超长走向金属矿山通风系统优化研究

2021-11-19谭星宇

金属矿山 2021年10期

谭星宇

（1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南长沙 410012）

受矿体赋存的影响，部分地下开采金属矿山的生产系统沿走向布置，走向长度超过2 km，本研究将此类地下开采矿山称为超长走向金属矿山。国内部分矿山属于超长走向金属矿山，如：辽宁红透山铜矿-407～-827 m主要生产中段的走向长度约为2.2～2.6 km［1］，甘肃金川龙首矿1 400～1 220 m中段的走向长度约为2.1 km［2］，云南勐糯铅锌矿500 ～200 m主要生产或开拓中段的走向长度约为2.6 km。本研究在分析超长走向金属矿山通风系统主要特点的基础上，结合工程实例，开展超长走向金属矿山通风系统优化方案比选。

1 超长走向矿山通风系统特点

（1）风流路线长，风阻大。风流路线长，风阻大是超长走向金属矿山通风系统最突出特点。矿井风阻由摩擦风阻和局部风阻组成，其中摩擦风阻是矿井风阻的主要组成部分，由巷道的摩擦风阻计算式［3］可知，当摩擦阻力系数、巷道净断面周长和巷道净断面面积一定时，巷道摩擦风阻随巷道长度增长而增大。超长走向金属矿山风流路线长，即巷道长度大，因此全矿的风阻大。

（2）风流集中，主扇负压大。主扇运行形成负压用于克服全矿的通风阻力，主要用于克服风流通过井巷产生的摩擦阻力［3］。超长走向金属矿山主扇负压大主要是受矿山风阻大影响，同时也是由于主要进回风井巷风流集中。主扇负压大容易造成主扇附近漏风和风流循环，造成能源的浪费。

（3）同中段多采场同时作业。超长走向金属矿山中段多沿矿体走向布置，同一中段可布置多个采场，通常矿山为满足产能要求，在同一中段布置多个采场。同中段多采场同时作业造成风流合理分配困难、通风管理难度大等问题。

（4）中段开拓工程量大。金属非金属矿山安全规程》（GB 16423-2020）要求：矿山形成系统通风、采场形成贯穿风流之前不应进行回采作业［4］。采场形成系统通风的前提是中段进、回风巷等中段开拓工程须完成施工，超长走向金属矿山的中段进、回风巷工程量大，矿山前期投入大。

2 工程背景

2.1 工程概述

云南某铅锌矿目前主要开采Ⅲ1、Ⅱ3和Ⅱ15铅锌矿体，均为平均厚度2.2 m的薄矿体，矿体东西走向延伸大，分布在27#～76#勘探线之间，走向长度达2.5～2.9 km，开采标高为+500 m～+200 m，+500 m以上已基本回采结束。

矿山采用平硐+竖井+斜井联合开拓，产能22万t/a。通风系统为单翼对角抽出式，走向长度达2.5～2.9 km，新鲜风由西部2#竖井和中部1#平硐进入，通过2#竖井、1#斜井、2#斜井、3#斜井和3#竖井等进入+500 m、+450 m、…、+200 m中段，污风流经东侧端部回风天井、回风平巷、回风斜井等，再由3#平硐和4#平硐排出地表。矿山安装2台主扇，1台安装在+820 m中段0#堪探线附近（型号：FBCD-4-NO10、功率：2×22 kW），另1台安装在+680 m中段17#堪探线附近（型号：DK45-8-NO17、功率：2×55 kW）。图1为矿山通风系统现状图。

2.2 通风系统存在主要问题

对矿山通风系统现状进行调查、测定和分析，主要存在以下问题：

（1）矿山走向长度达2.5～2.9 km，且采用单翼对角抽出式通风系统，目前主要风流路线长度超过5.0 km，开采至+200 m中段时，主要风流路线将超过6.0 km；同时矿山巷道断面较小（中段运输巷道4.8 m2，回风井巷3.6～6.4 m2），全矿风阻大。

（2）1#平硐风流反向，其原因是风流路线长，矿山2台串联作业的主扇安装在回风侧，主扇能力不足，主扇负压对进风段的风流控制失去影响。

（3）经计算全矿需风量为52.5 m3/s，通过测定全矿总进风量仅为20.6 m3/s，全矿风量不足。

（4）局部通风构筑物设置不足，存在污风串联、污风循环、局部漏风等现象。

3 通风系统优化方案研究

3.1 通风系统优化方案设计

3.1.1 总体思路

综合考虑矿山的实际情况和超长走向矿山通风系统特点，总体思路［5～7］为：充分利用矿山已有井巷，在增加少量井巷工程的条件下，尽可能地增加矿山主要进、回风路线，尽可能多地利用并联网络，形成低风阻通风网络；合理配置主扇，满足系统通风要求；用风区域采取区域分区通风，实现分区调节，减少投产前的开拓工程量；将+500 m以上回采结束区域不再利用的井巷进行全面密闭，避免浅部漏风。根据以上总体思路，提出2个通风系统优化方案，分别为集中回风通风系统、东西分区回风通风系统。

3.1.2 方案1：集中回风方案

方案一新鲜风由2#竖井进风网络和1#平硐进风网络进入各生产中段，用风区域以3#竖井为界分为西区和东区进行通风，西区污风和东区污风分别由16#堪探线回风井和27#堪探线回风井汇入3#平硐回风网络，由3#平硐回风网络集中排出地表。图2为方案一通风系统图，方案一主要风机的配置如表1。

2#竖井进风网络：由2#竖井、1#竖井和5#斜井等组成的并联进风网络，1#竖井为箕斗井，原为回风井，根据《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423-2020），箕斗井可作为进风井，因此将其改为进风井，在箕斗井的产尘点采取空气净化措施，保证空气质量。

1#平硐进风网络：由1#平硐、1#斜井、2#斜井、3#斜井、3#竖井和4#斜井等井巷组成并联进风网络，在+390 m中段掘进风平巷联络4#斜井和3#竖井，1#平硐进风网络与2#竖井进风网络通过+500 m中段平巷连通，风量实行自由分配。

3#平硐回风网络：由3#平硐、4#平硐、8#斜井、9#斜井、10#斜井、回风天井和中段平巷等组成的并联回风网络，+630～+680 m、+550～+580 m新掘进回风天井，将+820 m～4#平硐回风天井、+500 m中段回风巷进行扩刷。

3.1.3 方案2：东、西分区回风方案

方案二新鲜风由2#竖井进风网络和1#平硐进风网络进入各生产中段，用风区域以3#竖井为界分为西区和东区进行通风，西区污风由2#平硐回风网络排出地表，东区污风由3#平硐回风网络排出地表。图3为方案二通风系统图，方案二主要风机的配置如表2。

2#竖井进风网络、1#平硐进风网络的设计与方案一基本相同。

2#平硐回风网络：由2#平硐、6#斜井、7#斜井、36#勘探线回风天井等组成的并联回风网络，36#勘探线回风天井部分原有，部分新掘进。

3#平硐回风网络：由3#平硐、4#平硐、8#斜井、9#斜井、10#斜井、27#堪探线回风天井和中段平巷等组成的并联回风网络，+630～+680 m新掘进回风天井，37#勘探线回风天井部分原有，部分新掘进。

3.2 仿真模拟及分析

根据通风系统优化设计方案，运用Ventsim三维通风仿真软件建立矿山通风系统三维模型［8-9］，模型风路数量1 961条，风路总长63 127m。运用Ventsim软件对方案一和方案二进行仿真模拟，方案一和方案二均分为容易时期和困难时期分别进行模拟，容易时期的主要生产中段为+450 m中段和+390 m中段，困难时期主要生产中段为+250 m中段和+200 m中段。

3.2.1 方案一仿真模拟

图4为方案一仿真模拟图，主要模拟结果如下：

（1）容易时期总进风量57.6 m3/s，2#竖井进风网络进风量为37.7 m3/s，1#平硐进风网络进风量为19.9 m3/s；困难时期总进风量57.5 m3/s，2#竖井进风网络进风量为35.7 m3/s，1#平硐进风网络进风量为21.8 m3/s。

（2）容易时期总风压为2 235 Pa，主扇风压最大，数值为1 269 Pa；困难时期总风压为2 473 Pa主扇风压最大，数值为1 274 Pa。

（3）容易时期3台风机总输入功率为161.6 kW，风机运行平均效率为83.8%；困难时期3台风机总输入功率为171.7 kW，风机运行平均效率为81.3%。

根据仿真模拟，通风系统按方案一优化后能满足安全生产的要求，风机运行效率高，但全矿总风压较高。

3.2.2 方案二仿真模拟

图5为方案二仿真模拟图，主要模拟结果如下：

（1）容易时期总进风量57.2 m3/s，2#竖井进风网络进风量为33.4 m3/s，1#平硐进风网络进风量为23.8 m3/s；困难时期总进风量57.1 m3/s，2#竖井进风网络进风量为29.0 m3/s，1#平硐进风网络进风量为28.1 m3/s。

（2）容易时期总风压为1 263 Pa，主扇风压最大，数值为706 Pa；困难时期总风压为1 603 Pa主扇风压最大，数值为861 Pa。

（3）容易时期4台风机总输入功率为77.4 kW，风机运行平均效率为88.7%；困难时期4台风机总输入功率为94.6 kW，风机运行平均效率为88.4%。

根据仿真模拟，通风系统按方案二优化后能满足安全生产的要求，风机运行效率高。

3.3 优化方案选取

由模拟结果可知通风系统按方案一和方案二优化后均能满足矿山安全生产的要求，为选取最优通风系统优化方案，制定如表3所示适用于超长走向通风系统的优化方案选取指标，指标分为技术指标、模拟指标和经济指标三大类，共12项［10-11］。方案一和方案二各项指标值如表3所示，表中部分数值为容易时期和困难时期的平均值。