade handle section

1.2 开采深度与高温状况

矿区地表气候温和湿润，气温最低 -3.0 ℃，最高 31.4 ℃，年平均 15.3 ℃；相对湿度最低49%，最高84%，年平均70%。虽然地表气温不高，但是按照地表平均海拔 2 120 m 计算，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期开采高程1 500～550 m 中段的垂直深度已达620～1 570 m，根据实测的地温递增梯度 2.39 ℃/100 m，空气自压缩散热温升 0.47 ℃/100 m 计算，地温将从 30.9 ℃ 上升至 53.6 ℃，空气自压缩散热温升从 2.9 ℃ 上升至 7.4 ℃，涌水量从 4 300 m3/d 增加至 6 900 m3/d，预计不通风时最高气温将达33.8～61.0 ℃，最大湿度将达95%以上。各个区段地温、空气自压缩温升和涌水量如表1所示。

1.3 降温要求的风速和风量

由于采区深度大、地温高、空气自压缩散热多、涌水量大，测定得知风速需达到 1.0 m/s 左右，才能使Ⅲ、Ⅳ期平均气温降至 32.2 ℃，湿度降至64.6%，体感温度降至 26.5 ℃(舒适度下限)。按照降温要求的风速，以及50万t/a生产规模需风工作面数量、断面计算，降温需风量至少为 200 m3/s；如果再考虑内部漏风系数1.1、工作面分风不均衡系数1.1，则降温供风量至少为 245 m3/s。

2 进风提升供电线路存在问题

2.1 提升进风供电利用三级斜井搭接，线路比较长

刀把矿段利用上部现有的三级斜井搭接来提升、进风和供电，开拓系统结构如图1所示。第一级是刀身矿段 1 940～1 720 m 中段的1#、2#斜井和箕斗竖井；第二级是刀把矿段Ⅰ、Ⅱ期 1 745 m、1 720～1 500 m 中段的5#、6#、7#斜井；第三级是Ⅲ期 1 500～1 080 m 中段的8#、9#、10#斜井。人员从 1 940 m 平坑(步行)→2#斜井(乘车)→1 745 运输平巷(乘车)→5#斜井(乘车)→1 500 运输平巷(步行)→10#斜井(乘车)→1 080 m 运输道(步行)进入刀把Ⅲ、Ⅳ期，线路长达 5 450 m(如图1中部所示)。矿石从Ⅲ期8#、9#斜井→Ⅰ、Ⅱ期6#、7#斜井→1 720 m 运输平巷→刀身矿段箕斗竖井→地表选厂，线路长度 5 568 m。

图1 刀把矿段开拓系统结构及进风提升供电线路优化方案示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of the development system of the blade handle section and the routes optimization plan of power supply for air intake

2.2 人员材料需要多次转运，费时费力

从 1 940 m 平硐进入到 1 080 m 中段，线路长度达 5 450 m，作业人员需要经过步行3次、乘坐平巷人车1次、斜井人车3次，单边耗时 2 h，往返耗时 4 h，每班有效作业时间只剩下 4 h。材料运输则更加麻烦，需要多次装卸与转运，费时费力。

2.3 供电线路损耗大，容量不能满足深部要求

供电线路沿着矿石提升运输井巷铺设，如图1左侧所示。从地表选厂 110 kV 变电站→箕斗竖井→1 720 m 运输平巷→Ⅰ、Ⅱ期6#、7#斜井→Ⅲ期8#、9#斜井→1 080 m 中段变电室，架空线+电缆长度达 6 500 m。将来开采 1 080 水平以下的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ期时，不仅供电线路长度还要增长，线路损耗与电压降还要增大，而且供电系统容量较小，已经不能满足深部新增的提升、通风和排水设备功率要求，扩容降耗改造势在必行。

2.4 新风温升大，降温效能差

通风系统利用人行运输井巷作为进风道，如图1所示，地表新风从1#、2#、4#斜井和箕斗竖井→1 765 m、1 745 m、1 720 m 3条中段运输平巷→5#、6#斜井→8#、9#、10#斜井进入Ⅲ期各中段。经实测，新风从 1 940 m 坑口达到 1 080 m 中段时(垂直深度 1 040 m，地温 40.95 ℃、空气自压缩温升 4.91 ℃，不通风时最高气温可达 45.86 ℃)，在长达 5 450 m 的井巷地热及空气自压缩放热作用下，气温从 7.8 ℃ 逐渐上升至 32.0 ℃，温升幅度达到 24.2 ℃，冷风变成了热风，降温效能大幅度下降，加上有效风量率与风速合格率不高影响，采场气温高达33.0～37.0 ℃，如表2所示。

表2 新老进风提升线路长度及新风温升实测结果Tab.2 The measurement results of the air intake and the temperature rise of the fresh air before and after increasing the length of the power routes

2.5 进风阻力大、风量小、电耗高

开采上部 1 765～1 700 m 中段时，实测得总进风量 116.44 m3/s，总回风量 120.65 m3/s，风机电耗 114.5 kW。随着开采深度增加，进风、回风线路增长，通风阻力增大，风机风量减小，通风电耗增加。开采区域下降至Ⅲ期 1 500～1 080 m 中段之后，测得总进风量 103.76 m3/s，总回风量 113.73 m3/s。虽然风量减少不多，但是电耗增幅较大，布置在回风井巷当中接力抽出的五级机站18台风机实际电耗已经高达 889.5 kW，充分证明开采深度对通风阻力与电耗的影响非常大，如表3所示。

表3 优化前后风量与电耗测定结果Tab.3 Measurement results of air volume and power consumption before and after optimization

2.6 进风井巷断面较小，不能满足降温风量要求

各段进风井巷断面、《安全规程》允许的风速及风量如表4所示。从表4中可以看出,上部和深部进风井巷条数较多，中部较少，只有5#、6# 2条斜井以及与之串联的 1 765 m、1 745 m、1 720 m 3条中段运输道，因受断面和规定风速限制，最大允许进风量只有 149.84 m3/s，与降温要求的 245 m3/s 差距较大。

表4 进风井巷长度及允许风量Tab.4 Inlet shaft length and allowable air volume

3 进风提升供电线路优化方案

3.1 解决问题的总体思路

从以上分析可知，进风、提升和供电问题的根本原因，在于矿山40多年来一直沿用斜井开拓方式来开采缓倾斜大中型矿床，利用上部各个开采时期开拓的斜井，多级搭接起来作为深部的提升、运输、进风和供电通道。这样，随着开采深度加深，地温及空气自压缩散热增大，斜井长度越来越长，提升、运输、进风、供电线路长度也越来越长，必然出现新风温升增大、降温效能下降；提升耗时增长，工作时间缩短；电路容量不够，沿途损耗增大等问题。

因此，从开拓系统结构可以直观看出，解决这些问题的有效途径，是优化深部开拓方式：把原来线路较长的斜井开拓，优化为线路较短的竖井开拓，用最短的线路，将新风、人员和电力送入深部生产区域,这样才能从根本上解决问题。

3.2 开拓系统优化方案

按照上述思路，云南楚雄矿冶有限公司与昆明冶金高等专科学校在六苴矿床刀把—石门坎矿段通风系统总体规划以及各个时期分期构建方案优化研究及生产实践中，应用基金项目研究成果，以“以工作面为服务核心建立高效低耗通风系统理论方法”为指导，根据Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ期矿体赋存状况、开拓方案与地表地形，以及目前罐笼竖井最大提升深度，在各个期段斜井开拓系统基础上，在矿床东侧新增了一口提升、进风和供电共用，主要承担Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ期进风、供电和人员材料提升任务，从地表直达 1 080 m 中段的3#竖井(如图1右侧所示)。

新增的3#竖井井口标高 2 165 m，井底标高 1 050 m，井深 1 110 m，在 1 228 m、1 080 m 2个中段，设置2个与刀把Ⅲ、Ⅳ期相连的双向马头门，长度为 1 155 m。竖井断面布置形式如图2所示，净直径 5.5 m，净断面 23.75 m2，分为提升间、平衡锤间、电缆间、管子间和梯子间。这样，从竖井井口至 1 080 m 中段11#斜井的线路长度只有 2 235 m，可用较短的距离将新风、人员、材料和电力，从竖井井口直接就近送入Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期生产区域。整个优化改造工程总投资约1.5亿元，改造成本按照所服务的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期可采矿石量995万t计算，平均为15.1元/t。

图2 新增的3#竖井断面布置示意图Fig.2 Schematic diagram of the new 3 # shaft layout

3.3 提升系统优化方案

3#竖井提升系统采用单罐双层罐笼(尺寸为 4 000 mm× 1 450 mm)带平衡锤提升方式，JKMD—4×3.5(Ⅲ)E型落地式多绳摩擦轮提升机，一次可提65人或者4辆 1.2 m3固定式矿车。最大提升速度 10.13 m/s，最短提升时间 1.8 min，可为深部提供一条快速提升通道。根据新老提升系统功能和区位，建议将提升运输方案优化调整如下:

1)人员和小件材料提升任务主要由新增加的3#竖井承担。

2)原来的三级斜井人员材料提升系统作为备用，并负责少量大件材料的运输。

3)矿石提升运输系统线路、功能和任务不变。

3.3 供电系统优化方案

1)为了解决老供电系统容量与损耗、压降等问题，在3#竖井井口新建35 kV变电站，从竖井电缆间铺设双回路6 kV电缆直供 1 080 m 中段配电室，作为Ⅳ、Ⅴ期的主供电源。

2)老系统仍然作为上部提升系统的主供电源，并作为深部的备用保安电源。

3.4 进风系统优化方案

新增3#竖井之后，优化了进风系统结构，相当于在老系统基础上，新增了一条断面达 23.75 m2、长度只有 2 235 m 的优质进风线路，新风与井巷的热交换长度、面积和时间大幅度降低，可以明显减少进风系统的温升、阻力及电耗，增大进风量，改善深部通风降温效果。预计在回风系统五级机站主扇负压作用下，2路进风自然分配时，从3#竖井进入Ⅲ期的风量可达 60 m3/s 左右。为了充分发挥3#竖井的降温作用，建议Ⅳ、Ⅴ期开采时，进一步调整主扇位置及压力分布，降低老系统的进风量， 使3#竖井的优质进风量增大至 100 m3/s 以上。

4 优化方案实施效果测定分析

4.1 进风系统优化成效

1)3#竖井建成之后，68.4 m3/s 新风从竖井石门直接进入刀把Ⅲ期 1 228 m、Ⅳ期 1 080 m 中段，由于进风线路长度只有 2 235 m，气温从 11.0 ℃ 上升到 17.0 ℃，温升幅度只有 6.0 ℃，进风质量很好，有效地降低了这2个中段及附近区域的气温。这样，老系统 1 940 m 坑口到 1 080 m 中段的风流，气温从 10.5 ℃上升至 27.5 ℃，温升幅度只有 17.0 ℃，比原来 24.2 ℃降低了 7.2 ℃，降幅达29.8%。

2)新增3#竖井，减小了进风系统的阻力，总进风量从 103.76 m3/s 增加至 176.95 m3/s，增幅达70.54%。

3)进风温升幅度的降低，进风质量的提高，为改善深部高温状况创造了必要条件；进风量的增加，增强了通风系统的降温祛湿效能，为改善深部采场高温状况创造了充分条件。经实测，优化后采场气温从原来的33.0～37.0 ℃ 降至27.8～33.0 ℃，舒适度及作业条件显著改善，劳动生产率大幅提升。

4)增加了一个大断面的进风口，允许进风量从 149.8 m3/s增大至 328.9 m3/s，满足了降温风量对进风井巷断面的要求，为通风系统后续开展的增大风量扩能改造创造了基础条件。

5)从进风线路措施与温升、风阻、风量、电耗的关系可知，如果不优化改造进风系统，期风质和风阻不变，只是单纯地把进风量从 103.76 m3/s增加至 176.95 m3/s，不仅电耗将增加至 889.5 kW ×176.693/103.763= 4 392.3 kW，每年通风电费将达 1 827.64万元，而且仍然存在新风温升大，降温效果差等问题，通风系统将出现高耗低效状态。优化改造不仅有效地改善了新风质量，改善了深部高温状况，而且有力地减小了进风阻力，增大了进风量，降低了通风电耗；在风量从 103.76 m3/s 增加至 176.95 m3/s 的同时，电耗反而从 889.5 kW 降至 809.93 kW。按照365天连续运行，电价0.475元/kW·h计算，优化改造不但改善了进风质量，增加了 73.19 m3/s风量，而且每年直接节省通风降温电费33.1万元，间接节省通风降温电费 1 457.5 万元，为后期通风系统高效低耗经济运行奠定了基础。

4.2 提升系统优化成效

优化方案实施后，人员和材料从3#竖井井口到 1 080 m 中段只有 2 235 m，不仅长度比老系统缩短了 3 215 m，而且速度也比老系统快得多。下井人员只需要乘坐1次罐笼、步行 1 105 m，0.5 h 左右即可到达采区，比老系统缩短了 1.5 h，每班往返时间减少了 3.0 h，不仅将有效工作时间从 4 h 增加至 7 h，而且降低了体能消耗，提升了工作效率。

4.3 供电系统优化成效

从3#竖井井口新建的35 kV变电站，经竖井铺设6 kV电缆至 1 080 m 中段配电室的线路长度只有 2 550 m，比老线路缩短 3 950 m，长度、压降和损耗降低60.7%。并以此作为主供电源，老线路作为保安电源，不仅解决了Ⅳ、Ⅴ期提升、通风、排水设备扩容等问题，而且减少了线路损耗与压降，整个供电系统的可靠性、稳定性及经济性大幅度提高。

5 结论及建议

进风提升供电线路优化方案生产应用效果证明，虽然改造工程投资了1.5亿元(平均每吨矿石投资15.1元)，但是有效地解决了进风温升、提升耗时、电路损耗和井下高温等问题，技术经济指标全部达到了预期要求。新风温升幅度从 24.2 ℃ 降低至 17.0 ℃，进风量从 103.76 m3/s 增加至 176.95 m3/s，采场气温由原来的33.0～37.0 ℃ 降至27.8～33.0 ℃，通风电耗从 889.5 kW 降至 809.93 kW；人员单边转运时间由 2 h 缩短至 0.5 h，有效工作时间由 4 h 增加至 7 h，降低了体能消耗，提升了工作效率；新建的供电系统不仅满足了深部容量需求，而且长度、损耗及压降比老系统降低61.7%。优化工程的实施，为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期高温深井当中价值50.87亿元的995万t矿石安全开采创造了条件，给楚雄矿冶有限公司的可持续发展奠定了基础，取得了良好的社会效益、经济效益与投资效益。

从优化之前出现的问题可知，进风提升供电线路较长是导致深部新风温升较高、提升时间较长、电路损耗较大的主要原因；从优化之后两路新风到达 1 080 m 中段时气温相差 10.5 ℃，人员到达 1 080 m 中段的时间相差 3 h，新线路比老线路损耗下降60.7%可知，优化开拓系统、缩短线路长度是统筹解决高温深井通风、人行、运输、供电等问题的有效途径。

建议进一步调整风机位置及压力分布，让75%以上的优质新风从新增加的3#竖井直达深部高温高湿采区；改造扩建回风系统，将回风量增大至降温要求的 245 m3/s；优化采区分风调控方式，以中段为基础、以采场为服务核心建立单元化可控式通风系统，将采场有效风量率与风速合格率提高至80%以上，进一步改善工作面排尘、排烟、降温、祛湿效果，为深部开采创造更好的通风安全条件。

致谢：参加本项优化改造研究工作的还有张新普、李连鑫、吕富州、杨德学、杨光勇、张富国、李北林、李中彪、李瑞龙、单云山、郑云勇、刘忠强、赵卫平、余兴旺、张旺等工程技术人员，并得到楚雄矿冶有限公司生产部、设计院，以及六苴铜矿、昆明冶金高等专科学校冶金与矿业学院、科技处等有关部门的大力支持，在此一并致以衷心感谢。