某地下矿开采通风系统设计优化.pdf

Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY通风系统的安全可靠、经济高效是地下矿山开采的保障，较好的通风系统可以有效降低运行成本、有效保障通风安全。通过对该矿山井下通风方案进行对比，从用风量、通风阻力、风机选择、运行能耗、万吨矿石用风系数等方面进行深入探讨及对比，最终提出的两翼通风，在能耗、万吨矿石用风系数、运行、检修维护上均占优势。1矿区概况1.1环境气候矿区地处柴达木盆地西南缘山前地段，区内地势南高北低3，平均海拔约 3 780 m，最高为3 860 m，最低 3 650 m，最大高差 210 m，属盆地边部浅-中切割高山区，气候以高寒、多风少雨、蒸发强、昼夜温差大为特点，发育高寒荒漠土，*收稿日期：2022-01-14作者简介：朱荣成（1986-），男，云南文山人，工程师，主要从事井下采矿、通风、露天采矿等技术及管理工作。Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY某地下矿开采通风系统设计优化*朱荣成，梁吉佳，李岩，白二涛（青海鸿鑫矿业有限公司，青海 格尔木 816000）摘要：某地下矿为新设计井下矿山，地处柴达木盆地西南缘山前地段，有海拔高、气候高寒、多风少雨、蒸发强、昼夜温差大等气候特点，井下采矿对矿井通风的要求更高，选择合适的通风系统及系统风机，均有利于对矿山建设、生产组织，所以该矿段井下通风系统及风机的选择必须充分论证，谨慎选择。通过验证两翼回风方案吨矿系统通风能耗达到 3.22 kW h，为二级标准，万吨矿石用风系数 2.19，高于其余两种通风方式，且在系统检修维护时，井下主要作业区域不受影响。关键词：环境气候；回风模式；对角式通风；中央进风两翼回风；单项能耗；万吨矿石用风系数中图分类号：TD263文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）04-0020-6Optimization on Ventilation System Design for Mining of one Underground MineZHU Rong-cheng,LIANG Ji-jia,LI Yan,BAI Er-tao(Qinghai Hongxin Mining Industry Co.,Ltd.,Golmud,Qinghai 816000,China)ABSTRACT：One underground mine is a new designed mine,it located in mountain front lot of the southwest margin of QaidamBasin,it has the following climate characteristics,such as high altitude,frigid climate,more wind and rainless,strong evaporation,bigtemperature difference between day and night and so on,so it has more ventilation requirements for underground mining,it isadvantageous for mine construction,production organization by selection of proper ventilation system and fans,so selection of ventilationsystem and fans for the ore block must be well demonstrated and carefully selected.Ventilation energy consumption of the system for perton ore by two wings air return scheme can reach to 3.22 kW h,it is the level 2 standard,wind use coefficient of ten-thousand-tonnageore is 2.19,it is larger than the coefficient by the other two ventilation ways,and the main operation area shall not be affected duringoverhaul and maintenance.KEY WORDS：climate environment;air return mode;diagonal ventilation;central air intake and air return from two wings;individual energy consumption;wind use coefficient by ten-thousand-tonnage ore20张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用属高寒、干旱的典型内陆性气候。区内现无气象站点，据矿区东约 120 km 的小灶火气象站1979 年耀1988 年观测资料统计，多年平均降水量为25.7 mm，降水稀少。且分布不均，多集中在 5月耀9 月，约占年降水量的 89%。霜期从 10 月份开始至翌年 3 月止，全年无霜期 200 d 左右。区内多风，一般从元月份至八月份，盛行西风或西南风，九月份至翌年元月份多为西南风或西北风，年平均风速 3 m/s，最大风速 20 m/s，每年 3耀5 月份常有 8 级以上大风。1.2矿体特征矿体埋深度：地表标高多在（3 690耀3 650）m之间，矿体分布标高在（3 500耀3 020）m 之间，矿体埋深为（170耀630）m 之间，主矿体深埋于地下（200耀540）m 处，长 2 300 m，平均宽 546.97 m，适于采用地下开采。矿区内共圈定出不同规模的铁多金属矿体121 条，倾向北，倾角多在 4毅耀15毅之间；矿体形态一般为似层状、透镜状，少数为豆瓣状4，内部有夹石，可见分枝复合现象；矿体厚度变化系数99%，稳定程度为较稳定；矿体主元素分布均匀程度为较均匀。总体看来，按其与花岗岩体的距离分上、中、下三条矿带：深部矿带靠近岩体，在标志层“长英质角岩”下部；中部矿带距岩体之上（50耀70）m，多分布在标志层“长英质角岩”上方；浅部矿带距岩体之上（120耀150）m。以深部矿带为主，其在岩体上方构成厚（20耀60）m 的含矿带1。1 号矿体为该矿段主要矿体。2开拓系统开拓系统选择主副竖井+斜坡道无轨开拓，主副竖井及无轨斜坡道布置在矿体西北侧，该侧靠近选矿厂原矿工业堆场。开拓工程由以下工程构成：箕斗竖井、辅助竖井、辅助斜坡道、东回风竖井、西回风竖井6、溜破系统（磁铁溜破系统、铅锌溜破系统、铜铁溜破系统）、3 180 m 有轨运输水平、3 360 m 无轨转运中段、3 340 m 进风平巷、坑内排水系统、进回风工程等构成。采切工程：主要基建中部区段的 3 200 m、3 220 m、3 300 m、3 320 m 分段，上部区段的 3 400 m、3 420 m 分段。3通风系统方案对比3.1回风模式3.1.1单翼回风采用主井、副井、辅助斜坡道进风，回风井回风的对角式通风系统。设计利用主井、副井和辅助斜坡道进风，利用东回风竖井回风。根据矿山排产及生产水平的变化，可将矿山通风分为前期通风和后期通风。前期通风主要为基建中段通风，后期通风为开采 3 380 m 中段以上及 3 220m 中段以下矿体时的通风。前期通风：新鲜风流经主井、副井、辅助斜坡道进入中段运输巷及分段平巷，经采区斜坡道、通风调配井进入各生产采场，冲洗工作面后，采场污风自回风上山回至回风分段或中段，经倒段回风井、3 260 m、3 300 m 回风石门，由东回风竖井排出地表。后期通风：新鲜风流经主井、副井、辅助斜坡道进入中段运输巷及分段平巷，经采区斜坡道、通风调配井进入 各生 产采 场，冲 洗 工 作 面 后，采场污风自回风上山回至回风分段或中段，经倒段回风井、3 180 m 回风石门、3 460 m 回风石门，由东回风竖井排出地表。风机机站布置：在东部回风竖井井口安装 1 台对旋式风机做抽出式通风。风流走向：井下不设破碎系统，生产区域走向：主井、副井、辅助斜坡道寅各中段寅作业面寅回风上山寅上中段回风平巷寅南回风井寅地表（如图 1 所示）。3.1.2单翼主回风，主井辅回风模式采用副井、辅助斜坡道进风，回风井回风的对角式通风系统。新鲜风流经副井和辅助斜坡道进入井下5，然后经各中段副井石门/联络道、中段巷道、上山进入井下采场等用风点。新鲜风流冲洗工作面后，污风经回风天井、上中段回风道后由回风井排出地表。溜破系统的新鲜风流由粉矿回收井进入破碎硐室、皮带道和粉矿回收道后污风经主井排出地表。各中段卸载站的新鲜风流由中段巷道进入，污风经主井排出地表。风机机站布置：在东部回风竖井井口安装 1台对旋式风机做抽出式通风。主井 3 180 m 平巷安装轴流式小风机把破碎系统的废风压至主井抽走；朱荣成，等：某地下矿开采通风系统设计优化21Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY风流走向：破碎系统走向，副井、辅助斜坡道寅破碎站寅主井寅地表；生产区域走向：副井、辅助斜坡道寅各中段寅作业面寅回风上山寅上中段回风平巷寅东回风井寅地表（如图 2 所示）。3.1.3两翼回风采用主井、副井、辅助斜坡道进风，东西回风井回风的通风系统，西北侧进风、东西回风的模式。新鲜风流经进主副竖井和辅助斜坡道进入井下，然后经各中段主副竖井、石门、联络道进入中段巷道、上山后进入各硐室、采场等用风点冲洗工作面后，污风经回风天井回至上中段回风道，由回风道进入回风井后排出地表。西部回风竖井主要负责 3 340 m 以上生产区域及破碎系统的污风抽出地表，于 3 380 m 水平总回风平巷内的风机；东回风竖井主要负责将 3 340 m 水平以下区域的污风抽出地表，风机安装于回风井井口。其井下生产采用主副井+斜坡道的联合开拓方式7，共划分为四个区域进行开采，分别为 3 400 m及以上区域、（3 300耀3 400）m 区域、（3 200耀3 300）m 区域及 3 200 m 以下区域。首采期主要为 3 200 m 以上三个区域同时开采，后期增加3 200 m 以下区域的生产。由于深部 3 200 m 以下图 2单翼主回风，主井辅回风示意图Fig.2Schematic diagram of main air return by single wing,auxiliary air return by main shaft图 1单翼回风示意图Fig.1Schematic diagram of air return by single wing22张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用图 3两翼回风示意图Fig.3Schematic diagram of air return by two wings区域的资源量较小，考虑采用斜坡道将矿石运输至 3 200 m 水平并卸载至 3 180 m 中段运输水平再经箕斗出地表。根据基建完成首采期以及后续持续生产期的开拓系统布置形式，再结合 3 200 m 以下生产区域的规划，对井下通风系统的通风方式、风机机站及机站风机进行选型对比分析。基建完成投产期及后续生产持续期的作业水平数、工作面数基本不变，且生产规模保持不变，只是生产水平稍上移，因而基建完成期和后续生产期的通风线路整体通风阻力差别不大。此次风机选型计算仅列举基建完成期，所选基建完成首采期的主扇风机在高效节能的前提下，能够满足后续生产持续时产能增长、通风线路变化的需求。因而根据井下的采矿工艺及开拓系统布置，生产能力，经过多方案对比分析，井下通风系统采用多风机多机站抽出式通风。风机机站布置：分别在西部回风竖井 3 380 m总回风平巷并联安装 2 台、在东回风竖井井口并联安装 3 台轴流式风机做抽出式通风。其中西部回风竖井井口的风机主要负责将 3 340 m 以上及破碎系统的污风抽出地表；东回风竖井井口的风机主要负责将 3 340 m 以下区域的污风抽出地表。各区域的风流走向分别为：3 340 m 以上生产区域：新鲜风流寅辅助竖井、辅助斜坡道、3 340 m 总进平巷寅3 340 m 进风平巷、各生产水平辅助斜坡道联道寅各生产水平分段沿脉干线、回采联道寅采场寅回采联道、回风侧沿脉干线寅回风平巷寅西回风竖井寅地表；破碎系统：新鲜风流寅箕斗竖井寅粉矿回收水平、3 100 m 胶带检修联道寅辅助竖井寅大件道寅破碎硐室寅破碎专用回风道寅破碎回风天井寅3 380 m 回风联道寅西回风竖井寅地表；（3 200耀3 340）m 以上生产区域：新鲜风流寅辅助竖井、箕斗竖井寅3 340 m 总进风平巷、3 220 m 总进风平巷、3 180 m 中段运输平巷、辅助斜坡道及联道、各水平辅助竖井进风联道寅各生产水平分段沿脉干线寅回采联道寅采场寅回采联道、回风侧沿脉干线寅回风平巷寅东回风竖井寅地表（如图 3 所示）。为保证各生产水平有足够的新鲜风流，需对井下风流进行控制，使得大部分新鲜风流流入各生产水平。同时各水平主溜井卸矿点、斜坡道联道、3 050 m 粉矿回收水平、3 100 m 胶带检修联道需安装水幕进行降尘处理，以免卸矿及设备运行时产生的粉尘污染井下新鲜风源。生产结束的各分段水平应及时进行密闭，以免造成风流浪费，降低有效风量率。基建完成至达产期间以及生产末期减产期间，可通过调频降低风量，在满足井下通风需求的前提下，达到降低通风能耗的目的。朱荣成，等：某地下矿开采通风系统设计优化23Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY3.2用风量确定单翼回风模式下的生产产量 6 900 t/d，回采工作面 26 个，用风量 109.16 m3/s，掘进工作面 12个，用风量 44.35 m3/s，辅助工作面 7 个，用风量27.00 m3/s，其它工作面 12 个，用风量 81.38 m3/s。内部漏风系数 1.1、外部漏风系数 1.2、降温系数1.05。计算最大需风量为 362.98 m3/s。单翼主回风，主井辅回风模式下的生产产量 7 000 t/d，计算最大需风量为 279 m3/s。回采工作面 31 个，用风量 96 m3/s，备采工作面 3 个，用风量 9 m3/s，掘进工作面 4 个，用风量 20 m3/s，卸载站用风量32 m3/s，硐室工作面 7 个，用风量 42 m3/s。漏风系数 1.2 海拔修正系数 1.25。两翼回风模式下的生产产量 8 400 t/d，采掘作业面 8 个，用风量 30.5 m3/s，出矿出渣作业面 8个，用风量 236.66 m3/s，辅助作业面 8 个，用风量50.4 m3/s。内部漏风系数 1.1、外部漏风系数 1.2、海拔修正系数为 1.2、备用系数 1.1，计算最大需风量为 553 m3/s。3.3通风阻力确定单翼回风模式下的通风阻力为 3 000 Pa。单翼主回风，主井辅回风模式下的通风阻力为 1 600 Pa，两翼回风模式下的通风阻力为 3 900 Pa。3.4风机选择根据三种模式下的最大需风量、通风阻力对风机进行选择，单翼回风模式下风机选择 FKCDZ-12翼42/2 伊 1 250 对旋轴流通风机，装机功率 2 伊1250 kW，10 kV，风机安装于回风井井口。单翼主回风，主井辅回风模式下的风机选择 FBCDZ（B）-12-翼38 型对旋式风机，装机功率 2伊560 kW，风机安装于回风井井口。两翼回风模式下的的风机选择 FKZ翼20/250 kW，西回风竖井 3380 水平并联安装两台，东回风井井口并联安装 3 台风机。3.5运行能耗计算根据年生产时间 300 d、风机有功功率 90%进行计算，模式一：装机功率 2伊1 250 kW，每年产生的用电量为 1 620 万 kW h，吨矿系统通风能耗达到 7.8 kW h。模式二：装机功率 2 伊 560 kW，每年产生的用电量为 725.76 万 kW h，吨矿系统通风能耗达到 3.45 kW h。模式三：装机功率 5 伊250 kW，每年产生的用电量为 810 万 kW h，吨矿系统通风能耗达到 3.22 kW h。地下开采坑内通风系统单项能耗指标（表 1 所示）按地下开采坑内通风系统单项能耗指标，模式一：单翼通风方式的单项能耗已经超过三级，能耗较大，能耗是模式二和模式三的 2 倍多。模式三：两翼通风方式单项能耗最低，达到二级标准。3.6万吨矿石用风系数模式一：单翼通风方式万吨矿石用风系数1.75；模式二：单翼主回风，主井辅回风方式万吨矿石用风系数：1.32；模式三：两翼回风方式万吨矿石用风系数 2.19：3.7三种模式下通风系统的优缺点模式一：单翼通风方式优点：减少了一只回风井的建设投资。缺点：单项能耗大，能耗标准已经超过三级；虽然井下不设粗碎系统，但是运矿、提矿及柴油设备产生的废气将对整个系统进行污染，井下空气环境较差；单井回风，如果出现问题时或在检修时，井下将全部瘫痪，井下作业人员不及时撤出，可能会造成安全事故；对旋式风机在检修、电机更换方面工序较复杂；模式二：单翼主回风，主井辅回风方式优点：减少了一只回风井的建设投资；能耗小。缺点：用风量小，万吨矿石用风系数才 1.32；主井辅助回风，抽出式回风风机的安装地点要从新施工工程，即使安装使用，在使用过程中也会出现调控困难的问题且污风将会对主井设备产生粉尘、锈蚀等影响。对旋式风机在检修、电机更换方面工序较复杂；模式三：两翼通风方式缺点：增加了一只回风井；东回风井井口三机并联安装，使用范例较少，是否好用，不确定；优点：能耗小。三种模式中最低的；用风量大，万吨矿石用风系数达到了 2.19；使用过程中方便调控；双井回风不会出现单井有问题时，井下全部瘫痪的尴尬局面；装表 1地下开采坑内通风系统单项能耗指标Tab.1Single energy consumption targets of undergroundventilation system for underground mining级别一级二级三级能耗指标/（kWh/t矿）臆2.5跃2.5，臆4.0跃4.5，臆6.024张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用机功率低、运行费用低，吨矿系统通风 能耗3.22 kWh。K 系列风机并联安装，方便安装、使用，其中一台有问题或检修时另外一台也可以正常运行。4通风系统选择及建议4.1系统选择根据三种通风模式的风量、阻力、风机、运行能耗、万吨矿石用风系数、优缺点等进行对比选择模式三中央进风两翼回风的方式为该矿段通风系统。4.2建议对选择的中央进风两翼回风的方式东回风井三机并联安装在论证、考察，确保使用稳定。5后期使用过程中通风系统的监管及调控通风系统的监管及调控为：淤通风系统持续运转，主扇备用同型号的电机一台，有问题时方便及时更换；于风机硐室上部设置吊钩，当主扇电机出现故障时，更换或维修；盂主扇风机选用轴流式风机，风机反风通过电机反转实现，反风量满足 60%以上。同时，风机硐室处设置正反两道风门，可满足风机反风作业要求；榆风机控制采用现场手动和远程控制两种模式。风机控制的内容包括启动、停机、调速、反风等操作；虞风机监测的内容有电量参数与非电量参数，电量参数主要是电机电流、电压、功率、故障源等8，非电量参数主要是风机风量、风速、风压、轴承温度等；风机调控的内容主要是通过变频调速来调控风机的风量及开停，在节假日、交接班、产量下降时调低风机的风量可以大幅度节约电能；此外，通过风机的集中控制（集控中心设置在矿山调度中心），可以在矿井发生火灾且应该反风时能及时反风；愚当矿体开采完毕需开采新的区域时，为防止漏风，应在已结束生产的中段、分段、采场设风门或密闭墙，加强空区漏风管理；舆井下生产工作面是个动态过程，因而井下风流的自然分配无法时刻满足各个工作面的通风需求，可根据实际情况，增加通风构筑物进行风量调节，矿山通风技术部门应时刻关注井下生产工作面的变动情况及通风情况进行井下通风局部调整，必要时采用局扇及辅扇进行风量调节，特别是在独头掘进作业面等，需配置局部通风机加强通风。6结 语1）对于新建地下矿山，初期的设计论证尤为重要，充分论证设计出来的结果，可以有效控制项目前期建设投资，后期生产才能安全、高效实用；2）该矿 M4 井下开采通风系统，通过对三种方案从不同角度的对比、论证，中央进风、两翼回风的通风方式在论证上比较全面，内外部漏风系数、海拔修正系数、备用系数均有考虑；3）该方案在设计论证、投资、运行及生产使用等方面都具有较优的特点。所以建议选择的通风方式为中央进风、两翼回风方案。参考文献：1 蒋成伍，祁善智，刘久波，等.M1裕磁异常区铁多金属矿床地质特征及控矿因素J.现代矿业，2015，31（10）：125-127.2 阙赟鹏，许登伟.牛苦头铅锌矿露天与地下联合开采方案的探讨J.湖南有色金属，2016，32（1）：1-4.3 李洪普.东昆仑祁漫塔格铁多金属矿成矿地质特征与成矿预测D.北京：中国地质大学，2010.4 校铁.四川会理红泥坡铜矿床特征及经济评价D.成都：成都理工大学，2018.5 栾迪.基于综合临界品位值的矿山企业生产流程优化研究D.武汉：武汉工程大学，2016.6 沈世荣，刘宇.尖包包矿区露天转地下开采地质工作的思考J.矿业工程，2012，10（6）：18-20.7 田丰，查正清.一种新型地下混装炸药车自动送管系统的设计与应用J.有色金属（矿山部分），2015，67（3）：65-69.8 杜玉晓.分布式智能电机监测系统：CN200410034967.8P.2004-04-28.表 2指标对照表Tab.2Indicators comparison table万吨矿石用风系数1.322.191.75通风方式吨矿系统通风能耗/（kWh）单翼主回风，主井辅回风3.45两翼回风3.22单翼回风7.8朱荣成，等：某地下矿开采通风系统设计优化25