高海拔矿山通风系统改造方案优选研究

姚银佩，欧志成，李印洪，周英烈

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院，长沙 410014；2.四川鑫源矿业有限责任公司，四川 甘孜 626000；3.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室，长沙 410014)

四川鑫源矿业有限责任公司呷村银多金属矿是一座资源较丰富、品位高、易开采、难分选、工艺流程较复杂的银、铜、铅、锌、金等多金属矿山采选企业。矿山采用平硐开拓，主平硐设在3 886 m。经过多年的开采，井巷纵横交错，错综复杂，现井下有8个中段，其中4 200 m中段以上均已采完，采掘作业面主要分布在4 160 m、4 100 m、4 050 m、4 000 m、3 886 m等5个中段。矿山计划生产能力逐年提高，年产矿石量从50万t/a逐渐提升至100万t/a。

尽管近几年矿山对井下通风系统进行了调整，但效果不佳，由于呷村矿区地表塌陷形成“天窗”，造成井下通风系统短路漏风；同时矿山地处高海拔地区，属于高山采矿通风类型，空气含氧量低，尤其是井下开采新鲜空气需氧量大，并且地表气温变化大，致使矿井通风系统受自然风压影响较大，风流方向随季节而变化，寒冷季节主要进风平硐口面临结冰等问题，造成矿山井下需风量不足，污风串联严重，炮烟难以较快排出地表，影响井下正常的安全生产。所以，对呷村银多金属矿当前井下通风系统进行调查测定，并结合深部资源开采进行研究分析，以满足矿山井下生产通风需求，确保安全生产[1]。

1 通风系统现状

呷村银多金属矿井下的通风现状为单翼对角抽出式通风系统。进风从4 200 m、4 160 m、4 100 m、4 050 m、3 886 m中段平硐+斜井进入井下各中段生产区域，回风利用位于0线、7线回风井，分别由安装在4 250 m中段两个出口的两台K45-6NO.18-160 kW主扇抽出地表。井巷掘进工作面、各种硐室、装卸矿点以及采场工作面采用局扇或辅扇辅助通风。

2 通风系统存在问题分析

根据呷村多金属矿井下通风系统现场调查与测定[2]，分析目前矿山井下通风系统主要存在以下问题：

1)通风系统回风量小。0线风井和7线风井主扇安装硐室检修门变形损坏，风流短路严重，两台主扇的回风量之和为78.1 m3/s。若呷村多金属矿产量增加至100 万t/a来计算，矿井需风量应为176 m3/s，而现有通风系统风量仅能够满足生产需求的44.3%。

2)上、下中段之间未形成良好的中段通风网络，存在污风串联，污风排出困难，致使通风效果较差。

3)矿山地处高海拔地区，井下开采使用单翼对角地表抽出式主扇通风，与高海拔矿井通风方式不匹配[3]。

4)0线回风井位于矿体的中央下盘，距离矿体水平距离超过200 m，难以作为矿块回采回风井使用，仅宜作为溜井卸矿作业排尘使用。

5)7线回风井断面规格为2.5 m×2.5 m，断面积较小，不具备全矿统一通风回风能力。

6)井下开采导致4 250 m中段0线、7线两条通地表的主回风平硐发生变形，并有增大的趋势，需对井下空区及时治理，防止主回风平硐破坏。

7)通风系统目前使用的电热设备预热冬季进风，能耗高，预热进风效果差，不能满足冬季作业进风预热需求。

8)矿山当前通风系统调控手段单一。

9)矿山进入深部开采后，仅有3 886 m平硐和明斜井进风，断面小，阻力大，不能满足通风系统进风需求。

3 通风系统方案

3.1 通风系统方案的确定因素

呷村银多金属矿井下通风系统方案的确定要考虑很多因素，主要有以下方面：

1)矿山开采期限长，开采范围广，开采中段多，井下开拓系统比较复杂，复杂通风网络宜采用分区式多翼通风方式。

2)呷村银多金属矿井下通风系统中段之间的回风井断面小，通风系统阻力大，主扇风量小、风压偏低，通风系统能力小，与井下生产系统不相匹配，需通风增加进回风井断面、增大主扇能力来解决现有通风系统能力不足的问题。

3)呷村银多金属矿地处高原(海拔3 886～4 300 m)，低压缺氧，对人和设备的工作效率具有不良影响，使用增压通风方式改善井下氧气含量低的情况，提高井下环境舒适度[4]。高原地区电机效率偏低，高原主扇应使用高原电机并考虑降效问题[5]。

4)针对矿山冬季寒冷，低温冰冻影响生产的实际生产经验，现使用的冬季进风电预热系统运行费用高，且预热进风效果不佳，而矿山上部生产结束中段巷道位于地层恒温带或增温带，具有地温预热进风流的基础条件[6-7]。

5)结合矿山实际生产条件，充分利用现有井巷工程和设备设施，满足生产需求，确保系统安全可靠，力求技术可行经济合理。

3.2 通风系统方案

3.2.1 通风系统方案的提出

根据呷村银多金属矿井下开采技术条件、井下通风系统实际情况，结合有关规定，提出了两个可行的通风系统方案，并对两个方案进行论述及技术经济比较。

方案一：中央进风两翼回风对角抽压混合式地温预热通风系统方案；

方案二：单翼进风对角抽出式电预热通风系统方案。

3.2.2 中央进风两翼回风对角抽压混合式地温预热通风系统方案(方案一)

1)进风路线

寒冷季节进风路线：新鲜空气从4 200 m中段主平硐口进入，4 200 m中段1线新掘进风井至3 886 m中段，并与4 160～3 886 m等中段连通，解决以上各中段进风，新鲜风流经中段下盘运输巷、穿脉到达各作业点。寒冷季节时安装在4 200 m中段的压入式主扇按工频运转，将新鲜风流压入井下各中段。在寒冷季节地表新鲜冷空气经过与4 200 m平巷、1线专用主进风井周围岩温预热后进入各中段，同时将6线(新掘)、7线抽出式主扇变频降速运转，促使抽出式主扇风量小于压入式主扇风量，预热后的中段风流少量风量从 4 160～3 886 m等各平硐口及明斜井微速出风，以解决寒冷时期的冻井问题[8]。

炎热季节进风路线：新鲜空气从4 200 m中段主平硐口进入，在4 200 m中段1线位置新掘专用进风井通3 886 m中段，并与4 160～3 886 m等中段连通，解决以上各生产中段的进风，其新鲜风流经中段下盘运输巷、穿脉到达各作业点。在4 200 m中段1线以北入风巷安装压入式主扇，并根据井下生产作业量对通风系统要求对该主扇进行变频降速调控，将安装在4 200 m中段6线(新掘)、4 250 m中段7线抽出式主扇按工频运转，致使抽出式主扇风量大于压入式主扇风量，促使4 160～3 886 m等各中段平硐口及明井进风。

2)回风路线

在现有通风系统中，各中段下盘运输道既是新鲜风流进入通道，也是联通主回风井，收集污风的排出通道，造成污风串联和漏风现象，故对现有通风系统的污风排出通道进行优化调整。将4 100～3 886 m等各中段矿体穿脉之间上盘连通，形成上盘回风道，构建平行双巷式中段通风网络，使各中段作业面污风经上盘回风道汇集至6线北翼回风井(新掘)和7线南翼回风井，分别由4 200 m中段、4 250 m中段回风平硐主扇排出地表。0线风井作为溜井卸矿作业排尘使用，见图1。

图1 中央进风两翼回风对角抽压混合式地温预热通风系统方案示意图Fig.1 Schematic diagram of forced-exhaust diagonal ventilation scheme preheating by ground temperature with central intake and two wings return

3.2.3 单翼进风对角抽出式电预热通风系统方案(方案二)

1)进风路线

进风路线延续现有通风系统各中段平硐进风路线，夏季进风路线与寒冷季节进风线路相同，即由3 886 m主平硐、4 160、4 100、4 000、3 950 m等各中段平硐、4 100 m明斜井进风，经中段下盘运输巷、穿脉到达各作业点。考虑到冬季平硐及部分作业点结冰影响生产，在各进风口设置电热器，按照进风量的大小，分别安装数台50 kW的电热器，对进风风流进行加热，抑制或防止平硐口、下盘运输道、部分采场结冰。同时，考虑到3 886 m以下深部中段开采进风不足，仍需掘进1线4 200 m至3 886 m专用进风井。

图2 单翼进风对角抽出式电预热通风系统方案示意图Fig.2 Schematic diagram of single wing intake diagonal extraction ventilation scheme with electric preheating

2)回风路线

回风路线与方案一类似，在采矿过程中，将4 100～3 886 m等各中段矿体穿脉之间的上盘连通，形成上盘回风道，构建平行双巷式中段通风网络。不同于方案一的是，各中段作业面污风经上盘回风道汇集后，污风进入南翼7线回风井、13线回风井(新掘)并联回风，经由地表主扇排出。0线风井作为溜井卸矿作业排尘使用(图2)。

4 通风系统方案优选

1)方案技术优缺点对比

两个方案优缺点对比见表1。

表1 通风系统方案技术比较表

2)方案费用对比

方案费用比选主要内容包括工程费、设备费及运行费用等。

方案一主要工程为中央1线进风井、北翼6线回风井等，工程费用为813.11万元，方案二主要工程为中央1线进风井、13线回风井等，工程费用为813.83万元，两个方案的工程费用基本相同。

根据通风系统方案阻力计算，方案一通风系统使用5台主扇，需新购风机4台，两台型号为K40-6-NO.21-200 kW，另两台型号为K45-6NO.19-200 kW，设备费用为185.89万元。方案二使用3台主扇，需新购主扇2台，型号K45-6-NO.21-250 kW，计188.64万元；冬季采用电热器预热进，需50 kW矿用电热器64个，计91万元，设备费用为279.64万元。

方案一使用5台主扇，额定功率为900 kW，通过变频运转，实际运转功率约为700 kW，年耗电量为4 905 600 kW·h/a。

方案二使用4台主扇及3 200 kW的电热器，主扇功率660 kW，电预热器全年平均摊入700 kW，年耗电量为11 086 656 kW·h/a。

按电费0.5元/度计算，方案一年电费为245.28万元，方案二年电费为554.34万元， 所以，方案一较方案二运行费用节约309.06万元/a。

两个方案工程、设备及年运行电费使用情况见表2。

表2 方案费用比较表

3)方案确定

通过两个通风系统方案在技术方面的比较[9]，方案一的优点显著优越于方案二，存在每年运行费用少、通风调控灵活、能实现按炎热季节和寒冷季节两种运转方式通风，特别是能解决寒冷季节进风平硐口结冰而停产的重大技术难题，较好地适应呷村银多金属矿的井下生产调整。采用压抽混合式通风系统为高原矿山井下通风系统改善作业环境的首选方案。两个方案工程费用基本相同，方案二的设备费和运行费用较高。综上所述，选择方案一，即中央进风两翼回风对角抽压混合式地温预热通风系统方案作为呷村银多金属矿井下通风系统方案。

4 结论

在呷村银多金属矿矿井通风系统调查分析的基础上，结合当前通风系统存在的主要问题，提出了两种矿井通风系统设计方案，从方案技术优缺点、工程费用、设备及运行费用等方面进行对比，优选出中央进风两翼回风对角抽压混合式地温预热通风方案，该方案具有井下增压效果和利用地温预热冷空气防止冬季冻井的特点，可对类似高海拔矿山通风系统优化改造提供参考。