改扩建高山矿井通风系统优化设计与研究

彭 斌

（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）

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 m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407～470 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75 kW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 m3/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35 m3/s，甚至490 m的运输大巷也出现反风现象，反风量为15 m3/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/s［6］。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K≈1.27，确定矿井通风系统总需风量为329 m3/s，年产万吨耗风量比为1.33 m3/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。

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470～385 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 m×2 m，将其改造为610～490 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］：

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385 m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250 kW风机，风机风量范围为61.3～113.4 m3/s，风压范围为372～1 716 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 m3/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。