固体钾盐矿地下开采通风方式探讨

翟建波，郭 雷，逄铭璋

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

应用研究·非金属矿山·

固体钾盐矿地下开采通风方式探讨

翟建波，郭 雷，逄铭璋

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

考虑固体钾盐矿井下环境的特点，基于其典型开采方式，对固体钾盐矿地下开采的通风方式进行了详细研究。通过某钾盐矿山通风案例研究，进一步阐述了固体钾盐矿地下开采通风方式，以及通风设施对通风系统的重要性。

固体钾盐矿山； 地下开采； 通风

1 前言

钾盐为国民经济赖以发展的15种支柱性矿产之一。钾盐矿石主要来源于海相蒸发矿床和地表卤化矿床，前者主要集中在加拿大，目前主要开采区域在加拿大、俄罗斯、德国等，潜在开采区域为东南亚、南美和非洲。

我国钾盐储量少，质量差，占世界探明储量不足1%，主要分布在青海、云南和四川，以盐湖矿床为主，约占国内总储量的98%[1～3]。国内固体钾盐资源稀缺，据笔者了解，仅有云南思茅地区勐野井钾盐矿在进行地下开采，因此，我国固体钾盐矿开采经验缺乏，开采技术落后。随着中国企业走出去战略的实施，开发境外固体钾盐资源越来越受到关注，国内多家企业已经进入老挝、泰国等地区进行固体钾盐矿开发。由于钾盐矿地下开采的特殊性和复杂性，井下通风是中国企业开发境外钾盐矿所面临的难题之一。因此，有必要对固体钾盐矿地下开采通风方式进行详细研究。

2 开采方式

21世纪以来，随着科学技术的进步，新材料和新设备的出现改变了固体钾盐矿山的开采方式，由传统的凿岩爆破采矿技术向连续采矿技术逐渐过渡，目前世界上主要的固体钾盐开采国家(加拿大、俄罗斯、德国等)全部采用了机械化连续采矿技术，常用的采矿方法为长臂崩落法和房柱采矿法[4～5]。

长臂崩落法典型的盘区宽150～300m，长1 000～3 500m，高2～5m，由盘区末端向主巷道方向进行后退式回采，回采设备为连采机，矿石、人员和材料运输以及通风由预先掘进的水平巷道实现，详见图1。

图1 长臂法示意图

房柱采矿法典型的盘区宽约300m，长1 000～2 500m，高为矿体厚度，盘区划分为矿房和矿柱，矿石、人员和材料运输以及通风由预先掘进的水平巷道实现，详见图2。

图2 房柱法示意图

3 井下环境及通风特点

影响固体钾盐矿山井下环境的主要污染物为盐尘、柴油废气、其它化学物质，如CO、CO2、NO、NO2、臭气等。加拿大对污染物浓度规定限值为：CO<25ppm；CO2<5 000ppm；NO2<2ppm；O2>19%。但在柴油颗粒物的规定中，考虑成本等因素，加拿大不同行政省的规定不同，例如：安大略省柴油颗粒物上限为1.5mg/m3，魁北克省为0.6mg/m3；而美国为0.4mg/m3[6]。中国化工矿山的相关规定[7]中对固体钾盐矿地下开采井下环境污染物浓度没有相应的规定限值，但国家标准《金属非金属矿山安全规程》[8]中规定氧气应不低于20%，二氧化碳应不高于0.5%，风源含尘量应不超过0.5mg/m3。因此，在对固体钾盐矿井下进行通风设计时，对其井下环境进行分析并设计合理有效的通风系统至关重要。

钾盐矿空气中含有盐尘，在回风侧安装主扇可能造成设备腐蚀及维修保养等管理问题，而且回风侧空气温度相对较高，空气密度低，空气体积增加(即风体积量增加，但风质量不变)，但进风口、工作面和掘进面所需风量固定，考虑排出风量相对减少，必须增大主扇功率，间接增加了通风成本。因此，在固体钾盐矿地下开采时一般采用压入式通风。

针对固体钾盐矿井下所存在的化学污染物，需要设置CO、CO2、NO、NO2测量装置，设置臭气报警系统，满足井下作业环境需求，避免潜在不安全事故的发生。此外，考虑到固体钾盐矿地下开采的区域较大，多数在几平方千米，通风线路较长，采用房柱法或长臂法回采的通风网路复杂，需要通过设置一系列通风设施有效保证通风系统的稳定。通风设施包括各类风门、风桥、风帘等。由于钾盐矿床的底板软弱容易蠕变隆起，布置任何形式的永久性风门均有一定的困难，此外，考虑盘区通风系统对风帘的使用量较大等因素，钾盐矿山的通风设施的选取需具有易拆卸和安装、轻便、适应性强、可适当变形等特点。

4 通风方式

井下通风的重要区域为回采工作面，因此，采矿方法中通风方式的选择尤为重要，本次研究基于固体钾盐矿山常用的两种采矿方法：长臂崩落法和房柱采矿法，对其通风方式[9]进行详细阐述。

4.1 长臂崩落法

基于长臂崩落法的采矿布置形式，常用的通风方式有以下7种。

(1)单通道前进式通风方式。该方式在欧洲应用普遍，适用于赋存深度适中的矿床。通风系统简单，风流从一侧进入，从另一侧返回，部分风流流入坍塌区域。风流冲洗沿路污风，可能导致回采区端部聚集灰尘和其它危险气体，存在火灾或爆炸的潜在风险，详见图3。

图3 单通道前进式通风方式示意图

(2)单通道后退式通风方式。该方式与单通道前进式通风方式布置相似，不同之处在于其隔绝了坍塌区与回采区的相连，大大减少风流的分流，弥补了单通道前进式通风方式效率不足的问题，但需增加相应的通风设施，详见图4。

图4 单通道后退式通风方式示意图

(3)单通道后退式通风方式(带局扇)。该方式结合了U型回路和贯穿风路的特点，通过增加局扇，形成贯穿坍塌区的风流，改善坍塌区的不良环境，降低火灾或爆炸发生的风险概率，但需要保留大量的矿柱来保证回风上山的稳定，详见图5。

图5 单通道后退式通风方式(带局扇)示意图

(4)双通道后退式通风方式(带局扇)。考虑某些地区规定皮带通道的风流不能用于生产用风，因此采用多通道方式以满足通风需求，但增加了相应的采切工程量。该方式同样通过增加局扇，形成贯穿坍塌区的风流，改善坍塌区的不良环境，降低火灾或爆炸发生的风险概率。该方式在美国、南非和澳大利亚常用，详见图6。

图6 双通道后退式通风方式(带局扇)示意图

(5)Y方式。当井下环境恶劣对通风要求较高时，该方式通过增加进风通道数量有效增加供风量，改善回采区域通风状况，满足井下作业环境需求，此外，还可通过增加局扇进一步改善通风状况，其缺点是开拓工程量会大大增加，详见图7。

图7 Y方式通风示意图

(6)双Z方式。该方式同Y方式相似，不同之处在于将回风通道布置在两个进风通道中间位置，一定程度上减少了沿程阻力，相比Y方式提高了通风效率，详见图8。

图8 双Z方式通风示意图

(7)W方式。该方式不同于Y方式和双Z方式的贯穿风路的通风方式，而是采用了W型回路的通风方式，将回风上山布置在采区中部，相比于Y方式和双Z方式减少了开拓工程量，但在盘区回采初期，大大增加了沿程阻力，通风效果较差，详见图9。

图9 W方式通风示意图

4.2 房柱采矿法通风方式

由于房柱采矿法的采矿布置形式和工艺特点，其通风方式往往是长臂崩落法通风方式的综合利用，但两者也有不同的通风策略，房柱采矿法的风道互相交叉，造成大量的漏风，从而风阻减少，但所需风量显著增加，因此，房柱法需要低压大风量，其风量利用效率很低。常用的通风方式有以下2种。

(1)W方式(双向)。该方式将盘区分为两个通风区域，由一个或更多通道进风，两侧通道回风，风流在回采作业面分开，各自通风半个盘区。其不足为由于采场数量较多，漏风量相应增加，风量利用效率较低。风流的分布由风帘进行调节和控制，详见图10。

图10 W方式(双向)通风示意图

(2)U方式(单向)。该方式由一侧通道进风，另一侧通道回风，详见图11。相对于W方式(双向)，该方式的风量利用效率较高，但通风沿程阻力较大，尤其是回采工作面需要通过风帘来控制风流分布，显著增加通风阻力，为了更好地克服此问题，在回采工作面布置局扇可以有效降低工作面阻力，改善通风效果，详见图12。

图11 U方式(单向)通风示意图

图12 U方式(单向加局扇)通风示意图

根据不同的项目背景以及对通风的需求，可以选择上述长臂崩落法和房柱采矿法9种通风方式中的一种或几种结合应用，为固体钾盐矿地下开采通风设计提供依据。目前固体钾盐矿地下开采常见的通风方式为长臂崩落法中的双通道后退式带局扇的通风方式和房柱采矿法中的W方式(双向)通风方式。

5 案例研究

东南亚某钾盐矿，矿区内地势平坦，属于典型平原地貌。气候为典型热带季风气候，季节温差变化不大，常年较热，年平均气温26.3℃。每年5～10月为雨季，11月至次年4月为旱季。矿层呈层状产出，分布连续、范围广，产状相对较平缓，矿床埋藏较浅。矿区地表地势平坦，地表需要保护。矿体平均厚度约3.6m，倾角为2%～5%。

采矿方法选取V型房柱嗣后充填法，开拓方式为胶带斜井+斜坡道+进风井。

5.1 通风方式

结合开拓系统、采矿方法和矿体赋存条件，矿井采用进风井、斜坡道进风，回风井、胶带斜井回风的压入通风方式。

考虑本项目地表土地空间紧张，进风井和斜坡道均布置在地表工业场地内，噪音大，地表建设成本相对较高，井口距工作面太远，矿井风压高，因此主扇位置应考虑布置在地下(进风井井底石门处和斜坡道的中盐层处)。

新鲜风流经由进风井、斜坡道、主开拓平巷和盘区平巷等进入采场，污风经盘区回风平巷、主开拓回风平巷、回风联络道、回风石门等回风至提升斜井和回风井排出地表。

采场通风通过局扇、风门、风筒等进行控制，详见图13。

图13 矿山通风系统计算图

当新鲜风流到达盘区后，采用W方式(双向)进行通风，新鲜风流经由盘区中部3条盘区巷道进入盘区两个回采区域，吹洗工作面后，污风经由盘区两侧的盘区回风巷道回风至主运输平巷，通过矿山通风系统排出地表，详见图14。

图14 盘区通风系统示意图

5.2 通风设施

在斜坡道中盐层稳固地段和进风井石门稳固地段各设1台主扇风机，电机功率分别为400kW和900kW。

为将新鲜风流引至采场工作面，并排出工作面的盐尘等，保证工人在良好的环境下工作，需要采用局扇将主巷道中的新鲜风流引入盘区巷道内，再借助局扇和风筒将新鲜风送入采场，吹洗工作面，污风汇入盘区回风巷道，经盘区回风巷道构建风桥至主回风巷道。

设1个风墙位于斜坡道内，15个风门位于主开拓巷道间的交叉处；12个风桥位于回采盘区与主开拓巷道交叉处，仅计算矿山生产初期的风桥数量；约480个风帘位于每个盘区内，可循环重复利用，计算最大风帘需求量，矿山生产初期约150个风帘；6个长约100m、直径600mm的风筒位于盘区内。

坑内设风速测量装置、压力测量装置，温度测量装置，湿度测量装置，CO、CO2、NO、NO2测量装置各12个，其中10个为固定测量类型，2个为移动测量类型。根据实际生产情况和各装置的功能，主要固定安装在胶带斜井、斜坡道、进风巷道、回风巷道、回采盘区入口或出口、充填盘区入口或出口、通风困难区域；此外，考虑矿床面积大、通风线路长等因素，还应设置一套臭气报警系统，主要分布在矿山不同的主进风区域和人员休息区域，在风况和风质不好时及时报警，防患于未然。

6 结语

(1)对固体钾盐矿井下环境及通风特点进行研究，提出固体钾盐矿一般采用压入式通风，并应增加臭气报警系统和风门、风桥、风帘等通风设施。

(2)结合固体钾盐矿地下开采常用采矿方法长臂崩落法和房柱采矿法，总结了与之相适应的9种基本通风方式及其优缺点，为固体钾盐矿地下开采选择通风方式提供了依据。

(3)对东南亚某钾盐矿的通风系统进行了研究，选取压入式W型(双向)通风方式，布置了风墙、风门、风桥、风帘等各种通风设施以及各种检测装置。

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工程动态与信息

Discussion on the ventilation way in underground mining of solid potash mine

Based on the underground mining method of typical solid potash mine, and considering the characteristics of its underground environment, the ventilation way in underground mining of solid potash mine was studied in detail. In addition, the ventilation way of a solid potash mine in Southeast Asia and the importance of ventilation construction for ventilation system were described.

solid potash mine; underground mining; ventilation

TD871+.1

A

2017-- 03-- 30

2017-- 04-- 05

翟建波(1986-)，男，河南新乡人，工程师，注册一级建造师，从事矿山咨询设计工作。

1672-- 609X(2017)04-- 0043-- 05