获各琦铜矿通风网络优化研究.docx

获各琦铜矿复杂通风网络优化研究 于广鹏 （巴彦淖尔西部铜业有限公司，内蒙古 临河 015000） 摘要根据通风系统的现状及存在问题，通过现场调查研究、收集相关图纸和资料，在了解矿井生产和通风状况的基础上确定优化方案，方案中增设了专用回风巷在矿井通风中的运用，对设备选型及优化后的通风网络进行计算机模拟解网验证，通过近两年时间的改造完善，对优化后形成的新通风系统进行验收测定，并与原系统相关数据进行比对，无论是在实测数据上还是在实际使用效果上都取得了非常理想的效果。 关键词金属矿山 复杂通风网络 回风巷 系统优化 Luogeqi Copper Mine Ventilation Network Trade-off Study Guangpeng Yu Bayan Nur Western Copper Co. Ltd. ,Linhe Inner Mongolia 015000,China Abstract The objective of this trade-off study is to address the issues with the ventilation system. The basis of the study is the existing production and ventilation system. During the investigation, all the related designs and data relevant to the issues were collected from site. The study concluded that an additional dedicated return airway needs to be added. Computer simulation was used for equipment selection and the new ventilation network design. Both test results and production practice prove that the new ventilation network is more efficient than the previous design. The modifications were completed over approximately two years. Keywords metal mines, return airway of complex ventilation network, system optimization 巴彦淖尔西部铜业有限公司获各琦铜矿是一个以铜为主的特大型多金属矿山，铜采矿规模200万吨/年，铅锌30万吨/年，后期铜加铅锌产能逐步提升到300万吨/年。采用主、副竖井与斜坡道联合开拓，共计有十三条与地表相通的井筒，现有的9个生产开拓中段。矿井通风系统为中央进风两翼回风的两翼对角抽出式通风系统[1]，优化前通风系统详见图1。通过上述资料不难得出现有通风系统极其复杂，一个完善而高效的通风系统对矿山安全生产具有极为重要的意义，同时随着深部开拓工程的实施，现有通风系统在通风网络、通风设施及通风效果等方面均存在一定问题，已不能满足矿山生产的需求，如何在现有通风网络基础上优化改造出一套适合矿山生产发展的新系统成为迫在眉睫的紧要问题。 1-千米主斜井；2-千米副斜井；3-4风井；4-1风井；5-1副井；6-1主井；7-3主井；8-3副井；9-3风井；10-斜坡道；11-2主井；12-2副井；13-2风井 图1 优化前获各琦铜矿通风系统示意图 Figure 1 Previous ventilation network 1 通风系统存在问题 （1）短路漏风严重，由于进风井与回风井均设在矿体下盘，通过下盘沿脉巷道连通，下盘沿脉巷道运输行人频繁，无法设置隔断风流的通风构筑物，新鲜风流短路进入回风井。 （2）通风构筑物设置不全、导致内部漏风、风流短路严重，风量分配不合理。 （3）风机与通风网络不匹配，风机工作效率低。均未达到风机装置效率不得小于60的基本要求。 （4）有效风量率偏低，短路漏风严重，工作面通风条件差。实测矿井有效风量率仅为40.47。 （5）风速合格率低，实测仅为17.5，低于80的要求。 2通风系统方案的确定 2.1统一通风与分区通风 由于矿体走向长约为1100m，赋存于3～19勘探线之间，矿体埋藏较深。因此，根据Ⅰ号矿体埋藏较深的特点及获各琦铜矿现有井巷工程情况，采用全矿统一通风比较合理。 2.2进风井与回风井的布置 进风井布置在矿体中部，回风井布置布置于矿体的端翼。根据矿体赋存条件及开拓系统，矿井通风系统宜采用中央多路入风、两翼回风的两翼对角式布置方式。 2.3主扇安装地点 井下无风机安装位置，因此设计选择风机安装在地表。 2.4矿井通风方案确定 根据通风系统现状及存在问题，在深入现场调查研究、收集相关图纸和资料、了解矿井生产和通风基本情况的基础上，设计选用了下列三种可行的通风方案，并对其进行技术经济比较，以最终确定采用的通风系统方案。 方案Ⅰ3进风井、副井、斜井、斜坡道等多路进风，1回风井、2回风井、4回风井回风， 1回风井地表、2回风井地表、4回风井地表设置风机的通风系统方案。 方案Ⅱ3进风井、副井、斜井、斜坡道等多路进风，1回风井、2回风井、4回风井回风，3进风井地表、1回风井地表、2回风井地表、4回风井地表设置风机的通风系统方案。 方案Ⅲ3风井、1风井、副井、斜井、斜坡道等多路进风， 2回风井、4回风井回风，2回风井地表、4回风井地表设置风机的通风系统方案。 现对方案Ⅰ、方案Ⅱ及方案Ⅲ三个通风方案其进行技术经济综合比较，综合比较结果见表1。 表1 获各琦铜矿通风方案综合比较表[3] Table 1 Ventilation trade-off study 项目名称 方案Ⅰ 方案Ⅱ 方案Ⅲ 1 井巷工程、设备、材料费用（万元） 1244.1 1479.1 1752.99 2风机功率（kW） 2440 3440 3060 1风井 DK-10-№24型 2110kW风机2台 DK-10-№24型 2110kW风机2台 2风井 DK-10-№29型 2250kW风机2台 DK-10-№29型 2250kW风机2台 DK-12-№36型 2450kW风机2台 4风井 DK-10-№29型2250kW风机2台 DK-10-№29型 2250kW风机2台 DK-10-№30型 2315kW风机2台 3风井 DK-12-№32型 2250kW风机2台 3经营成本（万元/年） 966.24 1362.24 1211.76 4优点 利用原有通风井巷，投资少； 主扇安装在地表，维护费用少；风井延深对矿山的正常生产影响较小，年经营成本费用较低。 利用原有通风井巷，投资少；主扇安装在地表，维护费用少；风井延深对矿山的正常生产影响较小。 主扇安装在地表，风机数量少，维护费用少，管理简单方便；东、西区回风量较为均衡，减少了通风风阻。 5缺点 该方案缺点为东、西区回风量不均衡，西区1回风井和4回风井回风量大于东区2回风井回风量，造成东区部分采场回风线路倒段折返，增大了通风风阻。 东、西区回风量不均衡，西区1回风井和4回风井回风量大于东区2回风井回风量，造成东区部分采场回风线路倒段折返，增大了通风风阻；3进风井安装风机，增加了风机数量及设备购置、安装费用。投资大，经营成本高。 2风井如综合考虑二期矿山生产规模的通风需求，井筒净直径应为6.0 m，增大了通风井巷工程费用； 3进风井安装风机，增加了风机数量及设备购置、安装费用；2风井刷大延深会影响矿山的正常生产；工程投资大。 根据以上的分析，最终选择方案Ⅰ。 3 矿井通风网路确定 此次优化主要增设了专用回风巷在金属矿山通风网络中的运用，目前全国此类矿山采用专用回风巷回风并不多见。获各琦铜矿现为平行双巷式通风网路结构，即各中段下盘沿脉作进风道，各中段上盘沿脉巷道作回风道，采场均由本中段进风道得到新风，其污风可经上中段回风道或专用回风道排走[7]。详见图2。由于矿山1630m中段及以下各中段顶板岩石破碎，特别是到回采后期时上盘基本全部垮塌，通风网络基本全部遭受破坏。为有效解决中段通风问题，矿山在1630m中段以下各中段下盘沿脉巷道下方15m开凿各中段专用回风道，构成平行双巷通风网路结构，即采场均由本中段下盘沿脉巷道得到新风，其污风可经本上中段专用回风道排走。详见图3。 1-1风井；2-1副井 1-1风井；2-1副井 图2 优化前采场通风系统 图3 优化后采场通风系统 Figure 2 Previous mining Figure 3 Revised mining area ventilation network area ventilation network 4 全矿需风量的计算 4.1需风点需风量统计 在一般情况下，按照金属非金属矿山安全规程（以下简称规程）规定的最低排尘风速计算需风量即可满足要求，计算公式为,各种作业类别的需风点所需的风量见表2。 表2 需风量统计 Table 2 Required airflow design criteria 工作面名称 数量（个） 需风量（m3/s） 合计需风量（m3/s） 工作面名称 数量（个） 需风量（m3/s） 合计需风量（m3/s） 充填工作面 9 3.6 32.4 喷射砼支护工作面 5 4 20 浅孔留矿法回采工作面 18 2.5 45 采准切割作业面 26 2 52 浅孔留矿法出矿工作面 18 2.42 43.56 开拓掘进工作面 18 2.12 38.16 分段空场法回采工作面 12 3.0 36 卸矿、破碎硐室 5 3 15 分段空场法出矿工作面 12 4.0 48 炸药库 4 1.5 6.0 备采工作面 3 1.8 5.4 总计 341.52 获各琦铜矿同时作业的各工作面需要的最大风量与需要独立通风的硐室风量之和为341.52 m3/s，风量备用系数k1.25～1.4，考虑获各琦铜矿采矿方法主要为空场法和充填法，取风量备用系数k1.35，则全矿总风量为QtkQp461.05m3/s。 4.2风量校核[6] （1）按井下同时工作最多人数所需风量校核 QnQi28.67 m3/s 式中n井下同时工作最多人数,本次取430人；Qi人均供风量，m3/min；一般供风量应不少于4m3/min人[4]；经核算所需风量满足要求。 （2）按大爆破所需风量校核 大爆破后通风所需风量按下式计算 式中t通风时间，s, 一般取2～4h,本次取10800s；A大爆破的炸药量，Kg；大爆破的炸药量（最大）为11000 Kg；i炮烟涌出系数，i0.175V充满炮烟的巷道容积，m3；VV1iAba,其中V1是排风侧巷道容积，m3；ba是1kg炸药所产生的全部气体量，ba大约等于0.9 m3。则V1977 m3。经核算所需风量满足要求。 （3）按万吨配风比校核 本矿井的万吨配风比 式中 Qt矿井总风量， Qt461.05 m3/s；A矿井年产量， A300.0万吨；Y万吨配风比，m3/s万吨；故本矿井的万吨配风比为1.537（m3/s万吨）,本矿万吨配风比符合设计规范的规定。 经校核，全矿总风量能满足设计规范的规定。最终确定获各琦铜矿全矿总风量为461.05 m3/s。 5矿井通风网络解算 通过计算机迭代方法对全矿通风网络进行了解算[8]，从结果可以看出，方案1总回风量为489.34 m3/s，需求总回风量为461.05 m3/s，满足设计要求，矿井主要风路风量解算结果见表3。 表3 矿井主要风路风量解算结果[3] Table 3 Air network and volume calculations 风路名称 风路始 末节点 方案1 （m3/s） 方案2 （m3/s） 风路名称 风路始 末节点 方案1 （m3/s） 方案2 （m3/s） 1回风井回风 2→1202 86.05 85.75 1副井进风 1→10 74.23 78.07 2回风井回风 7→1204 144.33 282.5 2副井进风 1→15 42.8 45.95 4回风井回风 57→1200 258.96 148.83 3副井进风 1→83 72.52 74.37 3进风井进风 1→8 160.87 171.28 斜坡道进风 1→14 37.16 40.22 1主井进风 1→105 30.19 31.28 主斜井进风 1→107 21.6 21.88 2主井进风 1→9 28.54 31.95 副斜井进风 1→81 21.42 22.07 总回风量 489.34 517.08 6主扇工作网络风阻与等积孔[1] （1）主扇工作网络风阻按下式计算 式中 R主扇工作网络风阻， N﹒S2/m8 1风井风机工作网络风阻0.0815 NS2/m8，2风井风机工作网络风阻0.0188 NS2/m8，4风井风机工作网络风阻0.0502 NS2/m8 （2）矿井等积孔 矿井等积孔大于2m2，说明矿井属小阻力矿井。 7 通风设备 7.1 风机型号及台数确定 根据通风网络计算机解算结果，1风井风机的型号为DK-10-№24，风机台数为1台，风机所配电机型号为Y355M-10。2风井风机的型号为DK-10-№29，风机台数为2台，所配电机型号为Y560S-10。4风井风机的型号为DK-10-№29，风机台数为1台，所配电机型号为Y560S-10。风机工况参数见表4。 表4 风机工况参数 Table 4 Fan operating specifications 安装地点 风机型号 转数 （r/min） 风量 （m3/s） 风压 （Pa） 效率 （％） 叶片安装 角（度） 1风井 DK-10-№24 590 85.75 599.34 60 40 2风井 DK-10-№29 590 141.25 1499.67 74 40 4风井 DK-10-№29 590 148.83 1111.03 63 40 7.2电机功率校核 电机功率按下式计算 式中N电电动机功率，KW；K电动机容量备用系数，轴流风机取K1.15～1.2；Hf风机工况点的风压，Pa；Qf风机工况点的风量，m3/s；风机特性曲线上的效率；电动机效率， ＝0.9～0.95；传动效率，直联传动＝1。 经计算1风井电机为108.2KW，2风井电机为361.59KW，4风井电机为332.13KW，所选电机完全能够满足使用需求。 8 矿井通风系统的调控与通风构筑物的设置 建立矿井通风系统，除了开凿通风巷道构成网路，安装扇风机造成风流运动以外，还要在井下必要的地点安设阻断风流、引导风流和控制风流的设施，以保证风流按生产需要和已设计的通风线路流动，依靠这些通风构筑物对矿井风流进行调控，可实现风量的有效调节和合理分配[5], 通风构筑物设置见图4。 1-千米主斜井；2-千米副斜井；3-4风井；4-1风井；5-1副井；6-1主井；7-3主井；8-3副井；9-3风井；10-斜坡道；11-2主井；12-2副井；13-2风井 图4 优化后获各琦铜矿通风系统示意图 Figure 4 Revised ventilation network 9 工程费用概算 9.1井巷掘进及断面刷大工程费见表5 表5 井巷掘进工程量及费用 Table 5 Shaft construction schedule and cost 名 称 掘进或刷大净断面积（m2） 长度 （m） 掘进量 （m3） 单价 元/m 费用小计（万元） 2风井并联井（1690～2010m）掘进 13.20 320 4224 360 152.06 2风井并联井（1690～2010m）支护 3.58 320 1145.6 750 85.92 2风井（1690～1450m）掘进 24.62 240 5908.8 360 212.72 2回风井（1690～1450m）支护 4.99 240 1197.6 750 98.82 1690m中段3风井到段回风平巷 23.68-12.57 100 1111 280 31.11 4回风井地表回风道 23.68 150 3552 280 99.46 地表回风道支护 3.69 150 553.5 750 41.51 合 计 721.60 9.2通风设备、材料消耗及费用见表6 表6 通风设备、材料及其费用 Table 6 Ventilation equipment, materials and costs 名 称 规 格 数量 单 价 费用（万元） 风机 DK-10-№24 2台 47.0元/台 94.0 风机 DK-10-№29 4台 93.0元/台 372.0 风机基础 100m3 750（元/m3） 7.5 1风井地面风机房 10 2风井地面风机房 15 4风井地面风机房 15 风门或密闭 30个 3000（元/个） 9.0 合 计 522.5 通风系统总投资为以上二项费用之和，总投资为721.60522.51244.1万元。 10通风系统优化前后测定结果比较 优化前后通风系统通风效果比较见表7。 表7 矿井优化前后通风效果比较[2] Table 7 Shaft ventilation efficiency comparison 比较项目 原系统 测定结果 新系统 测定结果 比较项目 原系统 测定结果 新系统 测定结果 1副井进风量（m3/s） -3.26（出风） 93.66 总进风量（m3/s） 227.08 528.9 1主井进风量（m3/s） -5.25（出风） 18.92 总回风量（m3/s） 227.08 528.9 2副井进风量（m3/s） 2.12 45.09 1风井回风量（m3/s） 34.18 50.77 2主井进风量（m3/s） 1.78 2.4 2风井回风量（m3/s） 101.5 321.59 3副井进风量（m3/s） -12.88（出风） 57.31 4风井回风量（m3/s） --- 145.77 3风井进风量（m3/s） 126.15 88.67 风速合格率（） 17.5 48.88 斜坡道进风量（m3/s） -44.94（出风） 68.81 风质合格率（） 40.0 67.78 主斜井进风量（m3/s） 11.09 16.70 有效风量率（） 40.47 60.05 副斜井进风量（m3/s） 13.98 29.7 风机装置效率（） 33.45 56.18 综合指标（） 37.1 60.50 11 结论 1优化后新建立起来的矿井通风系统是合理的，它有效改善了获各琦铜矿井下的通风效果，解决了原系统存在的采场通风困难、污风串联及短路漏风等问题。 2优化后建立的矿井通风新系统风机提供的总风量为518.13 m3/s，设计一期全矿总风量为461.05 m3/s。新系统风机较好地实现了与通风网路的匹配，风机提供的总风量完全能够满足获井下的通风需求。 3专用回风道在金属矿山中得到了很好的运用，为今后同类矿山通风系统优化改造提供了很好的参考实例。 4新系统的通风各项指标完全能够满足金属非金属矿山安全规程的要求。也说明新的矿井通风系统是切合矿井实际情况的、合理的和有效的矿井通风系统。 参考文献 [1] 吴 超，王文才，王海宁，王从陆，等.矿井通风与空气调节[M].长沙中南大学出版社,200873-74. 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