某大型铝土矿地下矿山通风系统存在问题分析及优化调控方法探讨

＊曹家红

（中国铝业股份有限公司贵州分公司矿业公司 贵州 551413）

具备适合的矿井通风系统是矿井生产安全正常开展的基础条件之一。合理的矿井通风应能对井下各个生产作业地点提供充足的新鲜风量，并保障风质和满足井下作业人员的健康与安全。某大型铝土矿地下矿山井下使用大量柴油铲装、运输设备和采用爆破开采及掘进工艺，矿井需风量较大；同时井下布置有多进、多回的生产中段通风巷道，在中段内设置有并联的通风机站，通风系统较复杂。矿井投产初期已发现部分采场存在微风问题，随着生产的进一步推进，越来越多的采场出现微风、风流停滞和紊乱的通风故障现象，甚至在进风巷道中多次检测到一氧化碳气体超限。这极大影响了井下正常生产作业的开展，并威胁到矿井生产安全，极易引发中毒窒息事故，造成井下作业人员的群死群伤。查找通风系统故障原因，及时消除通风系统故障问题，保证对井下各用风地点的正常通风成为该大型铝土矿地下矿山亟待解决的重大安全问题之一。

1.某大型铝土矿地下矿山概况

某大型铝土矿地下矿山矿权面积8.9687km2，能利用的资源储量为6776.51万吨，年设计生产能力100万吨。开采方式为地下开采，采矿方法为空场采矿法中的留矿壁护顶房柱法，由下至上依次划分为1140m、1160m、1180m、1200m和1220m五个中段；矿石运输方式为铲运机－电机车－胶带输送机多类型、分段运输。

矿井采用两翼对角式通风系统，多级机站抽出式通风，由处于中间偏南翼的主斜井、辅助斜坡道和1130m排水平硐进风，通过布置在南北两翼的回风斜井回风。设计配置总风量131.74m3/s至172.79m3/s，现实测总风量约134m3/s。1140m中段由1140南、北巷和南西、北西巷进风，1160北巷和南巷、南西巷回风，沿脉布置1150、1160和1170南、北铲运机平巷连接各采场。南、北回风斜井各安装有1台K40-8-No24型轴流式通风机，1160m中段南、北回风石门处各安装1台K40-8-No18型轴流式风机，1140m中段北回风石门和1150分段南回风石门处各安装1台K40-8-No17型轴流式风机。掘进和采场辅助通风采用JK55-2No4.5型局部通风机。

2.矿井通风系统存在问题

（1）风质超限。铝土矿地下作业场所空气中主要有害气体为一氧化碳，井下作业场所的风流中一氧化碳的安全浓度值为24×10-6[1-2]。使用便携式气体检测仪检测1140南、北巷入口及各采场中一氧化碳气体浓度，在生产出矿期间和爆破后30min测得1140南、北巷入口附近一氧化碳浓度均超过24×10-6，最高达130×10-6；在爆破后120min测得9＃、10＃采场上山中一氧化碳浓度仍超限值。

（2）风速较低。为排除巷道中的浮尘（粉尘）和一氧化碳、二氧化氮等有害气体，采用铲运机作业的井下采掘巷道中的风速不小于0.25m/s[1-2]。使用便携式中低速风表对1140南、北巷和1150、1160铲运机平巷测风点及各采场上山中的风速进行测定，发现：0＃、8＃、9＃、-N1＃下段和-N3＃下段采场微风，风速0m/s至0.2m/s。

（3）风流紊乱。按设定风流方向，风流在各中段内的流动方向应朝向主通风机位置，采场内的风流均为由下至上流动。但在生产中发现：10＃采场风流停滞，采场内炮烟、柴油设备废气长期不能排除；7＃上段和-N2＃上段、-N3＃上段采场风流反向，污风流向1160铲运机平巷，使得上、下两段采场污风均集中在有人员作业的1160铲运机平巷内。对现场作业人员安全构成了威胁。

3.通风系统问题原因分析

通风系统出现各种问题的原因多是相关联的，即由相同问题导致多种通风故障现象发生或由不同问题引发相同通风故障现象。风质超限、风速较低，往往是由于风量不足所致；风速低、风流紊乱，则多是因风网结构不良、通风设备和设施配置不合理引发。

（1）矿井风量不能满足需风量要求。矿井需风量包含井下独立通风的不同用风地点所需风量总和与因漏风和风量分配不均等因素导致的风量增加值。

采场和掘进工作面的配置风量要同时满足排除柴油设备废气、稀释炮烟和排出粉尘等需要。排出粉尘所需风量则应满足作业场所的排尘风速要求。

按矿井柴油设备运行和采掘部署，现阶段矿井需风量不应低于142m3/s，而矿井实测进风量仅约135m3/s，低于需要风量。实际上因采空区密闭不严、井下缺少风门等原因，矿井的实际漏风情况较为严重，降低了矿井的风量利用效率，进而使得风质容易出现超限的情况。

（2）中段通风网络结构不合理。该矿山1140m中段南、北两翼巷道布置情况相近，这种采场布置方式，决定了中段内的各采场均处于两个多角联网形成的复杂通风网络中。当采场数量较多时，就会出现部分采场风速较低、甚至风流停滞或反向的情况，这是由角联通风网络的通风特性所决定的[3-4]。这也势必会导致部分采场内通风不良，风质超限的问题成为常态。

（3）通风构筑物设置不全。现井下风门、密闭等用于阻断或调节风流的通风设施缺乏，1140南、北巷内的风门因安装和维护不善，未起到相应的风流调配作用；已形成的采空区因未及时、有效地进行封闭，使得部分新风未得到利用就直接自采空区排入回风侧。在1140中段北翼，大量风流从1140北主巷、1160北主巷、1150和1160铲运机平巷流失；在1140中段南翼，因采场下部切割巷和采场相互连通等原因造成大部分风流未进入采场，而直接自1150、1160铲运机平巷和上段采场采空区漏失。

（4）通风机配置不能满足需求。多级机站通风可有效解决井下长距离、大阻力的通风问题[4]。矿井1140m中段南北两段的二级通风机站分别布置两台轴流式风机并联通风。风机并联运行的优点是可利用较小功率的两台风机来获得较大风量值，但当一台风机出现故障时，会使得中段风量降为原风量的1/2左右，通风系统可靠度较低[3]。而当两台风机的进、回风侧存在角联通路巷道时，极易形成循环风流，降低并联通风机站的通风效果，劣化影响范围内的风流质量，如1140南主巷和已贯通的1180南主巷均出现了风流逆流和受局部循环风流影响的长期风质超限的现象。

4.通风系统优化调控方法

(1)加强主通风机运行管理，合理配置局部通风机

目前各级通风机站的远程监控和控制系统均未能正常使用，受井下恶劣环境影响，1140m中段南北两翼的二级通风机站多次出现风机停机，这使采场微风、风质超限等问题频繁出现。加强多级站通风系统设备巡检、维护，保证主通风机正常运行，是保证通风系统不出现故障的基本措施。

应根据矿井需风量的变化，对各级通风机进行联合运行分析，确定风机工况，及时对风机的运行叶片角度进行调整。在井巷风阻没有明显变化的情况下，调整主通风机叶片安装角是增大矿井风量的主要方法[4]。从风机特性曲线图和现风机运行参数分析，当风机工况调整适合时，现矿井多级机站通风系统提供风量可达200m3/s。

局部通风机的选型应根据通风作业场所需风量来确定，采用局部通风机辅助通风的采场多呈微风现象，此时配置的局部通风机风量应该不低于采场的需风量。从当前风量影响因素看，应选用较JK55-2No4.5型局部通风机更大规格的风机或采用两台局部通风机并联的方式对采场进行辅助通风。

(2)优化中段通风网络结构

采场处于角联分支时，采场数量越多、风流分布越紊乱，采场出现微风、风流停滞和反向的情况越普遍。调整矿块结构、减少一翼同采采场数量和按适当间隔部署采场，是降低对角分支通风故障采场数量和程度的基本方法。

角联风网越复杂，通风故障现象越严重。在1160m中段投入时，可考虑将采场中、下部进风、上部回风的通风方式调整为采场上下两端进风、中部回风。如1160m中段北翼，分别由1160北巷和1180北巷通过进风天井进风，风流流过上下两段采场后，经1180铲运机平巷集中回风，此时处于中段北端的两台二级通风机站风机直接对1180铲运机平巷并联运行，二级机站不再兼具中段风流调配作用，提升了中段通风系统的可靠性。

(3)及时封闭采空区和废弃巷道，合理设置风门等通风构筑物

矿井采用房柱法开采，设计每个采场布置有2个进、回风口，生产过程中应禁止随意破坏矿块的顶底柱和间柱；开采结束应立即封闭采场进、回风口和对应的通风天井，保证采空区不漏风或少漏风。

完全的自然分风很难满足井下风量调配的需要，在可能造成漏风或风流短路、循环风流的位置应设置风门或调节风门对新风流进行阻隔。风门位置的设置应根据某个时期的风量分配需要进行确定和改变，可以使用风帘进行分风实验或结合测定的通风基础参数利用专业的通风解算软件进行模拟分析。一组风门应由不少于两道正向风门构成，风门间距要大于同时通过车辆的总长度，当有阻隔反风风流需要时，还应设置反向风门。

(4)加强通风系统管理，严防中毒窒息事故[3]

①健全完善通风管理机构。建立通风管理机构或配备专职通风技术人员和测风、测尘人员。

②完善机械通风系统。矿井必须安装主要通风机，并设置风门、风桥等通风构筑物，形成完善的机械通风系统，加强通风安全管理，保持通风系统可靠运行；独头采掘工作面和通风不良的采场必须安装局部通风机，严禁使用非矿用局部通风机，严禁无风、微风、循环风冒险作业。每年应当对通风系统进行一次检测，并根据检测结果及时调整完善通风系统[4]。

③强化监测监控。所有通风机必须安装开停传感器，主要通风机必须安装风压传感器，回风巷必须设置风速传感器；必须为从事井下作业的每一个班组配备便携式气体检测报警仪，人员进入采掘工作面之前，必须检测有毒有害气体浓度，出现报警严禁进入。

④井下使用的动力线、照明线、带式输送机、风筒等设备设施必须具备阻燃特性。淘汰容易引起火灾的老旧设备和主要井巷木支护。

⑤提升应急能力。必须为每一位入井人员配备自救器，并确保随身携带；要在井下主要通道明确标示避灾路线，并确保安全出口畅通；要制定中毒窒息事故现场处置方案，定期对入井人员进行通风安全管理和防中毒窒息事故专题教育培训，开展防中毒窒息事故应急演练；发生中毒窒息事故后，必须采取有效的通风措施，并立即启动应急预案，严禁擅自或盲目施救。

5.结论

（1）针对某大型铝土矿地下矿山的井下现场通风情况分析了造成通风故障的原因，矿井进风量不足、采场处于复杂的角联通风网络的对角分支、缺少中段通风构筑物和风机配置使用不合理都会造成主要通风巷道风质超限、采场微风、风流停滞和紊乱及局部循环风等故障。

（2）对通风机工况调整和局部通风机的配置、中段采场部署和通风方式、采空区管理和风门等通风构筑物的设置等方面提出优化和改进措施建议。

（3）文中的通风故障致因分析和管控方法的提出还主要基于通风原理和经验知识及部分现场通风实验结果，为提升该大型铝土矿地下矿山的通风系统保障水平，减少矿井通风故障，还需要进一步建立健全完善的通风管理机构和管理措施，并定期开展通风系统的全面测定和通风实验与计算机模拟分析工作，利用这些研究成果来辅助通风管理工作，提升矿井通风管控水平。

（4）强有力的通风管理措施是预防通风系统故障、严防矿井中毒窒息事故的有效措施。