王 維 王偉杰 吳冷峻 周 偉 魯智勇 畢福坤 夏功澤

(1.中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；5.赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司)

蒼山鐵礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)自建成運(yùn)行至今已有6 a，隨著開(kāi)采時(shí)間増加和開(kāi)采范圍的變化，采場(chǎng)作業(yè)地點(diǎn)不斷調(diào)整，井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，使得通風(fēng)系統(tǒng)管理難度加大。受多方面因素影響，當(dāng)前主井溜破系統(tǒng)回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)無(wú)法正常開(kāi)啟，主井(箕斗井)進(jìn)風(fēng)量為56.28 m3/s，不符合《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB l6423—2006)有關(guān)“箕斗井不應(yīng)兼作進(jìn)風(fēng)井”的規(guī)定[1]，同時(shí)，主井大量進(jìn)風(fēng)造成井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流紊亂，作業(yè)場(chǎng)所空氣質(zhì)量較差。本研究針對(duì)該礦主井溜破系統(tǒng)通風(fēng)現(xiàn)狀，對(duì)其通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 礦山生產(chǎn)概況

蒼山鐵礦采用豎井開(kāi)拓與斜坡道開(kāi)拓相結(jié)合的開(kāi)拓方案，即-140 m中段采用豎井開(kāi)拓，由地表至-40 m水平的斜坡道按汽車運(yùn)輸設(shè)計(jì)，-40 m水平以下按輔助斜坡道設(shè)計(jì)。各井筒主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 礦山各井筒主要參數(shù)

注：主斜坡道的凈斷面面積為14.11 m2。

礦區(qū)地表無(wú)建筑物的礦段，采用空?qǐng)龇ㄋ煤蟪涮畈煽諈^(qū)防止地表塌陷，對(duì)于地表有建筑物需要保護(hù)的礦帶，則采用上向分層充填采礦法開(kāi)采[2-3]。

該礦主井提升系統(tǒng)包括[3]：

(1)主井提升系統(tǒng)。主豎井擔(dān)負(fù)各中段的礦石提升任務(wù)，采用多繩摩擦式提升機(jī)提升。井下各中段的礦石經(jīng)溜井進(jìn)入井下破碎站，破碎成≤280 mm的塊度，溜入下部溜槽，經(jīng)振動(dòng)放礦機(jī)給入膠帶輸送機(jī)運(yùn)至與箕斗配用的計(jì)量裝置，而后裝入多繩底卸式箕斗內(nèi)，由塔式多繩摩擦式提升機(jī)提升至地表井塔樓內(nèi)礦倉(cāng)。地面礦倉(cāng)內(nèi)的礦石由振動(dòng)放礦機(jī)給入皮帶機(jī)上，輸送至中碎皮帶機(jī)送至選廠中碎倉(cāng)內(nèi)。

(2)井下破碎系統(tǒng)。井下破碎系統(tǒng)采用單溜單破方式，井下破碎系統(tǒng)由主溜井、井下破碎硐室、皮帶巷、計(jì)量硐室、粉礦回收井、回風(fēng)天井、粉礦清理平巷、大件道及聯(lián)絡(luò)道等組成。井下破碎硐室布置于-334 m水平，在該水平布置大件道與主井貫通，并布置聯(lián)絡(luò)道與粉礦回收井貫通，人員及材料、備件等通過(guò)粉礦回收井進(jìn)出。粉礦清理在-400 m水平進(jìn)行，在該水平布置粉礦清理道與粉礦回收井貫通，通過(guò)粉礦回收井提升至-334 m水平。通過(guò)溜井下放至-349 m皮帶道，由皮帶輸送至計(jì)量漏斗?；啡龅V經(jīng)人工清理裝入YFC0.5-7翻斗式礦車，通過(guò)與粉礦回收井聯(lián)通的粉礦回收平巷，經(jīng)粉礦回收井提升至-140 m中段，而后卸入主溜井。計(jì)量硐室布置于約-349 m水平。

2 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

蒼山鐵礦采用分區(qū)抽出通風(fēng)方式，以副井、主井為界劃分東區(qū)、西區(qū)，設(shè)計(jì)風(fēng)量283.4 m3/s。按-140 m 水平以上可采礦量及采場(chǎng)分布情況，風(fēng)量分配西區(qū)約100 m3/s，東區(qū)約180 m3/s。井下共設(shè)置3個(gè)回風(fēng)機(jī)站，西風(fēng)井-90 m水平回風(fēng)機(jī)站選用2臺(tái)K45-6-№17風(fēng)機(jī)(110 kW/臺(tái))并聯(lián)，東1回風(fēng)井7 m水平回風(fēng)機(jī)站選用2臺(tái)K45-6-№17風(fēng)機(jī)(110 kW/臺(tái))并聯(lián)，-40 m水平南回風(fēng)機(jī)站選用2臺(tái)K45-6-№17風(fēng)機(jī)(110 kW/臺(tái))并聯(lián)，葉片安裝角度均為40°。副井、東2風(fēng)井及主斜坡道進(jìn)風(fēng)，西風(fēng)井、東1風(fēng)井回風(fēng)。東1回風(fēng)井7 m水平回風(fēng)機(jī)站并聯(lián)運(yùn)行2臺(tái)K45-6-№17風(fēng)機(jī)(110 kW/臺(tái))，回風(fēng)量101.92 m3/s，風(fēng)機(jī)效率65%；-40 m水平回風(fēng)機(jī)站并聯(lián)運(yùn)行2臺(tái)K45-6-№17風(fēng)機(jī)(110 kW/臺(tái))，回風(fēng)量118.55 m3/s，風(fēng)機(jī)效率77%；西風(fēng)井-90 m水平回風(fēng)機(jī)站并聯(lián)運(yùn)行2臺(tái)K45-6-№17風(fēng)機(jī)(110 kW/臺(tái))，回風(fēng)量85.45 m3/s，風(fēng)機(jī)效率59%。主井溜破系統(tǒng)破碎硐室主井聯(lián)巷、皮帶道水平主井聯(lián)巷及粉礦回收水平主井聯(lián)巷分別設(shè)置輔助機(jī)站，各安裝1臺(tái)K40-4-№8風(fēng)機(jī)(5.5 kW/臺(tái))，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。

該礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題有：①主井溜破系統(tǒng)回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，性能下降，機(jī)站風(fēng)墻破損；②大量風(fēng)流由主井進(jìn)入井下，干擾系統(tǒng)風(fēng)量分配，主井為箕斗井，大量粉塵隨著新風(fēng)一道進(jìn)入井下作業(yè)區(qū)域，影響進(jìn)風(fēng)風(fēng)質(zhì)；③受主井進(jìn)風(fēng)量偏大的影響，-40～-90 m水平斜坡道風(fēng)流靜止，夏季時(shí)，風(fēng)流中含有大量水汽，人員車輛通過(guò)時(shí)，無(wú)法有效辨認(rèn)前方路況，安全隱患較大；④通風(fēng)構(gòu)筑物的設(shè)置及日常管理、維護(hù)存在不足。

3 溜破系統(tǒng)通風(fēng)方案優(yōu)化

礦山生產(chǎn)系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性，隨著生產(chǎn)的調(diào)整，必然對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)主井溜破系統(tǒng)通風(fēng)效果影響了礦山正常生產(chǎn)時(shí)，須進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，解決其存在的通風(fēng)紊亂、作業(yè)環(huán)境差等問(wèn)題，使之能夠更好地服務(wù)于井下生產(chǎn)[4-5]。

3.1 研究思路

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)[1]，入風(fēng)井巷和采掘工作面的風(fēng)源含塵量不宜大于0.5 mg/m3，并規(guī)定箕斗井不宜兼作進(jìn)風(fēng)井。蒼山鐵礦主井(箕斗井)井筒直徑為4.5 m，擔(dān)負(fù)各中段的礦石提升任務(wù)，采用多繩摩擦式提升機(jī)提升。井下溜破系統(tǒng)-334 m破碎水平、-349 m皮帶道水平及-400 m粉礦回收水平的主井聯(lián)巷分別設(shè)置有輔助回風(fēng)機(jī)站，各安裝了1臺(tái)K40-4-№8風(fēng)機(jī)。受到風(fēng)機(jī)性能、風(fēng)墻維護(hù)、系統(tǒng)風(fēng)流短路以及主要進(jìn)風(fēng)井巷工程風(fēng)量分配混亂等因素的影響，溜破系統(tǒng)3臺(tái)K40-4-№8風(fēng)機(jī)正常開(kāi)啟后均無(wú)法將溜破系統(tǒng)污風(fēng)沿主井有效排出地表，主井入風(fēng)風(fēng)源含塵量超標(biāo)，嚴(yán)重污染了井下作業(yè)環(huán)境。本研究主井溜破系統(tǒng)通風(fēng)優(yōu)化方案擬在-334 m破碎水平、-349 m皮帶道水平及-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷重新設(shè)置輔助回風(fēng)機(jī)站，針對(duì)該礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的多種影響因素，采用通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)、風(fēng)機(jī)優(yōu)選技術(shù)對(duì)溜破系統(tǒng)通風(fēng)方案進(jìn)行研究，確保主井溜破系統(tǒng)污風(fēng)能夠沿主井有效排出地表。

3.2 通風(fēng)方案

本研究通風(fēng)方案沿用礦區(qū)現(xiàn)有分區(qū)抽出通風(fēng)方式，在充分利用現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)施及井巷工程的基礎(chǔ)上，溜破系統(tǒng)新鮮風(fēng)流由副井通過(guò)-140～-400 m水平盲豎井進(jìn)入溜破系統(tǒng)各分層，污風(fēng)由主井排出地表。在井下溜破系統(tǒng)-334 m破碎水平、-349 m皮帶道水平及-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷分別設(shè)置輔助回風(fēng)機(jī)站，結(jié)合礦山實(shí)際生產(chǎn)條件，溜破系統(tǒng)回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)需重新進(jìn)行優(yōu)選。

3.3 溜破系統(tǒng)需風(fēng)量核算

一般來(lái)說(shuō)，可按排塵風(fēng)速計(jì)算礦井需風(fēng)量。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)[1]，硐室型采場(chǎng)最低風(fēng)速不宜小于0.15 m/s，巷道型采場(chǎng)和掘進(jìn)巷道的最低風(fēng)速不宜小于0.25 m/s，電耙道和二次破碎巷道的最低風(fēng)速不宜小于0.5 m/s。排塵風(fēng)速增大時(shí)，粒徑稍大的塵粒也可以懸浮并被排出，同時(shí)增強(qiáng)了稀釋作用，在產(chǎn)塵強(qiáng)度一定的條件下，礦塵濃度將隨之降低。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，作業(yè)場(chǎng)所礦塵濃度可降至最小值，該風(fēng)速可稱為最優(yōu)排塵風(fēng)速。借鑒國(guó)內(nèi)溜破系統(tǒng)各水平排塵風(fēng)速的相關(guān)研究成果[6-8]，該礦破碎水平的最佳風(fēng)速約為0.3 m/s，皮帶道水平最佳風(fēng)速約為0.5 m/s，粉礦回收水平最佳風(fēng)速約為1.0 m/s?？紤]到井下溜破系統(tǒng)作業(yè)面的工作性質(zhì)、通風(fēng)排塵所需風(fēng)速以及系統(tǒng)風(fēng)量漏風(fēng)系數(shù)等，本研究計(jì)算出的溜破系統(tǒng)總風(fēng)量為24.66 m3/s(表2)。

表2 按排塵風(fēng)速計(jì)算的溜坡系統(tǒng)各中段的需風(fēng)量

注：各中段需風(fēng)量之和(18.97 m3/s)乘以系統(tǒng)漏風(fēng)系數(shù)0.3后即為系統(tǒng)漏風(fēng)量5.69 m3/s.

3.4 通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置

通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定風(fēng)流的風(fēng)量分配以及穩(wěn)定性具有重要作用。為確保該礦主井溜破系統(tǒng)的通風(fēng)效果，需要設(shè)置通風(fēng)構(gòu)筑物的井下區(qū)域?yàn)椋孩?140 m水平主井聯(lián)巷設(shè)置1道風(fēng)墻；②-334 m破碎水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)設(shè)置1道風(fēng)墻(留風(fēng)門)；③-349 m皮帶道水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)設(shè)置1道風(fēng)墻(留風(fēng)門)；④-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)設(shè)置1道風(fēng)墻(留風(fēng)門)。

3.5 溜破系統(tǒng)回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)優(yōu)選

通風(fēng)機(jī)選型及工況點(diǎn)調(diào)節(jié)對(duì)于礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化十分重要，是通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的重要內(nèi)容。K系列礦用節(jié)能通風(fēng)機(jī)由DK40、DK45、K40、K45等礦用節(jié)能風(fēng)機(jī)組成，K40、K45系列輔扇采用電機(jī)與葉輪直聯(lián)的最簡(jiǎn)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，由集流器、主機(jī)體和擴(kuò)散器等部件組成，采用新型高效機(jī)翼型扭曲葉片，安裝角度可調(diào)，敷設(shè)穩(wěn)流環(huán)裝置使得氣動(dòng)性能曲線無(wú)駝峰，底座上可配帶軸向移動(dòng)的車輪。DK40、DK45系列主扇采用同型號(hào)、同功率的2臺(tái)K40、K45型風(fēng)機(jī)進(jìn)行對(duì)接，兩級(jí)葉輪互為反向旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成對(duì)旋式結(jié)構(gòu)，與長(zhǎng)軸傳動(dòng)型主扇相比具有運(yùn)行效率高、運(yùn)行局阻低、節(jié)省土建投資等優(yōu)點(diǎn)，具有顯著的節(jié)能效果[9]。結(jié)合溜破系統(tǒng)需風(fēng)量及風(fēng)壓等要求，溜破系統(tǒng)回風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)擬從K45-6-№10、K45-6-№11、K45-6-№12、K45-6-№13等風(fēng)機(jī)中選擇。

3.6 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案網(wǎng)絡(luò)解算

機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)機(jī)將新鮮風(fēng)流送至井下各采掘作業(yè)需風(fēng)點(diǎn)，由于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)包括大量井巷，自然分風(fēng)及風(fēng)量調(diào)節(jié)計(jì)算比較復(fù)雜，且工作量大，因此，通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化方案基本確定后，需要建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)并利用多機(jī)站及多級(jí)機(jī)站通風(fēng)軟件對(duì)方案進(jìn)行通風(fēng)效果模擬計(jì)算，并根據(jù)結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整修改使得最終確定的實(shí)施方案達(dá)到預(yù)期的通風(fēng)效果[10-15]。

本研究通風(fēng)系統(tǒng)主要回風(fēng)機(jī)站的風(fēng)機(jī)設(shè)置情況為：①東1回風(fēng)井7 m水平回風(fēng)機(jī)站并聯(lián)運(yùn)行2臺(tái)K45-6-№17風(fēng)機(jī)(110 kW/臺(tái))；②-40 m水平回風(fēng)機(jī)站并聯(lián)運(yùn)行2臺(tái)K45-6-№17風(fēng)機(jī)(110 kW/臺(tái))；③西風(fēng)井-90 m水平回風(fēng)機(jī)站并聯(lián)運(yùn)行2臺(tái)K45-6-№17風(fēng)機(jī)(110 kW/臺(tái))。本研究采用通風(fēng)軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬解算時(shí)的主要輸入數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

針對(duì)本研究方案所設(shè)置的主井溜破系統(tǒng)回風(fēng)機(jī)站，將不同的風(fēng)機(jī)型號(hào)(K45-6-№10、K45-6-№11、K45-6-№12以及K45-6-№13)添加于構(gòu)建的通風(fēng)模型中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬，得出4種風(fēng)機(jī)優(yōu)選方案，各方案的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算的主要輸入數(shù)據(jù)

表4 4種風(fēng)機(jī)優(yōu)選方案計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

分析表4可知：4種溜破系統(tǒng)回風(fēng)機(jī)站所優(yōu)選出的風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算及模擬運(yùn)行后，僅有方案I的溜破系統(tǒng)總風(fēng)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求(24.66 m3/s)。

蒼山鐵礦生產(chǎn)規(guī)模為原礦產(chǎn)量200萬(wàn)t/a、廢石30萬(wàn)t/a，結(jié)合礦山年采掘計(jì)劃和實(shí)際生產(chǎn)情況，充分考慮了井下作業(yè)面的工作性質(zhì)、通風(fēng)排塵所需風(fēng)速，計(jì)算出的礦井通風(fēng)系統(tǒng)所需風(fēng)量為218 m3/s?？紤]到在生產(chǎn)變動(dòng)時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)不及時(shí)帶來(lái)的風(fēng)量不均衡現(xiàn)象，礦井通風(fēng)風(fēng)量應(yīng)在計(jì)算出的需風(fēng)量的基礎(chǔ)上乘以系統(tǒng)風(fēng)量備用系數(shù)(1.3)，則礦井總風(fēng)量為283.4 m3/s。根據(jù)通風(fēng)軟件網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果，方案Ⅱ解算出的礦井總風(fēng)量(280.59 m3/s)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的礦井總風(fēng)量要求，方案Ⅲ、Ⅳ則滿足礦井總風(fēng)量設(shè)計(jì)要求(283.4m3/s)。從礦山節(jié)能角度考慮，本研究選用方案Ⅲ。該方案溜破系統(tǒng)風(fēng)機(jī)安裝方案為：①溜破系統(tǒng)-334 m破碎水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機(jī)站安裝1臺(tái)K45-6-№12風(fēng)機(jī)(18.5 kW/臺(tái))，葉片安裝角度為35°；②溜破系統(tǒng)-349 m皮帶道水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機(jī)站安裝1臺(tái)K45-6-№12風(fēng)機(jī)(18.5 kW/臺(tái))，風(fēng)機(jī)葉片安裝角度為35°；③溜破系統(tǒng)-400 m 粉礦回收水平主井聯(lián)巷回風(fēng)機(jī)站安裝1臺(tái)K45-6-№12風(fēng)機(jī)(18.5 kW/臺(tái))，葉片安裝角度為35°。方案Ⅲ計(jì)算機(jī)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果及相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表5、表6。

表5 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)山東蒼山鐵礦溜破系統(tǒng)主井大量進(jìn)風(fēng)的特點(diǎn)，結(jié)合礦山在開(kāi)采過(guò)程中形成的作業(yè)場(chǎng)所風(fēng)流紊亂、風(fēng)質(zhì)差等問(wèn)題，應(yīng)用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)、通風(fēng)機(jī)站優(yōu)化技術(shù)以及計(jì)算機(jī)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)，對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化。該方案通過(guò)在溜破系統(tǒng)-334m破碎水平、-349m皮帶道水平以及

表6 各井筒進(jìn)回風(fēng)風(fēng)量分配 m3/s

-400 m粉礦回收水平主井聯(lián)巷各安裝1臺(tái)K45-6-№12風(fēng)機(jī)(18.5 kW/臺(tái))，使得溜破系統(tǒng)主井出風(fēng)量為35.4 m3/s，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該方案可在滿足設(shè)計(jì)總風(fēng)量要求的同時(shí)，改善溜破系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境，間接減少與預(yù)防職業(yè)病發(fā)病率，有助于確保礦山安全生產(chǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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