钟九铁矿辅助斜坡道掘进工程通风系统优化

夏 文 孙茂贵 逯富强 赵宗毅

（安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司）

地下矿山斜坡道在掘进施工一定距离后，由于通风路线长、弯道多，局部通风设计难度大，若工作面新鲜风流不足，不仅影响生产效率，甚至造成通风安全事故，科学合理的通风设计对于高效生产和通风安全至关重要。钟九铁矿斜坡道总长度达到4 430.66 m，掘进方式为独头掘进，采用局部通风方式，存在通风路线长、阻力大、工作面新鲜风流不足的问题，不仅影响生产效率，而且存在极大的安全隐患。为确保通风系统的稳定可靠和通风安全，对通风系统进行优化。

1 工程概况

钟九铁矿辅助斜坡道硐口位于副井西北约50 m处，地表开口标高为+14 m，底标高为-440 m，净断面尺寸为4.2 m×3.6 m（宽×高），直道段坡度为12%，弯道段为平坡。辅助斜坡道与各生产中段通过平巷联通，作为大型设备和材料下放的通道，有助于减轻副井开拓工程施工的负担，提高矿山井下治水抗风险能力；同时辅助斜坡道兼做矿山的安全出口，并承担辅助进风任务，在钟九铁矿基建过程中担任非常重要的角色。

斜坡道设计总长度为4 430.66 m，其中，+12～-140 m 水平斜坡道长度为1 458.96 m，-140～-200 m水平斜坡道长度为631.40 m，-200～-260 m 水平斜坡道长度为520.54 m，-260～-320 m 水平斜坡道长度为531.28 m，-320～-380 m 水平斜坡道长度为666.55 m，-380～-440 m 水平斜坡道长度为621.93 m。2021 年，钟九铁矿斜坡道正式开工建设，随着斜坡道不断向深部掘进。至2021 年底，斜坡道施工已折返4 个弯道，长距离的通风和弯道增多，使得斜坡道掘进工作面的通风越来越困难。目前采用的局部通风方式由于通风阻力明显增大，存在通风不畅，尤其是迎头供风不足，致使工作面爆破产生的污风、铲运设备油烟稀释时间长，严重影响施工进度与安全生产。因此，急需对钟九铁矿现有通风系统进行优化，以改善长距离独头施工的斜坡道通风质量，保证作业环境良好，提高斜坡道开拓效率。

2 斜坡道通风系统优化

2.1 通风系统优化原则

通风系统设计和改造是一项复杂的技术工作，不仅要考虑当前斜坡道开拓掘进情况、现有通风设备设施情况、通风现状等，还要考虑到整个斜坡道掘进期间，甚至是掘进完成后进入生产期的各种情况及其变化。因此，本次斜坡道通风系统优化原则：①提高通风系统的稳定性，使得用风地点风量满足要求、风流方向保持不变；②利用现有的井巷和通风设备，最大限度减少辅助工程及新设备采购；③根据工程计划要求，合理安排掘进部署，充分发挥现有系统的通风能力；④改善矿井通风状况，创造良好的职业卫生环境，提高斜坡道掘进效率，保障作业人员身体健康；⑤在改善矿井通风效果的基础上，尽可能节约能耗，以提高本矿经济效益；⑥在阻力较大地点，应设法采取降阻措施，以减少通风阻力，使通风系统合理化［1-3］。

2.2 通风系统优化技术路线

矿井通风系统的优化是通风方式、通风类型、通风网络和调节方法所涉及的各种参数的合理组合。结合钟九铁矿斜坡道的实际开拓掘进计划，确定本次通风系统优化设计的技术路线：调查斜坡道通风现状，测定斜坡道通风系统阻力，确定矿井通风网络分支风阻，编制通风网络图，确定通风系统优化方案、风机选型，利用通风网络解算软件对通风网路进行模拟解算［4］。

2.3 斜坡道掘进工作面需风量

根据《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423—2020）及《金属非金属地下矿山通风安全技术规范》（AQ 2013—2008）等国家标准规范要求，并参照国内外类似矿山通风降温实践经验，各掘进工作面通风排尘平均风速要求不小于0.5 m/s。钟九铁矿斜坡道设计最大断面为14.83 m2，故满足规范要求的最小需风量为7.42 m3/s，考虑到斜坡道的实际通风效率以及损耗，最终确定斜坡道需风量为8.0 m3/s。

2.4 斜坡道通风优化方案

根据现场施工条件及通风需求，通风优化方案采用单翼对角抽出通风方式。其施工方法为在斜坡道地表平硐口附近施工一条直径为2 m 回风井，回风井分5 段进行施工，并施工斜坡道联巷使该井与各分段斜坡道相通，各分段标高及施工顺序如下：①第一段回风井从地表+12 m 水平施工至-118 m水平，在斜坡道-118 m水平施工水平回风联巷与回风井连通；②第二段回风井从-118 m水平施工至-181 m水平，在斜坡道-181 m 水平施工回风井倒段联巷回风井连通；③第三段回风井从-181 m 水平施工至-218 m 水平，在斜坡道-218 m 水平施工施工回风井倒段联巷回风井连通；④第四段回风井从-218 m水平施工至-301 m 水平，在斜坡道-301 m 水平施工施工回风井倒段联巷回风井连通；⑤第五段回风井从-301 m 水平施工至-344 m 水平，在斜坡道-344 m水平施工施工回风井倒段联巷回风井连通。

2.5 风机选型

2.5.1 风机的计算风量

风机的计算风量：

式中，Qj为风机的计算风量，m3/s；K为通风机装置的漏风系数，取1.1；q为矿井所需风量，m3/s。

风机计算风量根据矿井风量计算及矿井风量分配。经计算，斜坡道通风系统-440 m 中段回风机站风量为8.8 m3/s。

2.5.2 风机的计算负压

风机的计算负压：

式中，Hj为风机的计算风压，Pa；H为矿井通风阻力，Pa；△h为通风装置阻力，一般取150～200 Pa；ho为消声装置阻力，可取50～100 Pa；Hz为自然风压，Pa，当自然风压起阻力作用时取正号，起动力作用时取负号；Hd为扩散器的动力损失，Pa。

矿井通风阻力是选择通风机主要参之一，为了经济合理，同时使得巷道不会因风压过大造成安装、维修等管理困难，须控制总阻力不能太大。本次通风阻力计算分3 段进行，第一段为回风井通风阻力，第二段为斜坡道联巷通风阻力，第三段为斜坡道通风阻力。选择最困难时期作为通风阻力计算线路，当斜坡道掘进至-344 m 中段时为最困难时期，此时斜坡道长度为3 584.81 m，通过计算，斜坡道通风总阻力H=200.37 Pa。斜坡道通风阻力具体计算结果见表1。

风机工作风压根据矿井通风负压计算。经计算，确定斜坡道通风系统通风机全压为400.36 Pa。

2.5.3 风机选型

根据风机工作风量及工作风压通过风机选型计算，斜坡道各中段回风井联巷选择1 台K45-6№11 风机（功率15 kW），有风墙形式安装，叶片安装角度为40°。该风机为移动式风机，随着斜坡道掘进深度的增加逐步下移，服务于斜坡道各掘进中段。

风机布置及性能参数见表2。

主扇的控制系统为出厂自带，主要涉及主控系统、变距系统、安全系统等，用于控制主扇风机的运行状态，保障矿井通风系统的正常与安全运行。主扇风机的工作状态有运行、暂停、停机、紧急停机，每种状态是1 个活动层次，运行状态层级最高，急停状态最低。风机特性曲线如图1所示。

3 通风网络解算

通风系统方案确定后，根据井下开采条件，对井下各种类型井巷规格及作业中段布置、作业点分布、典型巷道的通风阻力等进行了调查与数据整理，建立了井巷风阻原始数据、网络节点分支原始数据、风机参数原始数据、机站参数原始数据等通风网络数据库。利用Ventsim 三维通风模型对方案进行系统通风效果模拟解算，最终确定的实施方案达到预期效果［5］。

针对通风系统所设置的回风机站，将矿井参数及风机型号带入Ventsim 三维通风模型进行三维动态仿真模拟，具体解算模型见图2。通过解算，斜坡道进风量与回风井相等，均为12.4 m3/s，说明本通风系统是合理的。

4 结语

针对钟九铁矿斜坡道实际问题及通风需求，根据现状测定及分析得到目前存在的关键通风问题（通风网络、污风循环现象、风机效率低），制定出单翼对角抽出通风方式斜坡道通风系统方案，通过计算确定斜坡道独头掘进工作面需风量为8.0 m³/s、斜坡道通风阻力为200.37 Pa。再根据风机工作风量及工作风压，确定斜坡道各中段回风井联巷选择1 台K45-6№11 风机（功率15 kW），采用有风墙形式安装，叶片安装角度为40°。最后通过Ventsim 三维通风模型进行三维动态仿真模拟，确定了该方案及各类参数能够解决独头长距离斜坡道通风问题，大大减小斜坡道因通风除尘问题而带来的安全隐患，显著提高了斜坡道的建设效率。