谦比希铜矿西矿体大盘区长距离多进路采场智能通风管控系统

李 辉李占炎李 浩王洪江秦 帅王天鑫杨清平

（1.中色非洲矿业有限公司;2.北京科技大学土木与资源工程学院）

本研究重点对谦比希铜矿西矿体大盘区长距离多进路采场通风系统进行优化布置。同时，将通风系统与矿山信息化系统融合，实现不同工艺环节需风量的智能化调节控制，为采场生产创造良好的作业环境，并在实现管理提升基础上达到降本增效的目的。

1 采场局部通风方案

1.1 通风方案设计

西矿体用上向分层充填采矿法进行回采，其工艺遵循“大盘区、高分段、高分层和长进路”的原则，回采模式为采区斜坡道+采联的盘区布置方式，各盘区内具有独立的通风、充填、溜矿等系统。

目前，无轨化矿山最常用的方式是机械化通风，根据采场通风方式的差异，可分为抽出式、压入式和混合式3种［3-4］。压入式通风是利用局扇风机将新鲜风经风筒压送至采场工作面，污气沿着巷道排出。压入式通风工作面的通风时间较短，比较适用短巷道掘进通风。抽出式通风是局扇风机将采场工作面的污浊空气经风筒抽排至排风道，新鲜风经巷道进入采场工作面。此通风方式工作面的通风时间长，比较适用较长巷道的掘进通风。混合式通风方式具备了抽出式和压入式的优点，通风效果较好，比较适合于大断面长距离巷道掘进时的通风［5］。

西矿体采场原来通风系统包括3台风机，采场内部的温度为33℃，湿度为94%，整体给人感觉较湿热，出风口风量较小，百米漏风率达到47%，能见度只能达30 m，整个通风系统存在较多问题，给生产带来许多不便。对于金属非金属矿山，独头工作面污浊空气的主要成分是爆破后的炮烟及粉尘，局部通风所需风量主要以排出炮烟和粉尘为计算依据。考虑到采场为长距离多进路独头通风，为保障通风效果，须对目前通风系统进行升级改造，计划采用压入与抽出结合的混合通风方式（图1）。

新鲜风流通过斜坡道入口处的压入式通风机进入风筒，进风筒由直径为800 mm的刚性风筒和直径为900 mm的柔性风筒拼接组成，新鲜风流先经刚性风筒转接进入柔性风筒，最后经可调节的风门三通和四通送至各工作面。出风筒由直径为800 mm的刚性风筒组成，污风沿刚性风筒被通风管揽井处的抽出式风机抽出。

1.2 通风参数计算

针对西矿体采场巷道及风筒布置，巷道断面为6 m×4.5 m，断面积为27 m2；须对压入式和抽出式通风风量进行理论计算［6］。

风筒出口到工作面的距离小于风流有效射程Le时，压入式通风的风量按照式（1）计算：

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

式中，Qa为压入式通风风量，m3/s；t为通风时间，s；L0为炮烟投掷长度，电雷管或非电雷管起爆时L0=火雷管起爆时L0=15+A，m，A为一次爆破炸药消耗量，kg；S为巷道断面积，m2。

风筒出口的有效射程按照式（2）计算：

式中，Le为独头巷道长度，m。

混合通风方式中，抽出式通风风量按照式（3）计算：

式中，Qb为抽出式通风风量，m3/s。

风筒出口的有效射程Le=20.8～26 m，取20 m；一次爆破炸药消耗量A=220 kg；炮烟投掷长度L0=59 m；通风时间t=2 400 s。则压入式通风风量Qa=4.69 m3/s；抽出式通风风量Qb=5.6～5.9 m3/s。考虑到采场多进路同时回采，即至少满足2个作业面同时作业的需风量，则压入式通风风量为9.38 m3/s，取10 m3/s；抽出式通风风量为11.3～11.7 m/s，取12 m3/s。

2 风机选型

风机共分为2种，分别选用CZF№7.5/45 kW型压入式通风机和CZF№8.0/37 kW型抽出式通风机。压入式通风机安置于斜坡道入口处，抽出式通风机安置于通风管揽井处（图1）。配置ϕ800 mm的刚性风筒，ϕ900 mm的柔性风筒，ϕ800 mm连接弯头、三通和微型自动调节风窗，按照设计采场通风方案进行风机选型。风机选型需要分别核算压入式通风机和抽出式通风机的工作风压。

本系统选择的2种通风机的风筒直径为800和900 mm，根据表1可求α值，则圆形风筒沿程摩擦风阻Rm计算公式为

式中，Rm为沿程摩擦风阻，N·s2/m8；α为摩擦阻力系数，N·s2/m4；L为风筒长度，m；d为风筒直径，m。

圆形风筒总风阻R计算公式为

式中，R为总风阻，N·s2/m8；λ为附加系数，一般取1.1～1.2。

局扇工作风压计算公式为

式中，H为局扇工作风压，Pa；Q为风筒风量（取Qa或Qb），m3/s。

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依据式（4）～式（6）计算风机工作风压，见表2、表3。

通过以上计算可得，压入式风机总工作风压为1 188.06 Pa，抽出式风机工作风压为832.94 Pa，与表4中2种风机的参数对比可知，该压入式风机和抽出式风机选型合适。

采场安装前后数据对比主要从采场内部的温度、湿度、总回风风量、漏风率、排炮烟时间、能见度、人员体感、风机数量、风机能耗、风机风量、工程耗材及工程量等多方面因素进行。西矿体升级后的通风系统与旧通风系统效果对比如表5所示。根据表5可知，升级后的通风系统在各个方面均显示出较好的效果，验证了本系统的合理性。

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3 智能化通风系统

井下生产区域通过布置安装基站实现WIFI信号全覆盖，用于人员定位、视频监控及数据传输。同时，为了进一步强化生产过程管理，以设备为主线，融合设备作业与设备运行两方面管理，开发了生产过程管控APP。形成设备从计划创建、接车管理、计划执行过程管理、故障管理、交车管理、设备位置信息等全流程管控。各生产工序仅通过简易操作（开始、结束及简单信息录入）方式进行点击确认。智能化通风系统操作流程如图2所示。

智能化通风系统在变频风机、智能开关、传感器、上位机、操作系统等支持下，可以实现通风参数的监测及远程操作。同时，为了实现不同工序按需通风，采场各生产工序需风量设定值如表6所示。将生产过程管控APP各工序启停信号接入通风系统，依据不同工序对风机运行频率进行自动化调节，仅在特殊情况下进行人工远程操作干预，真正实现生产过程自动化按需通风，部分自动化调节装置如图3所示。

4 结论

（1）为改善大盘区长距离多进路采场通风难问题，选用压抽结合的混合机械化通风方式。

注：采场无作业情况默认需风量为0 m3/s。

（2）以作业面排出炮烟及粉尘为依据，计算得到在满足2个作业面同时作业情况下的采场需风量；在此基础上，结合盘区系统布置设计，实施了采场机械化混合通风方式。

（3）计算得到采场不同工序条件下的需风量，通过将生产过程管控APP不同工序，启停信号接入通风控制系统，实现了采场不同工序的按需通风需求。不仅保证了采场的通风质量及时效性，而且大大提高了能源利用率。