改扩建高山矿井通风系统优化设计与研究.pdf

彭斌（1987），男，工程师，410012 湖南省长沙市。改扩建高山矿井通风系统优化设计与研究彭斌1，2（1.长沙矿山研究院有限责任公司；2.金属矿山安全技术国家重点实验室）摘要某改扩建高山矿井通风系统极其复杂，存在通风量无法满足生产需求，井下漏风、风流短路等问题严重，夏季自然风压大，深部平硐反风严重等问题。针对矿井通风系统存在的问题，采用了简化、缩短矿井通风线路，优化主扇运行工况和新增586 m回风平硐主扇，采用充填、密闭等方式隔离407 m以上采空区来控制自然风压等优化措施。采用Ventsim软件建立矿井通风系统三维仿真模型进行网络解算，解算后的矿井总进风量为349.8 m/s，预期通过采取一系列优化措施后的矿井通风系统可以满足井下生产通风需求。关键词高山矿通风系统自然风压DOI：10.3969/j.issn.1674-6082.2023.08.020Optimization Design and Research on Ventilation System of Reconstruction and Expansionof Alpine MinesPENG Bin1，2（1.Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.;2.State Key Laboratory of Safety Technology of Metal Mine）AbstractThe ventilation system of a reconstructed and expanded alpine mine is extremely complex.There are some problems in the ventilation system，such as the ventilation volume can not meet the production demand，the underground air leakage，the short circuit of the air flow，the large natural wind pressurein summer，and the serious reverse wind in the deep adit.In view of the problems existing in the mine ventilation system，the optimization measures such as simplifying and shortening the mine ventilation line，optimizing the operating conditions of the main fan，adding the main fan of the 586 m return air adit，and isolatingthe goaf above 407 m by filling and sealing to control the natural wind pressure are adopted.Ventsim softwareis used to establish a three-dimensional simulation model of mine ventilation system for network solution.The total air intake of the mine after solution is 349.8 m3/s.It is expected that the mine ventilation system after a series of optimization measures can meet the needs of underground production ventilation.Keywordsalpine mines，ventilation system，natural ventilation pressure总第 652 期2023 年 8 月第 8 期现代矿业MODERN MININGSerial No.652August.2023高山矿一般采用平硐+斜坡道（斜井）的开拓方式，根据生产的需要，会在不同的中段开拓多个通达地表的平硐，以满足生产的需要，形成多条不同高差的进风井口和回风井口，形成极其复杂的生产系统1-2。随着开采的推进，高山矿井通风系统的管理工作也越来越困难。当环境温度产生较大变化时，将会形成很大的自然风压影响井下的通风3-4。特别是对于改扩建的老矿井，现有的通风系统已经无法适用改扩建后的生产通风需求，且通风问题频出，影响生产作业安全。因此，对通风系统进行优化设计势在必行5。1工程概况1.1通风系统现状湖南某高山矿井通风系统采用两翼对角通风方式。现主要进风口为490 m红旗大巷、490 m汽运大巷、518 m 西部斜井、西北平巷和太平里巷，上部的620 m平硐和最低385 m水平有轨运输平硐。矿井主要的回风井口有586 m回风平硐、470 m82现代矿业2023 年 8 月第 8 期总第 652 期回风平硐、490 m回风平硐和536 m回风平硐，东回风井已经停用（586 m回风平硐内未安装主扇）。470 m回风平硐主要服务407470 m水平。490 m回风平硐主要负责490 m水平西北部作业区域、放矿及上部水平部分下来的污风排放。470 m回风平硐和490 m回风平硐内各安装 1 台 FKZ40-6-.22 型 250 kW 风机。536 m回风平硐主要负责536m水平西北部0#盘区作业区域污风排放，安装1台FKZ40-8-.20型75kW风机。由于矿山长期采用分段凿岩阶段矿房法进行采矿且未进行充填，在470 m水平以上已经形成大量的采空区，严重影响矿井的通风安全。特别是在炎热的夏季，地表和井下温差较大，产生的自然风压已经对通风系统产生严重影响，甚至在385 m有轨运输平硐产生反风问题。1.2通风系统问题分析矿山在改扩建后，整个通风系统产生了很大变化，特别是井下增加大量的作业面，现有通风系统已经无法满足改扩建后的生产通风需求。通过对井下通风系统进行全面地测定与调查，矿井通风系统存在主要问题如下所述：（1）通风系统无法满足改扩建后的通风需求。经测定，矿井总回风量为243.6 m/s，已经无法满足改扩建后247.5万t/a生产规模的通风需求。其主要原因为586 m回风平硐内未安装主扇，导致矿井整体的回风量不足。（2）采空区未充填，漏风、短路问题严重。由于矿山长期采用分段凿岩阶段矿房法回采矿石，未及时对采空区进行充填处理，导致470 m水平以上形成大量的采空区，且各采空区之间相互连通，导致井下出现风流短路、漏风、串联风等问题，严重影响矿井生产作业通风安全。（3）自然风压影响大，深部平硐反风。矿山为高山矿，采用平硐+盲斜井开拓，最高的 620 m 平硐为进风平硐，最低385 m无轨运输巷道也为进风平硐，各个井口高差大。在夏季时期，地表和井下形成较大的温差，很容易形成大的自然风压。现有风机的通风动力无法有效克服夏季严重的自然风压动力，导致深部 385 m 无轨运输巷道反风，反风量达到 35m/s，甚至490 m的运输大巷也出现反风现象，反风量为15 m/s。（4）东部和北部生产作业通风条件差。由于矿井北部缺少完善的中段通风井巷，490 m回风平硐风机无法服务北部的作业区域，导致北部作业区域的进回风困难。且东回风井586 m回风平硐内缺少主扇，东部作业区域无法有效回风，导致东部作业区域回风困难，作业区域通风条件差。因此，针对本矿井通风系统存在的问题，进行优化设计已势在必行。必须完善通风网络、优化主通风设备和增设通风构筑物等措施，确保改扩建后的通风系统能满足未来的正常生产通风需求。2矿井需风量复核根据 金属非金属矿山安全规程 的要求，硐室型采场不小于0.15 m/s，巷道型采场和掘进巷道不小于0.25 m/s，电耙道和二次破碎巷道不小于0.5 m/s6。结合同时作业的不同工作面类型和数量，按排尘风速计算的各工作面需风量以及矿井总需风量。一般按采场、掘进作业面、铲装运作业面和各类需风硐室的排尘风速要求计算矿井总需风量。计算的具体结果详见表1。取内部漏风系数为1.15、外部漏风系数为1.10，则总漏风系数 K1.27，确定矿井通风系统总需风量为329 m/s，年产万吨耗风量比为1.33 m/s。3高山矿井通风系统优化设计3.1通风优化宏观方案针对矿井通风系统存在问题、通风现状以及改扩建后长远规划，考虑采用中央多井进风、两翼回风井回风的两翼对角抽出式通风方式。利旧现有的进风井和回风井，并重新启用 586 m 回风平硐进行回风。矿山在改扩建后，主要解决矿井通风系统回风量不足、东部和北部生产作业通风条件差、内部漏风和风流短路以及自然风压影响等问题。因此，在现有风机不变的情况下，考虑在586 m回风平硐内新增合适风机，增加矿井回风量，重新规划通风线路，简化通风网络，设置通风构筑物等，设计采用嗣后充填法逐步对现有的采空区进行充填处理。83彭斌：改扩建高山矿井通风系统优化设计与研究2023 年 8 月第 8 期3.2通风优化设计方案基于上述通风优化宏观方案，通过采用相应的优化设计措施，需达到增加回风量，控制新风短路、漏风和串联风以及自然风压等目标7。综合矿井通风系统存在的问题和改扩建后长远规划，具体通风优化设计方案如下所述。（1）完善通风网络。根据开拓系统布置情况、开采现状及采矿方法，采用中央多井进风、两翼回风的两翼对角抽出通风方式，并重新启用586 m回风平硐进行回风。为完善井下局部区域的回风网络，将470385 m中段的3#措施井、4#管道井改造为深部中段进风井，缩短深部中段的进风线路。利旧主运输斜坡道和385 m无轨运输巷道作为470 m以下中段的辅助进风通道。为加强385 m中段东部放矿点的回风，东回风井延伸至385 m中段。为解决矿井北部的回风问题，将490 m中段以上北部的N2溜井、N4溜井进行扩刷，扩刷断面尺寸均为2 m2 m，将其改造为610490 m中段北部作业区域的回风井，用于北部采区的回风。（2）控制自然风压。由于该矿的进风井和回风井井口存在很大的高差，当井下和地表存在较大温差时，就会产生自然风压8。该矿的最高平硐标高为620 m，最低平硐标高为385 m，且井下存在大量相互连通的采空区。矿区井下平均气温为17，最热月最高气温35，最冷月平均气温4。自然风压计算如下8：Hn=0.034 1kP0Z()1T1-1T2，式中，k为修正系数，k=1+（Z/10 000）；Z为由井口到井底最深处的深度，m；P0为井口气压，Pa；T1、T2为进、出风井的平均绝对温度，K。通过计算，夏季最热月矿井的自然风压值为-112.5 Pa，冬季最冷月矿井的自然风压值为61.2 Pa。从计算结果可知，其夏季自然风压不利于矿井通风，冬季自然风压有助于矿井通风。况且在夏季炎热时期，现有风机无法有效克服矿井的自然风压的影响。为解决自然风压对矿井通风系统带来的影响，结合本次改扩建采用的嗣后充填采矿法，将会对已形成的采空区进行处理规划。因此，此次优化设计将对各个中段的采空区的联络巷采取设置永久密闭墙、风门或者临时密闭的措施。为解决自然风压对通风系统的影响，将对多个中段的采空区联络巷采取设置密闭墙、临时密闭的措施。在未来的生产活动中还需合理规划生产作业面，避免太多的采空区相连通，对控制自然风压带来不利影响。（3）新增主扇，增加回风量。通风量不足是影响井下通风安全的重要因素，改扩建后现有的主扇已经无法满足329 m3/s的生产通风需求，因此必须启用已经停用的东回风井，并在东回风井的586 m回风平硐内安装一台主扇。基于东部区域的作业安排，对东回风井分配88 m3/s的回风量，最低服务中段为385m中段。对风机选型时分别计算矿井困难和容易时期的通风总阻力（包含考虑自然风压的影响）。经过计算，东回风井在困难时期和容易时期的通风总阻力分别为1 102和871.5 Pa。根据风量分配和通风总阻力计算结果，初步选定1台FKZ40-6-.22型250kW风机，风机风量范围为61.3113.4 m3/s，风压范围为3721 716 Pa。（4）通风构筑物优化设计。为保证坑内风流畅通、合理分配，需在井下设置风门、调节风门、密闭等构筑物。在生产过程中，须灵活应用风门、风窗、风墙等通风设施调节风流，及时对开采完毕的中段的回风道进行封闭，确保新鲜风进入下部中段，以满足安全生产需要。4矿井通风系统网络解算Ventsim是一款专业的多功能通风系统三维仿真软件，适应性较广，适用于复杂矿山通风系统以及多级机站通风系统的优化，可以快速选择风机型号，科学合理地确定风机位置、风机的叶片安装角和风机频率等。可将通风网络进行三维动态图形展示和网络模拟解算，从而验证通风优化设计方案的合理性和预期效果9。此次优化设计将对470 m回风平硐和490 m回风平硐内分别安装的 FKZ40-6-.22 型 250 kW 的风机、536 m回风平硐内的FKZ40-8-.20型75 kW的风机和东回风井586 m回风平硐内新增的FKZ40-6-.22型250 kW风机进行模拟解算。模拟后的风机工况详见表2。通过网络解算（表3），矿井通风系统的总回风量为349.8 m3/s，总进风量为349.8 m3/s。5结语（1）对改扩建矿井通风系统进行优化设计，必须要全面调查矿井通风系统现状，掌握矿井通风系统主进风井、主回风井和主扇等主要通风工程的参数，以利于对通风系统进行科学、准确的优化设计。（2）一般高山矿的进、回风井井口标高都存在很大的高差，从而形成较大自然风压。特别是对于复杂的改扩建的高山矿，在对改扩建矿井通风系统进行优化设计时，必须简化通风网络，合理规划通风线路，对井下的采空区和废弃巷道等采取相应的封闭84现代矿业2023 年 8 月第 8 期总第 652 期措施，并利用主扇动力克服自然风压。（3）采用Ventsim软件对改扩建通风系统进行三维建模及网络解算，将有助于对矿井系统的优化设计。通过对该矿通风系统进行网路解算，总进风量为349.8 m/s。预期本次优化设计后的进风量可以满足井下生产通风需求，控制井下自然风压，解决平硐反风问题，改善作业环境。参考文献1吴超.矿井通风与空气调节 M.长沙:中南大学出版社，2008.2彭家兰，王海宁.改扩建矿井通风系统考察与优化 J.工业安全与环保，2014，40（7）:1-3，37.3胡汉华.矿井通风系统设计-原理、方法与实例 M.北京:化学工业出版社，2010.4王海宁，彭斌，彭家兰，等.大型复杂矿井通风系统的共性问题分析与优化实践 J.安全与环境学报，2014.14（3）:24-27.5周志杨，王海宁，晏江波，等.改扩建矿井通风系统优化及动态管理模型创建 J.有色金属工程，2017，7（5）:75-79.6中华人民共和国应急管理部.GB 164232020 金属非金属矿山安全规程 S.北京:中国标准出版社，2020.7杨斌，曾小辉，杨建安.某铜铁硫矿选矿厂改扩建设计与生产实践 J.有色冶金设计与研究，2016，37（4）:4-6.8余志剑，彭涛，彭斌.矿井自然风压与主扇变频系统匹配节能技术研究 J.中国矿业，2015（z1）:324-328.9聂军，陈新.基于 Ventsim 的矿井通风系统优化及应用 J.黄金，2021，42（5）:29-33.（收稿日期 2022-12-22）（上接第81页）高度对充填体稳定性影响较大，是确定充填体强度主导因素，充填体需求强度随着充填体暴露高度的增加而不断增加；采场宽度和长度对充填体稳定性的影响较小。（2）借鉴国内大型铁矿山工程经验，进行胶结充填体设计强度工程类比研究，在综合分析的基础上，确定该铁矿充填体设计强度：一步采矿房顶部5 m厚和底部5 m厚充填体28 d设计强度2.5 MPa，中下部2.0 MPa，中部1.5 MPa；二步采矿柱顶部5 m厚和底部5 m厚充填体28 d设计强度2.0 MPa，中部1.0 MPa。参考文献1徐小马.巷式充填开采充填体合理强度研究 J.煤矿安全，2017（9）:70-72.2占飞，付玉华，杨世兴.某铜矿胶结充填体的强度值设计 J.有色金属科学与工程，2018，9（2）:75-80.3杨清平，王少勇，刘洪斌.适应大型采掘设备运行的充填体强度研究 J.采矿技术，2019，19（6）:31-34.4邱景平，郭镇邦，陈聪，等.上向进路充填采矿法充填体强度设计 J.中国矿业，2018，27（11）:104-108.5林日和.铁矿采场充填体合理强度研究 J.福建冶金，2021（1）:9-13.6温震江，肖柏林，韦寒波，等.基于能量匹配关系确定胶结充填体固化时间及合理强度 J.岩石力学与工程学报，2021，S（1）:2701-2707.（收稿日期 2022-12-06）85