李 輝李占炎李 浩王洪江秦 帥王天鑫楊清平

（1.中色非洲礦業(yè)有限公司;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院）

本研究重點(diǎn)對謙比希銅礦西礦體大盤區(qū)長距離多進(jìn)路采場通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化布置。同時，將通風(fēng)系統(tǒng)與礦山信息化系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)不同工藝環(huán)節(jié)需風(fēng)量的智能化調(diào)節(jié)控制，為采場生產(chǎn)創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，并在實(shí)現(xiàn)管理提升基礎(chǔ)上達(dá)到降本增效的目的。

1 采場局部通風(fēng)方案

1.1 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

西礦體用上向分層充填采礦法進(jìn)行回采，其工藝遵循“大盤區(qū)、高分段、高分層和長進(jìn)路”的原則，回采模式為采區(qū)斜坡道+采聯(lián)的盤區(qū)布置方式，各盤區(qū)內(nèi)具有獨(dú)立的通風(fēng)、充填、溜礦等系統(tǒng)。

目前，無軌化礦山最常用的方式是機(jī)械化通風(fēng)，根據(jù)采場通風(fēng)方式的差異，可分為抽出式、壓入式和混合式3種［3-4］。壓入式通風(fēng)是利用局扇風(fēng)機(jī)將新鮮風(fēng)經(jīng)風(fēng)筒壓送至采場工作面，污氣沿著巷道排出。壓入式通風(fēng)工作面的通風(fēng)時間較短，比較適用短巷道掘進(jìn)通風(fēng)。抽出式通風(fēng)是局扇風(fēng)機(jī)將采場工作面的污濁空氣經(jīng)風(fēng)筒抽排至排風(fēng)道，新鮮風(fēng)經(jīng)巷道進(jìn)入采場工作面。此通風(fēng)方式工作面的通風(fēng)時間長，比較適用較長巷道的掘進(jìn)通風(fēng)。混合式通風(fēng)方式具備了抽出式和壓入式的優(yōu)點(diǎn)，通風(fēng)效果較好，比較適合于大斷面長距離巷道掘進(jìn)時的通風(fēng)［5］。

西礦體采場原來通風(fēng)系統(tǒng)包括3臺風(fēng)機(jī)，采場內(nèi)部的溫度為33℃，濕度為94%，整體給人感覺較濕熱，出風(fēng)口風(fēng)量較小，百米漏風(fēng)率達(dá)到47%，能見度只能達(dá)30 m，整個通風(fēng)系統(tǒng)存在較多問題，給生產(chǎn)帶來許多不便。對于金屬非金屬礦山，獨(dú)頭工作面污濁空氣的主要成分是爆破后的炮煙及粉塵，局部通風(fēng)所需風(fēng)量主要以排出炮煙和粉塵為計(jì)算依據(jù)?？紤]到采場為長距離多進(jìn)路獨(dú)頭通風(fēng)，為保障通風(fēng)效果，須對目前通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，計(jì)劃采用壓入與抽出結(jié)合的混合通風(fēng)方式（圖1）。

新鮮風(fēng)流通過斜坡道入口處的壓入式通風(fēng)機(jī)進(jìn)入風(fēng)筒，進(jìn)風(fēng)筒由直徑為800 mm的剛性風(fēng)筒和直徑為900 mm的柔性風(fēng)筒拼接組成，新鮮風(fēng)流先經(jīng)剛性風(fēng)筒轉(zhuǎn)接進(jìn)入柔性風(fēng)筒，最后經(jīng)可調(diào)節(jié)的風(fēng)門三通和四通送至各工作面。出風(fēng)筒由直徑為800 mm的剛性風(fēng)筒組成，污風(fēng)沿剛性風(fēng)筒被通風(fēng)管攬井處的抽出式風(fēng)機(jī)抽出。

1.2 通風(fēng)參數(shù)計(jì)算

針對西礦體采場巷道及風(fēng)筒布置，巷道斷面為6 m×4.5 m，斷面積為27 m2；須對壓入式和抽出式通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行理論計(jì)算［6］。

風(fēng)筒出口到工作面的距離小于風(fēng)流有效射程Le時，壓入式通風(fēng)的風(fēng)量按照式（1）計(jì)算：

如：The weather in Beijng is colder than that in Guangzhou in winter.

式中，Qa為壓入式通風(fēng)風(fēng)量，m3/s；t為通風(fēng)時間，s；L0為炮煙投擲長度，電雷管或非電雷管起爆時L0=火雷管起爆時L0=15+A，m，A為一次爆破炸藥消耗量，kg；S為巷道斷面積，m2。

風(fēng)筒出口的有效射程按照式（2）計(jì)算：

式中，Le為獨(dú)頭巷道長度，m。

混合通風(fēng)方式中，抽出式通風(fēng)風(fēng)量按照式（3）計(jì)算：

式中，Qb為抽出式通風(fēng)風(fēng)量，m3/s。

風(fēng)筒出口的有效射程Le=20.8～26 m，取20 m；一次爆破炸藥消耗量A=220 kg；炮煙投擲長度L0=59 m；通風(fēng)時間t=2 400 s。則壓入式通風(fēng)風(fēng)量Qa=4.69 m3/s；抽出式通風(fēng)風(fēng)量Qb=5.6～5.9 m3/s?？紤]到采場多進(jìn)路同時回采，即至少滿足2個作業(yè)面同時作業(yè)的需風(fēng)量，則壓入式通風(fēng)風(fēng)量為9.38 m3/s，取10 m3/s；抽出式通風(fēng)風(fēng)量為11.3～11.7 m/s，取12 m3/s。

2 風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)共分為2種，分別選用CZF№7.5/45 kW型壓入式通風(fēng)機(jī)和CZF№8.0/37 kW型抽出式通風(fēng)機(jī)。壓入式通風(fēng)機(jī)安置于斜坡道入口處，抽出式通風(fēng)機(jī)安置于通風(fēng)管攬井處（圖1）。配置?800 mm的剛性風(fēng)筒，?900 mm的柔性風(fēng)筒，?800 mm連接彎頭、三通和微型自動調(diào)節(jié)風(fēng)窗，按照設(shè)計(jì)采場通風(fēng)方案進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型。風(fēng)機(jī)選型需要分別核算壓入式通風(fēng)機(jī)和抽出式通風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)壓。

本系統(tǒng)選擇的2種通風(fēng)機(jī)的風(fēng)筒直徑為800和900 mm，根據(jù)表1可求α值，則圓形風(fēng)筒沿程摩擦風(fēng)阻Rm計(jì)算公式為

式中，Rm為沿程摩擦風(fēng)阻，N·s2/m8；α為摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；L為風(fēng)筒長度，m；d為風(fēng)筒直徑，m。

圓形風(fēng)筒總風(fēng)阻R計(jì)算公式為

式中，R為總風(fēng)阻，N·s2/m8；λ為附加系數(shù)，一般取1.1～1.2。

局扇工作風(fēng)壓計(jì)算公式為

式中，H為局扇工作風(fēng)壓，Pa；Q為風(fēng)筒風(fēng)量（取Qa或Qb），m3/s。

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依據(jù)式（4）～式（6）計(jì)算風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓，見表2、表3。

通過以上計(jì)算可得，壓入式風(fēng)機(jī)總工作風(fēng)壓為1 188.06 Pa，抽出式風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓為832.94 Pa，與表4中2種風(fēng)機(jī)的參數(shù)對比可知，該壓入式風(fēng)機(jī)和抽出式風(fēng)機(jī)選型合適。

采場安裝前后數(shù)據(jù)對比主要從采場內(nèi)部的溫度、濕度、總回風(fēng)風(fēng)量、漏風(fēng)率、排炮煙時間、能見度、人員體感、風(fēng)機(jī)數(shù)量、風(fēng)機(jī)能耗、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、工程耗材及工程量等多方面因素進(jìn)行。西礦體升級后的通風(fēng)系統(tǒng)與舊通風(fēng)系統(tǒng)效果對比如表5所示。根據(jù)表5可知，升級后的通風(fēng)系統(tǒng)在各個方面均顯示出較好的效果，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的合理性。

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3 智能化通風(fēng)系統(tǒng)

井下生產(chǎn)區(qū)域通過布置安裝基站實(shí)現(xiàn)WIFI信號全覆蓋，用于人員定位、視頻監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸。同時，為了進(jìn)一步強(qiáng)化生產(chǎn)過程管理，以設(shè)備為主線，融合設(shè)備作業(yè)與設(shè)備運(yùn)行兩方面管理，開發(fā)了生產(chǎn)過程管控APP。形成設(shè)備從計(jì)劃創(chuàng)建、接車管理、計(jì)劃執(zhí)行過程管理、故障管理、交車管理、設(shè)備位置信息等全流程管控。各生產(chǎn)工序僅通過簡易操作（開始、結(jié)束及簡單信息錄入）方式進(jìn)行點(diǎn)擊確認(rèn)。智能化通風(fēng)系統(tǒng)操作流程如圖2所示。

智能化通風(fēng)系統(tǒng)在變頻風(fēng)機(jī)、智能開關(guān)、傳感器、上位機(jī)、操作系統(tǒng)等支持下，可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)參數(shù)的監(jiān)測及遠(yuǎn)程操作。同時，為了實(shí)現(xiàn)不同工序按需通風(fēng)，采場各生產(chǎn)工序需風(fēng)量設(shè)定值如表6所示。將生產(chǎn)過程管控APP各工序啟停信號接入通風(fēng)系統(tǒng)，依據(jù)不同工序?qū)︼L(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率進(jìn)行自動化調(diào)節(jié)，僅在特殊情況下進(jìn)行人工遠(yuǎn)程操作干預(yù)，真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化按需通風(fēng)，部分自動化調(diào)節(jié)裝置如圖3所示。

4 結(jié)論

（1）為改善大盤區(qū)長距離多進(jìn)路采場通風(fēng)難問題，選用壓抽結(jié)合的混合機(jī)械化通風(fēng)方式。

注：采場無作業(yè)情況默認(rèn)需風(fēng)量為0 m3/s。

（2）以作業(yè)面排出炮煙及粉塵為依據(jù)，計(jì)算得到在滿足2個作業(yè)面同時作業(yè)情況下的采場需風(fēng)量；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合盤區(qū)系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)，實(shí)施了采場機(jī)械化混合通風(fēng)方式。

（3）計(jì)算得到采場不同工序條件下的需風(fēng)量，通過將生產(chǎn)過程管控APP不同工序，啟停信號接入通風(fēng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采場不同工序的按需通風(fēng)需求。不僅保證了采場的通風(fēng)質(zhì)量及時效性，而且大大提高了能源利用率。