高海拔特长斜坡道分段压抽通风系统及仿真

2021-02-27姚银佩蔡泽山李印洪

有色金属（矿山部分） 2021年1期

姚银佩，蔡泽山，杨鹏，李印洪

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院，长沙 410014；2.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室，长沙 410014；3.西部矿业锡铁山分公司，青海海西 816203)

近年来，由于无轨设备的发展和应用，斜坡道开拓成为大中型金属矿山最常用的开拓方式之一。斜坡道可作为无轨设备转移的通道，也是矿山人员、材料、矿石等运输的通道，同时也是矿井通风线路[1]。

随着矿山向深部开采的转移，斜坡道的距离越来越长，斜坡道的转弯和中段联巷开口也越来越多，斜坡道的通风网络复杂，通风阻力加大，通风不畅，致使无轨设备的油烟和运输产生的扬尘难以排除[2-4]，特别是在高海拔地区低压缺氧的状态下，斜坡道供风不足，无轨设备燃油燃烧不充分，产生大量一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)等有害气体，动力不足甚至熄火[5-7]。因此，高海拔地区特长斜坡道通风面临严峻的挑战，研究高海拔地区特长斜坡道通风的特点，探索高海拔地区特长斜坡道通风技术方案，对于改善深井开采斜坡道空气质量，保证斜坡道内作业人员身体健康和无轨运输设备正常运行具有重要意义。

基于此，本研究以锡铁山铅锌矿斜坡道为工程背景，通过对斜坡道通风现场调查和问题分析，提出并设计了分段压抽联合式通风技术方案，利用VENTSIM通风软件对斜坡道通风网络进行仿真模拟解算，验证了设计方案的可行性，为高海拔特长斜坡道通风提供依据。

1 锡铁山铅锌矿斜坡道通风

1.1 矿山概况

锡铁山铅锌矿位于青海省海西州大柴旦行委锡铁山镇，采用平硐+千米竖井/盲竖井+斜坡道联合开拓，分段空场嗣后充填采矿法开采，地处高海拔地区，主平硐口海拔3 055 m，斜坡道口海拔3 065 m。其中斜坡道为矿山设备、材料及人员进出的主要通道，同时需负担矿山部分矿石的运输。

1.2 斜坡道工程概况

1)斜坡道作为锡铁山铅锌矿井下最主要的运输通道之一，设计坡度约6°～12°，硐口标高3 065 m，标高每下降1 m，距离平均增加约10 m(含缓坡段)。由地表3 065 m斜坡道口至最深部2 222 m中段，斜坡道总长度近10 km；

2)斜坡道3 065～2 882 m断面：直道16.95 m2；2 882～2 322 m断面：弯道25.71 m2，直道21.17 m2；2 322～2 222 m断面：弯道15.75 m2，直道14.83 m2；

3)一般采用单车道形式布置，每隔200 m设一双车会车线或掉头线，每300 m设一缓坡段。单车道一般采用喷射混凝土120 mm支护，在局部岩石不稳地段采用喷锚或喷锚网联合支护，会车线地段采用整体混凝土300 mm厚支护，路面结构采用C30整体混凝土路面；

4)斜坡道运输采用7台235 kW 的25 t重型柴油卡车，运输量为50万t/a，其中，30万t/a运至2 742 m水平倒入2 702 m中段，经由盲竖井提出地表；20万t/a直接运出地表。

1.3 斜坡道通风现状与问题

斜坡道作为矿山主要的矿石、人员、材料的运输通道和通风线路，主要面临的通风问题有：

1)矿区采用多井进风多井回风的通风方式，其中，东风井、西风井及03线风井为回风井，斜坡道、千米竖井和盲竖井为进风井。但由于开采深度的延伸，生产难度加大和任务加重，通风系统未能及时跟进与调整，造成通风系统与生产实际不匹配，通风效果差，矿区机械通风系统对斜坡道的通风作用不明显；

2)矿山开采时间较长，目前开采深度为近1 000 m，斜坡道长度接近10 km，且与上部中段均相连，各中段连接斜坡道石门风向不稳定，并且各中段装矿环形均有通中段的溜井，导致风流串联、循环严重；

3)斜坡道通风线路长，弯道多，车辆运输频繁，致使通风阻力大，风流风向难以控制。困难时期会造成无轨柴油设备无法正常启动，导致运输中断，降低矿山整体的运输效率；

4)矿山海拔高，高差大，温差大，受自然风压影响较大[8]。根据现场实测8月份测定斜坡道3065硐口为回风，12月份测定为进风，也说明了自然风压对斜坡道风向影响较大；

5)风量小，风速低且风向不稳定，造成尾气及粉尘聚集严重，严重威胁作业人员的健康安全。根据现场检测柴油汽车通过时，空气CO含量超过25 mg/m3，严重超过了CO职业接触限值最高容许浓度15 mg/m3(海拔>3 000 m)的规定。

2 斜坡道通风系统

2.1 斜坡道通风方案

锡铁山铅锌矿斜坡道垂直深度为843 m，总长度超过8 km，与各中段均有联巷，是人员、材料、矿石的主要运输通道之一。由于斜坡道与联巷贯穿开口较多，风流难以控制，长距离通风，阻力较大，采用单独的抽出式通风，难以满足斜坡道通风需求，极易造成尾气和粉尘集聚，影响生产作业。所以，设计斜坡道通风方案为分段压抽联合通风方案[9-12]。

2.2 分段压抽联合斜坡道通风方案

考虑斜坡道与中段联巷贯穿时风流难以控制，在联巷处设置常闭风门，防止风流乱串。矿山地处高海拔地区，气压低，长距离通风阻力较大，采用压抽联合通风方式，设置三段式压抽联合通风，上部分段为压入式通风，中部分段为抽出式通风，通过2 882 m回风平巷排入03线风井，并在2 702 m中段把盲竖井进风作为新鲜风进入斜坡道，避免尾气和粉尘的集聚。深部分段为地表抽出式通风，深部斜坡道与03线风井距离较近，在各中段处直接与03线风井贯通，由地表主扇抽出地表，见图1。

1)上部分段(3 065～2 882 m)

为保证斜坡道正常进风，在该分段设置压入式风机。进风量按排除柴油烟需风量来计算。

(1)

式中：Qs—排除柴油设备油烟所需风量，m3/s；qs—柴油设备单位功率风量指标，3.5～4.0 m3/min，取4.0 m3/min；N—柴油设备按作业时间比例计算的功率总数，kW。

斜坡道运输采用7台235 kW 的重型柴油卡车，平均约5台车辆同时在井下运行，计算需风量为78.3 m3/s，因此设计进风量取80 m3/s。根据该段通风线路的通风阻力计算并进行高原参数修正后，该段线路的通风阻力为558.9 Pa。选择K40-8NO.22-110 kW风机，风机安装于4#车场，其特性曲线及工况点：风量81 m3/s，风压560 Pa，装机角度32°，效率80%，见图2。

2)中部分段(2 882～2 552 m)

主要由上部斜坡道进风，经由2 552～2 882 m措施风井抽至2 882 m中段，经2 882 m回风平巷进入03线风井。措施风井在8#、10#、12#、14#和16#车场与斜坡道贯穿，在贯穿联巷处设置调节风窗。盲竖井进风经2 702 m中段平巷进入斜坡道，补充新鲜风量。

综合考虑措施风井排风能力、盲竖井进风能力和中部抽出式风机对地表风机及03线风井深部通风能力的影响等，设计2 882 m风机排出风量为40 m3/s，盲竖井进风量为25 m3/s。计算该线路高原修正后通风阻力为1 062.98 Pa。选择K40-4NO.14-90 kW风机，其特性曲线及工况点：风量41 m3/s，风压1 100 Pa，装机角度32°，效率79%，见图3。

3)深部分段(2 552～2 222 m)

矿山深部斜坡道向东翼移动，与03线风井距离变近，在各中段通过施工斜坡道至03线风井的联巷，利用03线风井抽出地表。设计03线风井回风量为105 m3/s，该段线路高原修正后的通风阻力为1 156.73 Pa，选择DK40-6No.21-2×200 kW，其特性曲线及工况点：风量112 m3/s，风压1 500 Pa，装机角度35°/30°，效率为72%，见图4。

3 斜坡道通风系统仿真模拟

3.1 VENTSIM软件建模

VENTSIM三维通风仿真软件是一款先进的矿井通风系统模拟软件，利用风量平衡定律等原理，采用Hardy-Cross 迭代算法求解通风网络[13-15]。

高海拔特长斜坡道通风系统建模步骤：

1)将斜坡道及与斜坡道通风系统相通的矿山井巷CAD 图绘制为单线图，设置相应的高程，然后将单线图导入VENTSIM软件中，由单线生成实体井巷，形成三维实体模型；

2)设置斜坡道、竖井、天井、平巷等井巷的断面形状及尺寸、摩擦阻力系数等参数；

3)在井巷相应的位置设置风门、风窗、风墙等构筑物，并配置相应的参数；

4)预先配置高海拔地区降效后的风机特性曲线，在风井相应位置设置选型风机和安装方式。

5)模型初步建立后，进行风网调试与解算。软件会对模型进行检查与警告，按提示进行模型修正。

6)模型建成，运行解算完成。采用VENTSIM软件为锡铁山矿斜坡道通风系统建立的三维模型见图5。

3.2 模拟结果及分析

根据VENTSIM软件建立了斜坡道通风系统仿真模型，进行模拟解算，计算结果见：表1主要井巷的风量情况，表2主扇风机运转工况参数。

表1 主要井巷的风量表Table 1 Air volume of main shafts

从表1井巷风量模拟结果可以看出，斜坡道总进风为104.4 m3/s，其中斜坡道口进风77.1 m3/s，主平硐口进风27.3 m3/s，与设计值的相对误差分别为3.6%和9.2%；总回风为109.5 m3/s，与设计值的相对误差为4.3%；总进风与总回风相差5.1 m3/s。模拟结果与设计计算的误差均在有效范围内，总进回风量的差值反映了气压不同造成空气密度和体积的变化。从表2风机工况模拟结果可以看出，风机设计工况点与模拟工况点基本一致，说明风机匹配选型设计正确。