鄒尤森,朱先春,朱榮成,朱懷昆,尹繼貴,段永祥
(1.云南銅業(yè)集團技術(shù)中心礦山研究院,云南 昆明 650051;2.云南楚雄礦冶有限公司六苴銅礦,云南 大姚 675401;3.昆明冶金高等??茖W(xué)校冶金與礦業(yè)學(xué)院,云南 昆明 650033)
礦山開采由淺部進入深部之后,隨著開采深度增加、進風(fēng)線路增長,井下氣候和通風(fēng)系統(tǒng)會出現(xiàn)以下問題:1)地溫增高、空氣自壓縮散熱增大,井下氣溫升高、 舒適度降低;通風(fēng)系統(tǒng)的任務(wù)除了供新風(fēng)、排粉塵、排炮煙之外,增加了排出各種熱量,降低井下氣溫,改善高溫環(huán)境的重任。2)風(fēng)阻隨之增大,通風(fēng)電耗增加,主扇風(fēng)量卻隨之減少。3)新風(fēng)與進風(fēng)井巷熱交換面積和熱交換時間隨之增加,新風(fēng)被井巷地?zé)岷涂諝庾詨嚎s熱不斷加熱,氣溫逐漸上升,吸熱和降溫能力逐漸下降,導(dǎo)致深部即使增大風(fēng)量,但是氣溫仍然較高。這些現(xiàn)象在六苴銅礦、郝家河銅礦等沿用上部斜井開拓方式來開采深部緩傾斜礦床,進風(fēng)和回風(fēng)線路比較長的大中型老礦山尤為突出。除了新風(fēng)溫度升高、風(fēng)阻增大、風(fēng)量減少、電耗增加、降溫效能下降,深部氣候環(huán)境變差之外,還會出現(xiàn)運輸距離和供電線路增長、有效工作時間縮短、勞動生產(chǎn)率下降、運輸成本和電路損耗增加、電壓降增大、設(shè)備穩(wěn)定性降低等問題。
為了解決六苴銅礦深部刀把礦段進風(fēng)、提升與供電等問題,云南楚雄礦冶有限公司與昆明冶金高等專科學(xué)校合作,在國家自然科學(xué)基金項目和云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目研究成果指導(dǎo)下,以工作面為服務(wù)核心優(yōu)化了開拓系統(tǒng),新增了地表直達深部采區(qū)的3#豎井,縮短了進風(fēng)、提升與供電線路長度,有效解決了上述問題,改善了深部高溫、高濕狀況,為高溫深井安全開采創(chuàng)造了必要條件。現(xiàn)將優(yōu)化方案及實施成效介紹如下,以供同行參考。
六苴銅礦主要開采的六苴礦床是一個長達 6 000 m、形狀猶如菜刀狀的緩傾斜砂巖型中等厚度大中型銅礦床,上部像刀身,寬900~1 000 m,傾角21~23°,賦存高程1 940~1 720 m;下部像刀把,寬100~210 m,傾角21~63°,賦存高程1 720~-150 m,礦體平均鉛垂厚度 10.9 m。楚雄礦冶有限公司從1976年開始,采用斜井開拓方式,有底柱分段空場法和房柱法2種方法采礦,將礦床分為刀身和刀把2個礦段,每個礦段又分為多個時期自上而下開采。目前刀身礦段和刀把礦段Ⅰ、Ⅱ期已采完,正在繼續(xù)采用斜井開拓方式,自上而下逐步開采Ⅲ期礦體,建設(shè)Ⅳ、Ⅴ期開拓系統(tǒng),設(shè)計產(chǎn)能50萬t/a。3個區(qū)段可采礦石儲量995萬t,其中銅品位1.13%,金屬量11.28萬t;銀品位 25.43 g/t,金屬量 253.04 t(表1)。根據(jù)市場銅價3.8萬元/t、銀價316.4萬元/t計算,潛在價值50.87億元。
表1 刀把礦段Ⅲ—Ⅴ期資源與環(huán)境參數(shù)Tab.1 Resources and environmental parameters of the Ⅲ—Ⅴ phase of the blade handle section
礦區(qū)地表氣候溫和濕潤,氣溫最低 -3.0 ℃,最高 31.4 ℃,年平均 15.3 ℃;相對濕度最低49%,最高84%,年平均70%。雖然地表氣溫不高,但是按照地表平均海拔 2 120 m 計算,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期開采高程1 500~550 m 中段的垂直深度已達620~1 570 m,根據(jù)實測的地溫遞增梯度 2.39 ℃/100 m,空氣自壓縮散熱溫升 0.47 ℃/100 m 計算,地溫將從 30.9 ℃ 上升至 53.6 ℃,空氣自壓縮散熱溫升從 2.9 ℃ 上升至 7.4 ℃,涌水量從 4 300 m3/d 增加至 6 900 m3/d,預(yù)計不通風(fēng)時最高氣溫將達33.8~61.0 ℃,最大濕度將達95%以上。各個區(qū)段地溫、空氣自壓縮溫升和涌水量如表1所示。
由于采區(qū)深度大、地溫高、空氣自壓縮散熱多、涌水量大,測定得知風(fēng)速需達到 1.0 m/s 左右,才能使Ⅲ、Ⅳ期平均氣溫降至 32.2 ℃,濕度降至64.6%,體感溫度降至 26.5 ℃(舒適度下限)。按照降溫要求的風(fēng)速,以及50萬t/a生產(chǎn)規(guī)模需風(fēng)工作面數(shù)量、斷面計算,降溫需風(fēng)量至少為 200 m3/s;如果再考慮內(nèi)部漏風(fēng)系數(shù)1.1、工作面分風(fēng)不均衡系數(shù)1.1,則降溫供風(fēng)量至少為 245 m3/s。
刀把礦段利用上部現(xiàn)有的三級斜井搭接來提升、進風(fēng)和供電,開拓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。第一級是刀身礦段 1 940~1 720 m 中段的1#、2#斜井和箕斗豎井;第二級是刀把礦段Ⅰ、Ⅱ期 1 745 m、1 720~1 500 m 中段的5#、6#、7#斜井;第三級是Ⅲ期 1 500~1 080 m 中段的8#、9#、10#斜井。人員從 1 940 m 平坑(步行)→2#斜井(乘車)→1 745 運輸平巷(乘車)→5#斜井(乘車)→1 500 運輸平巷(步行)→10#斜井(乘車)→1 080 m 運輸?shù)?步行)進入刀把Ⅲ、Ⅳ期,線路長達 5 450 m(如圖1中部所示)。礦石從Ⅲ期8#、9#斜井→Ⅰ、Ⅱ期6#、7#斜井→1 720 m 運輸平巷→刀身礦段箕斗豎井→地表選廠,線路長度 5 568 m。
圖1 刀把礦段開拓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及進風(fēng)提升供電線路優(yōu)化方案示意圖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
從 1 940 m 平硐進入到 1 080 m 中段,線路長度達 5 450 m,作業(yè)人員需要經(jīng)過步行3次、乘坐平巷人車1次、斜井人車3次,單邊耗時 2 h,往返耗時 4 h,每班有效作業(yè)時間只剩下 4 h。材料運輸則更加麻煩,需要多次裝卸與轉(zhuǎn)運,費時費力。
供電線路沿著礦石提升運輸井巷鋪設(shè),如圖1左側(cè)所示。從地表選廠 110 kV 變電站→箕斗豎井→1 720 m 運輸平巷→Ⅰ、Ⅱ期6#、7#斜井→Ⅲ期8#、9#斜井→1 080 m 中段變電室,架空線+電纜長度達 6 500 m。將來開采 1 080 水平以下的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ期時,不僅供電線路長度還要增長,線路損耗與電壓降還要增大,而且供電系統(tǒng)容量較小,已經(jīng)不能滿足深部新增的提升、通風(fēng)和排水設(shè)備功率要求,擴容降耗改造勢在必行。
通風(fēng)系統(tǒng)利用人行運輸井巷作為進風(fēng)道,如圖1所示,地表新風(fēng)從1#、2#、4#斜井和箕斗豎井→1 765 m、1 745 m、1 720 m 3條中段運輸平巷→5#、6#斜井→8#、9#、10#斜井進入Ⅲ期各中段。經(jīng)實測,新風(fēng)從 1 940 m 坑口達到 1 080 m 中段時(垂直深度 1 040 m,地溫 40.95 ℃、空氣自壓縮溫升 4.91 ℃,不通風(fēng)時最高氣溫可達 45.86 ℃),在長達 5 450 m 的井巷地?zé)峒翱諝庾詨嚎s放熱作用下,氣溫從 7.8 ℃ 逐漸上升至 32.0 ℃,溫升幅度達到 24.2 ℃,冷風(fēng)變成了熱風(fēng),降溫效能大幅度下降,加上有效風(fēng)量率與風(fēng)速合格率不高影響,采場氣溫高達33.0~37.0 ℃,如表2所示。
表2 新老進風(fēng)提升線路長度及新風(fēng)溫升實測結(jié)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
開采上部 1 765~1 700 m 中段時,實測得總進風(fēng)量 116.44 m3/s,總回風(fēng)量 120.65 m3/s,風(fēng)機電耗 114.5 kW。隨著開采深度增加,進風(fēng)、回風(fēng)線路增長,通風(fēng)阻力增大,風(fēng)機風(fēng)量減小,通風(fēng)電耗增加。開采區(qū)域下降至Ⅲ期 1 500~1 080 m 中段之后,測得總進風(fēng)量 103.76 m3/s,總回風(fēng)量 113.73 m3/s。雖然風(fēng)量減少不多,但是電耗增幅較大,布置在回風(fēng)井巷當(dāng)中接力抽出的五級機站18臺風(fēng)機實際電耗已經(jīng)高達 889.5 kW,充分證明開采深度對通風(fēng)阻力與電耗的影響非常大,如表3所示。
表3 優(yōu)化前后風(fēng)量與電耗測定結(jié)果Tab.3 Measurement results of air volume and power consumption before and after optimization
各段進風(fēng)井巷斷面、《安全規(guī)程》允許的風(fēng)速及風(fēng)量如表4所示。從表4中可以看出,上部和深部進風(fēng)井巷條數(shù)較多,中部較少,只有5#、6# 2條斜井以及與之串聯(lián)的 1 765 m、1 745 m、1 720 m 3條中段運輸?shù)溃蚴軘嗝婧鸵?guī)定風(fēng)速限制,最大允許進風(fēng)量只有 149.84 m3/s,與降溫要求的 245 m3/s 差距較大。
表4 進風(fēng)井巷長度及允許風(fēng)量Tab.4 Inlet shaft length and allowable air volume
從以上分析可知,進風(fēng)、提升和供電問題的根本原因,在于礦山40多年來一直沿用斜井開拓方式來開采緩傾斜大中型礦床,利用上部各個開采時期開拓的斜井,多級搭接起來作為深部的提升、運輸、進風(fēng)和供電通道。這樣,隨著開采深度加深,地溫及空氣自壓縮散熱增大,斜井長度越來越長,提升、運輸、進風(fēng)、供電線路長度也越來越長,必然出現(xiàn)新風(fēng)溫升增大、降溫效能下降;提升耗時增長,工作時間縮短;電路容量不夠,沿途損耗增大等問題。
因此,從開拓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以直觀看出,解決這些問題的有效途徑,是優(yōu)化深部開拓方式:把原來線路較長的斜井開拓,優(yōu)化為線路較短的豎井開拓,用最短的線路,將新風(fēng)、人員和電力送入深部生產(chǎn)區(qū)域,這樣才能從根本上解決問題。
按照上述思路,云南楚雄礦冶有限公司與昆明冶金高等??茖W(xué)校在六苴礦床刀把—石門坎礦段通風(fēng)系統(tǒng)總體規(guī)劃以及各個時期分期構(gòu)建方案優(yōu)化研究及生產(chǎn)實踐中,應(yīng)用基金項目研究成果,以“以工作面為服務(wù)核心建立高效低耗通風(fēng)系統(tǒng)理論方法”為指導(dǎo),根據(jù)Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ期礦體賦存狀況、開拓方案與地表地形,以及目前罐籠豎井最大提升深度,在各個期段斜井開拓系統(tǒng)基礎(chǔ)上,在礦床東側(cè)新增了一口提升、進風(fēng)和供電共用,主要承擔(dān)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ期進風(fēng)、供電和人員材料提升任務(wù),從地表直達 1 080 m 中段的3#豎井(如圖1右側(cè)所示)。
新增的3#豎井井口標(biāo)高 2 165 m,井底標(biāo)高 1 050 m,井深 1 110 m,在 1 228 m、1 080 m 2個中段,設(shè)置2個與刀把Ⅲ、Ⅳ期相連的雙向馬頭門,長度為 1 155 m。豎井?dāng)嗝娌贾眯问饺鐖D2所示,凈直徑 5.5 m,凈斷面 23.75 m2,分為提升間、平衡錘間、電纜間、管子間和梯子間。這樣,從豎井井口至 1 080 m 中段11#斜井的線路長度只有 2 235 m,可用較短的距離將新風(fēng)、人員、材料和電力,從豎井井口直接就近送入Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期生產(chǎn)區(qū)域。整個優(yōu)化改造工程總投資約1.5億元,改造成本按照所服務(wù)的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期可采礦石量995萬t計算,平均為15.1元/t。
圖2 新增的3#豎井?dāng)嗝娌贾檬疽鈭DFig.2 Schematic diagram of the new 3 # shaft layout
3#豎井提升系統(tǒng)采用單罐雙層罐籠(尺寸為 4 000 mm× 1 450 mm)帶平衡錘提升方式,JKMD—4×3.5(Ⅲ)E型落地式多繩摩擦輪提升機,一次可提65人或者4輛 1.2 m3固定式礦車。最大提升速度 10.13 m/s,最短提升時間 1.8 min,可為深部提供一條快速提升通道。根據(jù)新老提升系統(tǒng)功能和區(qū)位,建議將提升運輸方案優(yōu)化調(diào)整如下:
1)人員和小件材料提升任務(wù)主要由新增加的3#豎井承擔(dān)。
2)原來的三級斜井人員材料提升系統(tǒng)作為備用,并負(fù)責(zé)少量大件材料的運輸。
3)礦石提升運輸系統(tǒng)線路、功能和任務(wù)不變。
1)為了解決老供電系統(tǒng)容量與損耗、壓降等問題,在3#豎井井口新建35 kV變電站,從豎井電纜間鋪設(shè)雙回路6 kV電纜直供 1 080 m 中段配電室,作為Ⅳ、Ⅴ期的主供電源。
2)老系統(tǒng)仍然作為上部提升系統(tǒng)的主供電源,并作為深部的備用保安電源。
新增3#豎井之后,優(yōu)化了進風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),相當(dāng)于在老系統(tǒng)基礎(chǔ)上,新增了一條斷面達 23.75 m2、長度只有 2 235 m 的優(yōu)質(zhì)進風(fēng)線路,新風(fēng)與井巷的熱交換長度、面積和時間大幅度降低,可以明顯減少進風(fēng)系統(tǒng)的溫升、阻力及電耗,增大進風(fēng)量,改善深部通風(fēng)降溫效果。預(yù)計在回風(fēng)系統(tǒng)五級機站主扇負(fù)壓作用下,2路進風(fēng)自然分配時,從3#豎井進入Ⅲ期的風(fēng)量可達 60 m3/s 左右。為了充分發(fā)揮3#豎井的降溫作用,建議Ⅳ、Ⅴ期開采時,進一步調(diào)整主扇位置及壓力分布,降低老系統(tǒng)的進風(fēng)量, 使3#豎井的優(yōu)質(zhì)進風(fēng)量增大至 100 m3/s 以上。
1)3#豎井建成之后,68.4 m3/s 新風(fēng)從豎井石門直接進入刀把Ⅲ期 1 228 m、Ⅳ期 1 080 m 中段,由于進風(fēng)線路長度只有 2 235 m,氣溫從 11.0 ℃ 上升到 17.0 ℃,溫升幅度只有 6.0 ℃,進風(fēng)質(zhì)量很好,有效地降低了這2個中段及附近區(qū)域的氣溫。這樣,老系統(tǒng) 1 940 m 坑口到 1 080 m 中段的風(fēng)流,氣溫從 10.5 ℃上升至 27.5 ℃,溫升幅度只有 17.0 ℃,比原來 24.2 ℃降低了 7.2 ℃,降幅達29.8%。
2)新增3#豎井,減小了進風(fēng)系統(tǒng)的阻力,總進風(fēng)量從 103.76 m3/s 增加至 176.95 m3/s,增幅達70.54%。
3)進風(fēng)溫升幅度的降低,進風(fēng)質(zhì)量的提高,為改善深部高溫狀況創(chuàng)造了必要條件;進風(fēng)量的增加,增強了通風(fēng)系統(tǒng)的降溫祛濕效能,為改善深部采場高溫狀況創(chuàng)造了充分條件。經(jīng)實測,優(yōu)化后采場氣溫從原來的33.0~37.0 ℃ 降至27.8~33.0 ℃,舒適度及作業(yè)條件顯著改善,勞動生產(chǎn)率大幅提升。
4)增加了一個大斷面的進風(fēng)口,允許進風(fēng)量從 149.8 m3/s增大至 328.9 m3/s,滿足了降溫風(fēng)量對進風(fēng)井巷斷面的要求,為通風(fēng)系統(tǒng)后續(xù)開展的增大風(fēng)量擴能改造創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。
5)從進風(fēng)線路措施與溫升、風(fēng)阻、風(fēng)量、電耗的關(guān)系可知,如果不優(yōu)化改造進風(fēng)系統(tǒng),期風(fēng)質(zhì)和風(fēng)阻不變,只是單純地把進風(fēng)量從 103.76 m3/s增加至 176.95 m3/s,不僅電耗將增加至 889.5 kW ×176.693/103.763= 4 392.3 kW,每年通風(fēng)電費將達 1 827.64萬元,而且仍然存在新風(fēng)溫升大,降溫效果差等問題,通風(fēng)系統(tǒng)將出現(xiàn)高耗低效狀態(tài)。優(yōu)化改造不僅有效地改善了新風(fēng)質(zhì)量,改善了深部高溫狀況,而且有力地減小了進風(fēng)阻力,增大了進風(fēng)量,降低了通風(fēng)電耗;在風(fēng)量從 103.76 m3/s 增加至 176.95 m3/s 的同時,電耗反而從 889.5 kW 降至 809.93 kW。按照365天連續(xù)運行,電價0.475元/kW·h計算,優(yōu)化改造不但改善了進風(fēng)質(zhì)量,增加了 73.19 m3/s風(fēng)量,而且每年直接節(jié)省通風(fēng)降溫電費33.1萬元,間接節(jié)省通風(fēng)降溫電費 1 457.5 萬元,為后期通風(fēng)系統(tǒng)高效低耗經(jīng)濟運行奠定了基礎(chǔ)。
優(yōu)化方案實施后,人員和材料從3#豎井井口到 1 080 m 中段只有 2 235 m,不僅長度比老系統(tǒng)縮短了 3 215 m,而且速度也比老系統(tǒng)快得多。下井人員只需要乘坐1次罐籠、步行 1 105 m,0.5 h 左右即可到達采區(qū),比老系統(tǒng)縮短了 1.5 h,每班往返時間減少了 3.0 h,不僅將有效工作時間從 4 h 增加至 7 h,而且降低了體能消耗,提升了工作效率。
從3#豎井井口新建的35 kV變電站,經(jīng)豎井鋪設(shè)6 kV電纜至 1 080 m 中段配電室的線路長度只有 2 550 m,比老線路縮短 3 950 m,長度、壓降和損耗降低60.7%。并以此作為主供電源,老線路作為保安電源,不僅解決了Ⅳ、Ⅴ期提升、通風(fēng)、排水設(shè)備擴容等問題,而且減少了線路損耗與壓降,整個供電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性大幅度提高。
進風(fēng)提升供電線路優(yōu)化方案生產(chǎn)應(yīng)用效果證明,雖然改造工程投資了1.5億元(平均每噸礦石投資15.1元),但是有效地解決了進風(fēng)溫升、提升耗時、電路損耗和井下高溫等問題,技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)全部達到了預(yù)期要求。新風(fēng)溫升幅度從 24.2 ℃ 降低至 17.0 ℃,進風(fēng)量從 103.76 m3/s 增加至 176.95 m3/s,采場氣溫由原來的33.0~37.0 ℃ 降至27.8~33.0 ℃,通風(fēng)電耗從 889.5 kW 降至 809.93 kW;人員單邊轉(zhuǎn)運時間由 2 h 縮短至 0.5 h,有效工作時間由 4 h 增加至 7 h,降低了體能消耗,提升了工作效率;新建的供電系統(tǒng)不僅滿足了深部容量需求,而且長度、損耗及壓降比老系統(tǒng)降低61.7%。優(yōu)化工程的實施,為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期高溫深井當(dāng)中價值50.87億元的995萬t礦石安全開采創(chuàng)造了條件,給楚雄礦冶有限公司的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ),取得了良好的社會效益、經(jīng)濟效益與投資效益。
從優(yōu)化之前出現(xiàn)的問題可知,進風(fēng)提升供電線路較長是導(dǎo)致深部新風(fēng)溫升較高、提升時間較長、電路損耗較大的主要原因;從優(yōu)化之后兩路新風(fēng)到達 1 080 m 中段時氣溫相差 10.5 ℃,人員到達 1 080 m 中段的時間相差 3 h,新線路比老線路損耗下降60.7%可知,優(yōu)化開拓系統(tǒng)、縮短線路長度是統(tǒng)籌解決高溫深井通風(fēng)、人行、運輸、供電等問題的有效途徑。
建議進一步調(diào)整風(fēng)機位置及壓力分布,讓75%以上的優(yōu)質(zhì)新風(fēng)從新增加的3#豎井直達深部高溫高濕采區(qū);改造擴建回風(fēng)系統(tǒng),將回風(fēng)量增大至降溫要求的 245 m3/s;優(yōu)化采區(qū)分風(fēng)調(diào)控方式,以中段為基礎(chǔ)、以采場為服務(wù)核心建立單元化可控式通風(fēng)系統(tǒng),將采場有效風(fēng)量率與風(fēng)速合格率提高至80%以上,進一步改善工作面排塵、排煙、降溫、祛濕效果,為深部開采創(chuàng)造更好的通風(fēng)安全條件。
致謝:參加本項優(yōu)化改造研究工作的還有張新普、李連鑫、呂富州、楊德學(xué)、楊光勇、張富國、李北林、李中彪、李瑞龍、單云山、鄭云勇、劉忠強、趙衛(wèi)平、余興旺、張旺等工程技術(shù)人員,并得到楚雄礦冶有限公司生產(chǎn)部、設(shè)計院,以及六苴銅礦、昆明冶金高等??茖W(xué)校冶金與礦業(yè)學(xué)院、科技處等有關(guān)部門的大力支持,在此一并致以衷心感謝。