多中段开采单元通风方式的研究与应用

谭星宇，杨 倩，盛建红

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

我国是一个资源消耗大国，随着国民经济的迅速发展，矿产资源的需要与日俱增，很多矿山开始扩产扩能，很多大型矿山开始步入深部开采[1]。大中型地下开采金属矿山由于开采深度增加和范围扩大，形成了更为复杂的通风网络，为矿山通风带来了很多复杂难题，如：矿山多区域多中段同时开采，采掘作业面分散，风量按需分配困难，有效风量率较低；多风机联合运转，风机运行效率较低，通风系统能耗高；风流路线加长，矿井风阻增大，其中回风段风阻增大尤为突出；漏风、污风串联、污风循环、风流短路等现象严重。因此，根据矿山实际情况，选择和构建科学合理的通风方式，改善井下作业环境，减少安全生产事故具有重要意义。

1 单元通风

矿井通风系统宏观构建方案，根据系统结构可分为统一通风、分区通风和单元通风三种类型[2]。单元通风由段永祥、王育军等人提出[3-4]，所谓单元通风，是依据各矿用风部分通风网络结构和采掘规划布局,以工作面为核心，将用风部分复杂通风网络划分成若干个相对简单的、相互独立的、现有手段可以调控的、分风稳定性能够适应生产工作面变化的通风单元,用风机等调控措施控制风流按需分配。单元通风以工作面为核心，将复杂通风系统单元化后，具有风流调控相对容易、有效风量率高和通风能耗小等优点，且能有效地控制漏风和污风串联。通过近20年的发展，单元通风在国内大中型矿山得到了较为广泛的应用，取得了明显的效益，如：云南大红山铁矿[5]、西藏甲玛多金属矿[6]和云南大姚铜矿[7]等。

2 多中段开采单元通风方式的研究

对于开采极薄(厚度小于0.8 m)或薄矿体(厚度0.8～4 m)的大中型金属矿山，由于产量的要求，受矿体赋存和目前开采工艺的制约，多采用多中段同时开采，通风系统存在风流调控困难，风机效率低等问题。本文针对开采极薄矿体或薄矿体且为急倾斜矿体(倾角大于55°)的金属矿山，运用单元通风的原理，提出一种多中段开采单元通风的构建方式，典型构建方式如图1。矿山通常由进风井巷、回风井巷和生产中段等组成，如图1有6个生产中段。

图1 多中段开采单元通风典型构建方式图Fig.1 Typical construction mode of multi-section mining unit ventilation

单元通风方式的构建：

1)将多个生产中段分成若干通风单元，各单元通风相对独立，新鲜风由进风井进入各单元，单元污风回至回风井。如图1将6个生产中段2个通风单元，新鲜风由进风井进入各单元，各单元污风通过回风井排出地表。单元污风直接排至回风井巷内，可避免单元之间的污风串联；各通风单元共用进风和回风井巷，相对于分区通风不需设置独立的进风和回风井巷，可减少工程投入。

2)每个通风单元可由两个或两个以上中段组成，单元内安装一台单元主扇，负责该单元的通风，设置1条单元回风井，负责单元回风，通过设置调节风门、调节风窗等调节设施调节单元内各中段的风量。如图1通风单元(一)由一、二、三中段组成，安装一台单元辅扇，设置1条单元回风井，一、二、三中段污风进入单元回风井，一、二中段单元主扇侧分别设置调节风门和调节风窗。各单元有相互独立的通风网络，自成体系的通风动力和调控设施，便于各单元和单元内各生产中段的风量调控，单元的风量通过单元主扇调控，单元内各生产中段的风量通过中段调节设施调控，可实现风量按需分配，从而提高有效风量率，降低主扇能耗；相对于在回风井安装主扇，安装两台单元主扇，可减小井下最大负压，减少系统漏风。

此外，上部单元回采结束时，单元回风井与回风井巷并行，可利用单元回风井作为辅助回风井。如图2，随着矿山开采的深入，通风单元(一)回采结束后，在单元回风天井附近封堵一、二、三中段，掘进天井联通三中段与四中段，作为辅助回风井。对于进入深部开采的矿山，利用单元回风井作为辅助回风井，相当于增加回风井巷的断面，利于深部开采通风，可大大降低回风段的风阻。

图2 利用单元回风井作为辅助回风井示意图Fig.2 Schematic diagram of using unit return-air shaft as auxiliary return-air shaft

3 多中段开采单元通风方式应用

河南某金矿采用平硐+竖井+盲斜井联合开拓，目前主要开采ⅣN2-1、ⅣN2、ⅣS和Ⅳ3四个矿体，均为不规则脉状矿体，平均倾角65°～70°，平均厚度为3.2～4.2 m。矿围岩均极不稳固，采用下向进路充填法采矿，采场生产能力约为30 t/d。矿山生产能力25万t/a，日生产任务为760 t，需22个采场同时作业才能满足矿山生产要求。目前有+250 m、+210 m、+170 m、+130 m、+90 m、+50 m和+10 m中段共7个中段，其中+210 m和+170 m中段为残采中段，+130 m、+90 m、+50 m和+10 m中段为回采中段，共有6个生产中段。

3.1 矿山通风系统现状

矿山采用两翼对角抽出式通风，新鲜风由中央主井、副井进入，经各中段石门进入生产中段；污风回至东、西两翼回风井，再排出地表，通风系统现状图如图3。东、西两翼回风井口各安装一台主扇，井下共安装4台辅扇，主扇、辅扇安装位置和参数见表1。

通过通风系统现状测定和分析，主要存在以下问题：

图3 通风系统现状示意图Fig.3 Schematic current diagram of ventilation system

主、辅扇安装位置型号电机功率/kW东翼主扇东翼回风井口K45-4-No1030西翼主扇西翼回风井口K45-4-No1030130 m中段东翼辅扇130 m中段东翼K45-4-No1030130 m中段西翼辅扇130 m中段西翼K45-4-No103010 m中段东翼辅扇10 m中段东翼K40-4-No101510 m中段西翼辅扇10 m中段西翼K40-4-No910

1)主、辅扇串联作业，联合作业方式不合理，风机运行效率低。东、西翼主扇分别与+130 m中段东、西翼辅扇串联，型号相同，东、西翼主扇分别负责矿山东、西翼回风，+130 m中段东、西翼辅扇分别负责+130 m中段及以下东、西翼回风，主扇与辅扇通过风量不同，必然有两台风机工作效率低。通过实测：东翼主扇、西翼主扇、+130 m中段东翼辅扇和+130 m中段西翼辅扇效率分别为62.5%、68.2%、41.7%和46.4%，辅扇运行效率低。

2)矿山总风量不足。经计算矿山总需风量为59.04 m3/s，主、副井总进风量为34.63 m3/s，较总需风量少24.41 m3/s，不能满足生产需要。

3)各生产中段风量分配不合理。+210 m、+130 m和+10 m中段进风量分别为9.49 m3/s、10.97 m3/s和8.84 m3/s，占各中段总进风量的84.6%；+170 m、+90 m、+50 m中段进风量分别为2.23 m3/s、4.78 m3/s和0 m3/s，这部分中段布置有较多采掘作业面，中段风量不足。

4)风流反向、污风串联。+170 m、+50 m中段东翼回风侧和+170 m西翼回风侧风量反向，风流从东、西翼回风天井进入中段运输巷，污风重新进入+170 m、+50 m中段采场，重复使用。

已探明矿山+10 m以下赋存资源较好，将继续深入开采。由于矿山通风系统存在以上主要问题，制约矿山目前的生产和深部开采，需对通风系统进行优化改造。

3.2 基于单元通风的通风系统改造

1)通风系统优化改造方案

根据矿山目前开拓系统和通风系统存在的问题，运用前文所述单元通风方式构建原理，提出该金矿多中段开采单元通风优化改造方案，优化改造方案示意图如图4。全矿由主井、副井进风，东、西两翼回风井回风；井下生产区域设置4个通风单元(分别为：250～130 m东翼单元、250～130 m西翼单元、90～10 m东翼单元、90～10 m西翼单元)，各安装一台单元主扇，负责该单元的通风。各单元分别设置单元回风井(分别为：250～130 m东翼单元回风井、250～130 m西翼单元回风井、90～10 m东翼单元回风井、90～10 m西翼单元回风井)，负责单元回风；单元内各中段设置调节风门或调节风窗，负责调节单元内中段风量。此方案以生产中段和工作面为核心设置通风单元，单元主扇并联作业，风量按需调节灵活。今后矿山开采深度增加，上部250～130 m东、西翼单元回采结束时，可利用250～130 m东、西翼单元回风井作为辅助回风井，降低回风段的风阻，利于深部开采通风。

图4 单元通风优化改造方案示意图Fig.4 Schematic diagram of unit ventilation optimization plan

2)需风量计算和风量分配

通过计算，回采作业面的需风量为1.38 m3/s，备采作业面的需风量为0.69 m3/s，掘进作业面的需风量为1.15 m3/s。矿山回采作业面26个，备采作业面6个，掘进作业面8个，各中段采掘作业面的分布和需风量如表2，全矿总需风量为59.06 m3/s。250～130 m东、西翼单元需风量均为13.52 m3/s，90～10 m东、西翼单元需风量均为16.01 m3/s。

3)单元主扇选型

通过风量分配结果，计算各单元主扇应提供的风量和风压，根据计算结果选择单元主扇。如表3为选型结果表，由选型结果可知，通风系统改造后风机总装机功率为120 kW，改造前风机总装机功率为145 kW，改造后通风系统能耗将降低。

3.3 数值模拟与分析

根据通风系统优化改造设计，运用AutoCAD和Ventsim软件建立通风系统三维模型，然后运用Ventsim对改造后通风系统进行仿真模拟和分析。Ventsim软件风流模拟采用Hardy—cross法进行风网解算(回路法)，根据三维模型属性数据、风量平衡定律、风压平衡定律、风阻定律来建立数学模型，经过多次迭代至收敛，得出解算结果[8-9]。表4为该矿山单元主扇模拟运行情况和主要通风井巷的模拟风速和风量。

表2 需风量计算结果表

表3 单元主扇选型表

表4 通风系统模拟结果

由模拟结果可知：

1)主井、副井的总进风量为62.89 m3/s，矿山总需风量为59.06 m3/s，系统总进风量满足生产需要。

2)250～130 m东、西翼单元风量分别为13.71 m3/s、13.75 m3/s，90～10 m东、西翼单元风量分别为16.58 m3/s、16.81 m3/s，能满足各单元的生产要求，各单元和中段风量实现了按需分配。

3)各单元主扇运行效率较高，均大于75%，风机运行工况合理。

4 结论

1)分析目前矿山多中段同时开采通风系统存在的主要问题，运用单元通风的原理，提出了一种多中段开采的单元通风方式，适用于开采急倾斜极薄或薄矿体的金属矿山。

2)将多中段开采单元通风方式应用于河南某金矿通风系统优化改造，根据矿山开拓系统布置，设置了4个通风单元，解决了目前通风系统存在的主要问题，实现了各生产中段风量按需分配，降低了通风能耗。