石湖金矿井下长距离局部通风研究

李印洪，耿小飞，李亚俊

（1.湖南有色冶金劳动保护研究院有限责任公司，湖南 长沙 410014；2.中国黄金集团石湖矿业有限公司，河北 石家庄 050504；3.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014）

矿井局部通风是矿山井下通风系统的重要组成部分。在井下新鲜风流不能到达或不能完全到达，同时不方便施工通风构筑物的生产作业区域，需要采用局部通风技术将井下新鲜风流按照需求的风量分配并进行输送。也就是说，广义的局部通风是对井下通风系统主风流进行二次分配，用来解决风网中断路部分（独头掘进）、风网中风压平衡风流静止部分（部分角联网络）、风量不足（网络不畅）的通风问题。局部通风包括风流的组织、局部通风设备（局部风机、引射器等）选择、局部通风材料（风筒、接头等）选择、局部通风构筑物（如风库等）的设置等多个方面。可以这么认为，局部通风系统已经成为矿山井下生产不可或缺的一个部分，是井下通风技术的一个发展方向。在局部通风技术中，较为困难的就是长距离局部通风，存在局部通风线路长、阻力大、局部通风设备使用多的特点。石湖金矿101采区400 m中段联络道的掘进距离600 m，局部通风困难时期，局部通风控制长度为1 140 m，就属于这样一个工程实例。

1 工程概况

中国黄金集团石湖矿业有限公司（以下简称石湖公司）位于石家庄市灵寿县西北部山区，行政隶属陈庄镇所辖。矿区地理坐标为：东经：114°03′15″～114°04′21″，北纬：38°38′04″～38°40′19″。矿区距灵寿县城65 km，距石家庄市96 km，207国道从矿区南部通过，区内有运矿公路与之相通。

石湖公司现下辖有101、116两个矿区，根据生产地质勘察，101北翼发现分支矿脉及数条盲矿脉，这样101采区与116采区的距离较之前的约2 km拉近到600 m，为优化生产作业环境，该公司决定，在400 m中段掘进101采区与116采区联络运输平巷，作为探矿及行人材料运输使用，根据围岩的稳固性，巷道断面设计为三心拱形，掘进断面2.1 m×2.3 m。

巷道掘进采用风动7655型凿岩机，硝铵、乳胶炸药爆破，装岩机出渣，电机车牵引矿车运输，废石倒入101采区400 m 中段采空区。具体如图1所示。

图1 联络平巷相对位置图

2 长距离独头掘进通风方案

2.1 风流组织

鉴于101采区有采空区便于处理平巷掘进废石，且101采区提升运输系统能力稍大一点，故而400 m中段联络平巷的施工方案为，自101采区400 m中段20＃勘探线往116采区54＃勘探线掘进。因此，联络平巷掘进局部通风需要利用101采区通风系统组织风流。101采区通风系统北回风井位于0＃勘探线，距离联络平巷掘进当头580 m，这580 m的沿脉运输平巷的除了联络平巷施工人员出入，还是101矿区北部探矿工程施工人员及材料进出的重要通道，不适宜作为掘进平巷的污风通道。按照《采矿手册》（非煤矿山）推荐，压入式局部通风适用于短距离的平巷掘进，而抽出式局部通风适用于长距离的平巷掘进［1］，原因就在于抽出式局部通风的风流组织中，污风经由风筒送至专用回风通道，能最大范围地控制污风污染范围，对安全生产最为有利。但是抽出式局部通风风机距离掘进当头近（根据断面计算不大于5 m）［2］，压入式局部通风由于具有风筒出风口距离掘进当头远（根据断面计算不大于10 m），故压入式局部通风对风筒、风机保护强于抽出式局部通风。且抽出式局部通风在生产组织中，需要随着掘进作业面的推进不断移动局扇（每个爆破循环移动一次），影响作业面掘进速度［3，4］。故技术人员经过讨论，最终决定101采区联络平巷施工的局部通风采用压抽混合式，新鲜风流由101采区400 m北部沿脉运输道进入，经作业面压入式风机送至联络道掘进作业面，污风由抽出式局扇经风筒送人101采区400 m中段北回风井，如图2所示。

图2 风流组织示意图

根据现场实测，北风井风墙处距离工程最远的距离为1 140 m。

2.2 局部通风设备选择

2.2.1 风量计算

1.按排出炮烟计算风量，根据：

式中：Qmp为压入式工作的局扇风量／m3·s－1；t为通风时间，取900 s；A为一次爆破的炸药消耗量，取20 kg；S为独巷掘进断面积，取4.83 m2；Lw为抽出式风口到工作面的距离，取30 m，故：

2.按排尘风速计算风量，根据：

式中：Qmp为压入式工作的局扇风量／m3·s－1；U为排尘风速，取0.25 m／s；S同前，故：

两者比较，选择大值，即掘进作业面所需风量为1.21m3／s。

3.局扇风量，压抽混合式的局扇风量，抽出式风机风量按压入式风机风量的1.2～1.25倍选取，长距离通风时，还需考虑风筒漏风系数。即风机风量：

按照标准，风筒漏风率的标准为L＝（1 000～2 000）m时，漏风率φ≤2%，代入公式可得Φ＝1.25。

在进行局扇选择时，抽出式工作的局扇风量按上述不同方法计算的风量，同时参照输送距离1 140 m，选取1.25的风机风量，选取大值作为抽出式的供（入）风量，即抽出式风机风量为1.89 m3／s；压入式送风量为1.21 m3／s。

2.2.2 阻力计算

1.抽出式风机阻力计算。因巷道设计的掘进断面为2.1 m×2.3 m，按照巷道掘进使用风筒的习惯选取400 mm规格的风筒，风筒内风速为11.54 m／s。阻力计算公式为：

式中：H为局部通风阻力／Pa，主要为风筒内的沿程阻力及出口动压损失总和；H1为沿程阻力（包括摩擦阻力及弯头等的局部阻力）／Pa，摩擦阻力为6 948.98 Pa，局部阻力为1 737.25 Pa，合计为8 686.23 Pa；H2为动压损失／Pa，按照风速11.54 m／s，动压损失为83.23 Pa。

经计算，平巷掘进施工后期，即局部通风距离最长阻力最大时，抽出式风机需担负的阻力为8 769.46 Pa。

2.压入式风机阻力。压入式风机主要负责往作业面送风，随作业面的延伸不断前移，故阻力计算考虑送风距离为40 m时，风筒沿程产生的阻力，由公式计算可知，阻力为304.78 Pa，出口动压为50.76 Pa，合计为355.54 Pa。

2.2.3 局部通风设备选择

1.压入式风机选择，根据计算，压入式风机所需风量为1.21 m3／s，全压为355.54 Pa，根据手册，可以选取JK58－1NO3（1.5 kW）型矿用局扇，局扇参数为：风量0.9～1.4 m3／s，全压575～928 Pa，在风筒直径为300 mm时，最大送风距离80 m，重量51 kg，局扇的工况点如图3所示。

图3 压入式风机工况图

2.抽出式风机选择，根据计算，最困难时期，局部通风抽出式风机所需风量为1.89 m3／s，全压为8 769.46 Pa，在这个阻力下，难以选择单一矿用局扇，且一直利用一台风机服务整个平巷掘进周期，功率大运行成本高，为充分利用矿设备库中的备用局扇，按照300 m的间隔计算，每台风机担负的阻力为2 369.08 Pa，选取JK58－2NO4（11 kW）型矿用局扇，风机参数为：风量2.2～3.5 m3／s，全压1 811～2 923 Pa，在风筒直径为400 mm时，最大送风距离400 m，重量130 kg，局扇的工况点如图4所示。整个平巷掘进周期最多时需要使用4台，两台风机之间使用风库连接。

图4 抽出式风机工况图

2.3 风筒作业参数选取及局部通风组织

参照类似工程实例及石湖金矿实际平巷规格参数，选取复合阻燃高强度塑料薄膜风筒，抽出式风筒直径400 mm，20 m一节，每台抽出式风机配15节风筒。抽出式风机距离作业面最近距离为20 m，最远为50 m，每10个爆破循环之后（钎杆长2.5 m，孔深2.2 m）移动风机，增加一节风筒；压入式风机距离作业面最远55 m，最近25 m，风筒出口距离作业当头10m，风筒5m、2m一节配合使用，抽出式局部通风采用双反边风筒接头，压入式局部通风也使用双反边风筒接头。

2.4 风库参数

根据石湖金矿101采区400m运输行人联络道巷道参数，风库断面为宽×高×深（2.1 m×2.3 m×2 m），风库的入口砌墙，墙上设置两个Φ400 mm直径的铁风筒（一进一出），调节风窗1个，参数为500 mm×500 mm。以101采区400 m北部回风穿脉口为起点，每300 m设置一个，运输行人联络道掘进施工结束，局扇风筒等回收完毕后，风库可作为临时材料间或人行休息避车硐室使用。

3 结束语

石湖金矿101采区400 m联络道工程长600余m，通风最困难时，通风距离1 140 m，局部通风风筒受巷道断面的限制，只能采用400 mm直径的风筒，阻力极高，若采用单台风机排出污浊空气，风机的高压容易造成风筒变形过大，漏风率增高，作业面循环风占比变大，炮烟的排出速度慢，污染作业及行人区域。而使用多台同型号局扇串联作业，快速排出巷道掘进所产生的有毒有害物质，局部通风效果良好，作业面日常通风监测的风质指标达到设计目的，符合安全规程的要求，较好地满足了掘进作业的排粉尘及炮烟等有害物质的生产需求。但是多台局扇简单串联，即前台局扇的出口端风筒直接接入后面局扇入口端，尽管局扇的型号参数一致，实际运行工况总会略有差别，加上漏风率的存在及不同，导致串联局扇产生的负压容易将前面局扇的风筒抽瘪，导致风筒损坏，局部通风不能运转。技术人员通过多方论证，在联络道平巷施工的局部通风中增加局部通风构筑物风库后，因风库入口调节风窗的存在，若前面一台风机风量稍大，多余风量从调节风窗溢出，若是风量不足，不足部分风量能从巷道内直接补充，实现远距离局部通风多台局扇串联的正常运转。总的看来，该工程的局部通风设计及工程布置对类似矿山工程有较好的借鉴意义。