自然风压影响下的通风系统优化与实践

李 猛，彭 斌，魏 巍

（1.湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙 410014；2.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室，湖南长沙 410014）

矿山在我国经济发展进程中有着非常重要的作用。矿业的快速发展也导致了矿山存在诸多问题，特别是在井下通风系统。矿井通风系统是井下的生命线，它为井下提供新鲜空气，将作业面的有毒有害气体和粉尘等排出地表，为井下工人提供良好的工作环境，确保他们的人身安全［1］。因此，矿山通风系统存在系统性问题时，应及时对其进行优化改造［2］。本文以湖南某高山矿为实例，通过详细调查、测定、分析，找出存在的突出问题及原因，对其通风系统合理有效优化，改善通风系统。

1 现有通风系统基本情况

矿山为高山型矿山，采用平硐+盲斜井的开拓方式。该矿通风系统采用对角式通风方式，即矿脉东南翼进风，西北翼回风。现有11中段至19中段共9个服务中段，主要的进风口为19中段平硐和16中段平硐，11中段平硐为主回风中段，其它中段为盲中段。中段与中段之间通过盲斜井相联通。19中段作为主运输巷，风流进入平硐后，通过盲斜井进入17中段和18中段；16中段为辅助运输中段，风流进入中段后，也是通过各中段斜井进入15、14、13、12中段；11中段为主回风中段，没有作业面，该中段安设型号为FKZ10-30 kW风机，额定风量780～1 440 m3／min，全压范围为558～1 071 Pa。井下各中段通风网络为阶梯式通风网络，污风最终汇集至11中段排出地表。由于矿山属于老矿山，早年开采未采取充填的空区处理方式，导致井下采空区较多，部分中段利用采空区和老天井回风。

2 系统现状调查分析

现有通风系统为对角式通风方式，东南翼16和19中段进风，西北翼11中段回风。矿山已经开采多年，由于受开采技术条件的影响，多年来各中段作业面布局不合理，形成了很多采空区。且随着开采的推进，中段面积也扩大，开采深度也不断延伸。作业面也越来越分散，现阶段作业面主要集中在15至19中段。而部分新开辟的作业面也没有形成完善的通风系统，新鲜风流难以进入作业区域，污风难以排出地。特别是在夏季地表与井下温差大时，进风口出现反风问题。因此，井下通风系统的诸多问题也随之出现。通过对现场测定调查，矿井通风系统测定评价采用风量合格率、风质合格率、有效风量率、风机装置效率等指标来评价。矿井通风系统测试及评价指标见表1。

根据现场调查情况和测定数据可知，通风系统存在的主要问题如下所述：

1.通风系统各项测定指标数据结果偏低，可知现有通风网络存在诸多问题，且存在诸多影响通风的因素，如受自然风压影响，导致矿井风流紊乱等。

表1 某矿井通风系统测定计算结果

2.现场测得风机回风量为16.5 m3／s，进风量为7.8 m3／s，而井下设计需风量为23.7 m3／s。可知，现有风机回风量已经无法满足井下生产的回风需求，且现有通风网络和风机运行状态下，有空区进风导致进风口进风量不足。

3.井下空区多，通风网络比较复杂，新风短路、漏风及空区反风比较严重。由于矿山开采多年，早年开采未采取充填的空区处理方式，导致井下采空区较多。特别是11中段至15中段之间西北翼，空区天井贯通进风巷、回风巷和运输道等。因此，导致平硐进风比风机回风少得多。

4.井下通风调控措施不完善。井下空区多，作业区域广且作业面分散，加上作业安排不合理等因素，导致整个井下风流紊乱。且调控措施的缺失及调控不到位，使得整个井下的通风更加困难，新风进不去，污风出不来。

5.现场调查发现，自然风压普遍存在于整个生产时期内。上风季节时期有利于通风，下风季节时期阻碍井下通风。特别在下风季节时期，由于风机功率偏小，通风网络复杂空区多，导致回风量不足及空区进风，最终由16和19中段的进风口反风。

3 矿井通风系统优化探讨

根据调查分析，该矿存在的主要问题为：（1）通风网络复杂，空区多，风流比较紊乱；（2）11中段主扇风机与通风网络不匹配，主要表现为风机功率小，通风能力不够，风量小，导致15中段以下分风困难；（3）矿山属于高山型矿山，采用平硐开拓，自然风压影响大，下风季节不利于通风；（4）调控措施的不到位，导致整个矿井风流杂乱无章。

为解决矿山存在的上述通风问题，达到井下风量满足生产需求、风流合理分配、风流调控到位且充分利用自然风风压通风的目的，拟从简化理顺通风网络，优化通风动力和合理安排调控措施等几个方面进行优化［3，4］。

首先，简化理顺通风网络是通风优化的重要工作。确定矿山采用什么通风方式，进回风线路等［5］。如：16和19中段平硐为矿山的主要进风口。11中段平硐作为主要回风平硐，负责整个矿山的回风。19中段平硐的进风负责17至19中段的作业区域，16中段平硐进风负责12至16中段的作业区域（13、14中段作业面较少）。各中段之间采用中段斜井进风，主运巷为中段进风巷，通过西北翼的回风天井回风至上部中段。

其次，由于现有的30 kW已经无法满足井下的通风需要，需要选用大风压大风量的风机替换原有的老风机。因自然风压影响大，不可避免，为有效控制和利用自然风压，必须选用大风压的风机进行风压对抗，并且可以在上风季节充分利用自然风压通风［6，7］。

最后，在简化理顺通风网络和确定主扇风机的情况下，合理设置安排通风调节措施也是重要一环。其主要措施是设置风门、风窗和密闭等构筑物，部分作业面应尽量采用局扇引导通风［4］。应尽可能地封闭采空区，可以预留部分天井作为通风井，这是简化通风网络的重要措施。尤其在14至19中段西北翼作业面较多，设置调节措施必不可少。

除上述措施外，良好的通风管理工作是确保通风系统有效的重要组成部分［8］。

4 矿井通风系统优化实践

4.1 矿井通风系统优化措施

根据通风系统优化的整体思路，基于通风网络、通风动力和通风调控措施等几个方面，并以安全可靠、经济合理和技术可行为原则，对井下实际存在的问题提出具体的优化措施，构建一个运行稳定、便于调控的矿井通风系统。具体优化措施如下：

1.确定矿山采用对角式通风方式，将16和19中段平硐为矿山的主要进风口。11中段平硐作为主要回风平硐，负责整个矿山的回风。所有中段采用单一进回风线路，中段与中段之间的斜井作为中段进风线路，新鲜风由南往北流动，清洗作业面后，由中段北部的风井排至上中段的回风道，最后由11中段回风道排出地表。将原16至15中段、15至14中段、14至13中段的中段回风井进行扩刷，扩刷面积为6 m2。而原13中段和12中段北部的两个相贯通的采空区周围采取密闭隔离措施，预留原有的天井作为回风井，主要负责下部的中段回风，减少掘进工程量。19、18、17和16中段之间掘进面积为8 m2的专用回风井，主要为将来往深部延伸时通风排尘做准备。

2.基于上述已经确定的通风线路，需对整个通风线路上相贯通的废石巷道、未处理的采空区及废弃天井溜矿井等进行密闭隔离处理。将16至13中段的进风线路上的162、602、388、401等采空区的穿脉进行密闭处理，将19至16中段的回风线路上的410、608等采空区进行密闭处理。除此之外，风门和调节风窗的设置也相当重要。现阶段主要开采中段在16至13中段之间的采场，下部中段以开拓为主。因此，应在17、18和19中段的回风处设置调节风窗，控制回风量，以便更多的新鲜风进入上部中段的作业区，对于不需要新风的区域及不利用通风但需行人过车的地方，可设置风门进行控制。

3.经过计算分析，井下设计需风量为23.7 m3／s，现场测得风机回风量为16.5 m3／s，进风量为7.8 m3／s，现有的30 kW已经无法满足井下的生产通风需要。结合考虑自然风压的影响，选用对旋轴流型风机，风机型号为DK40-No15，风量范围为18.2～43.6 m3／s，全压范围382～1 690 Pa，电机功率37×2 kW。下风季节时期，自然风压阻碍通风，对旋风机两台电机全部开启；上风季节时期，自然风压有助于通风，可以只开启一台电机，达到有效利用自然风压节省能耗的目的。

4.制定完备的通风管理制度，加强通风日常管理。做好通风设施的维护工作，保证风机运转正常，加强重点、困难区域的局部通风工作。井下作业中段多，对北部主回风道风门和南平硐进风等加强管理。对设置的风门和调节风窗等加强调控管理。井下作业面应按照安全规程设置局扇通风，改善作业面环境。

通风系统优化方案示意图如图1所示。

4.2 矿井通风系统优化实践

针对该矿井下通风系统提出的优化措施进行具体实施，为验证该具体优化方案的最终通风效果，对整个矿井通风系统进行了一次通风系统验证测定。在所有措施实施到位及风机开启后进行测定，主要包括总进风量、总回风量、风质风量和有效风量率等参数进行测定。具体结果见表2和表3。

图1 矿井通风系统优化方案示意图

表2 某矿井通风系统优化验证测定结果

表3 进、回风指标

由表2和表3中测定数据可知，经过优化后，整个矿井的风质风速合格率和有效风量率明显提高，风机装置效率也达到合格标准。整个矿井的进风量达到 25.2 m3／s，回风风量达到 26.1 m3／s，能满足井下23.7 m3／s的生产通风需求。

5 结 论

1.通过对某高山型金属矿井通风系统的优化可知，对矿井通风系统进行详细的调查分析，找出系统存在的问题和产生问题的原因是优化工作的基础，对有效合理地优化通风系统具有重要意义，也才能更好地指导矿山的安全生产。

2.对矿井通风系统优化，从通风网络、通风动力、风流调控措施和现场管理制度等几个方面去构建一个安全可靠、经济合理、技术可行的矿井通风系统是切实可行的。一个有效稳定的矿山通风系统，应该在矿山不断变化的生产活动中不断调节适应。

3.对于高山型矿山，随着季节的变化，受自然风压的影响在通风时是不可避免的。从简化理顺通风网络、优化通风动力和合理安排调控措施等方面入手，可以有效控制和利用自然风压，避免因自然风压给通风系统带来的不利影响，有助于解决通风难题。