大型深井無軌礦山通風及監控技術研究與應用

1、所屬領域

採礦、安全生產工程

2、適用範圍

大型深井無軌礦山開採

3、基本原理

成果針對大型深井無軌礦山開採過程中柴油尾氣排放多、井下揚塵大、多分區多中段同時開採用風點分散的特點，從安全、節能、智能高效的角度出發，應用多中段風量調節控制技術、風壓平衡技術、多機站風機優選技術、多（級）機站通風數值模擬技術以及通風系統遠程計算機集中監控技術，建立了既滿足多礦區需風量要求、合理分風、有效排出污風，又智能高效運行、節省通風能耗，最終實現礦山安全、高效生產的通風系統。藉助通風井巷工程最優斷面理論計算與數值模擬技術，結合礦床賦存條件及多中段同時開採特點，建立了多中段采場間隔式上、下行通風新模式，運用風壓平衡原理揭示巷道的自然分配風量規律，採用通風系統遠程計算機集中監控技術對多礦區主迴風機站風機運行頻率適時綜合調控，解決各礦區貫通中段風壓不平衡問題，有效緩解礦區之間污風串聯問題。

4、關鍵技術與裝備

（1）研發礦區斜坡道污風排放及深部中段通風風量調控技術

在廣泛深入調研西山礦區各中段巷道工程地質與生產情況的基礎上，建立了由斜坡道、南北兩翼迴風井以及中段巷形成的通風網路模型，通過將不同型號的風機代入網路模型進行模擬解算，確定採用控制斜坡道進風量，有效減少斜坡道污風進入深部中段作業采場。

（2）開發多中段風量調節控制技術

根據大型海底金礦床賦存條件及多中段同時開採的特點，提出三山島金礦分區通風模式，兩礦區采場採用間隔式上下行通風方式。該通風模式將每個中段形成一個獨立通風系統，根據（中）分段采場作業進度情況，選擇合適的（中）分段巷用作該中段迴風水平，其他分段用作進風水平，合理規劃采場推進秩序，有效控制多中段同時作業采場新風和污風相互串聯影響。

（3）研發礦區系統風壓平衡技術

採用計算機網路通訊技術、風機變頻調控技術、井下風流與環境參數監測控制技術、Ethernet-DCON通訊控制單元、DCON遠程I/O控制單元及監控系統軟體的開發，以及它們之間的有機結合形成的成套技術從而對兩礦區貫通處巷道風壓進行實時監控調節，提升礦山通風管理水平和通風效果，改善工人工作環境，預防職業病發生，保證礦山安全生產以及通風節能降耗。

通過對礦山開拓系統工程，現狀進行調查、測定、分析，藉助通風井巷最優斷面理論計算與數值模擬等手段，揭示了礦區通風系統安全生產井巷工程通風能力。

在廣泛深入調研礦區各中段巷道工程地質與生產情況的基礎上，建立了由斜坡道、南北兩翼迴風井以及中段巷形成的通風網路模型，通過將不同型號的風機代入網路模型進行模擬解算，確定採用控制斜坡道進風量。

根據大型海底金礦床賦存條件及多中段同時開採的特點，提出三山島金礦分區通風模式，兩礦區采場採用間隔式上下行通風方式。該通風模式將每個中段形成一個獨立通風系統，根據（中）分段采場作業進度情況、選擇合適的（中）分段巷用作該中段迴風水平，其他分段用作進風水平，合理規劃采場推進秩序，有效控制多中段同時作業采場新風和污風相互串聯影響。

通過通風系統遠程集中監控技術，有效控制相互貫通礦區進迴風風機運行工況，調節各採區相對壓力，減小了採區之間相互串風量。

提出了多中段回採采場間隔式上下行通風模式。將每個中段劃分為一個獨立通風系統，根據中（分）段采場作業進度情況，選擇合適的中（分）段巷用作該中段迴風水平，其他分段用作進風水平，有效控制多中段同時作業采場新風和污風串聯。

開發了井下分區通風系統遠程集中監控系統。實現井下風機進行遠程集中監控，對主要通風巷道風流參數、井下大氣環境參數進行自動連續監測，最大限度地節約通風能耗，降低通風費用，提高了礦井通風系統管理水平。

藉助通風井巷最優斷面理論計算與數值模擬技術，確定井巷工程基建費和通風動力費總和與井巷工程凈斷面半徑的函數關係，揭示了礦區通風系統安全生產井巷工程通風能力。

建立了大型深井礦山風壓動態模型，揭示巷道自然分配風量規律，採用通風系統遠程計算機集中監控技術對主迴風機站風機運行頻率適時調控，解決多礦區貫通中段風流互相影響風壓不平衡問題，確保了各礦區安全高效開採。

研究項目針對大型礦山多分區多中段同時開採的特點，結合兩礦區礦井總風量不足、通風系統進、迴風井巷工程欠缺、通風設施設備運行性能偏低、系統風壓不平衡等問題，充分應用多中段風量調節控制技術、風壓平衡技術、多機站風機優選技術、多（級）機站通風模擬解算技術以及通風系統遠程計算機集中監控技術對通風系統展開研究，從系統的角度提出有針對性的優化改進措施，建立既滿足兩礦區需風量要求、合理分風、有效排出污風，又能高效運行、節省通風能耗，最終實現礦山的安全、高效生產的通風系統。

通過藉助通風井巷工程最優斷面理論計算與數值模擬等手段，揭示了礦區通風系統安全生產井巷工程通風能力。根據大型礦床賦存條件及多中段同時開採的特點，提出了多中段回採采場間隔式上下行通風新模式。該模式將每個作業中段劃分為一個獨立通風系統，根據（中）分段采場作業進度情況，選擇合適的（中）分段巷用作該中段迴風水平，其他分段用作進風水平，合理規劃采場推進秩序，有效控制多中段同時作業采場新風和污風相互串聯影響。

探索了礦山通風系統局部阻力分布特點、無軌設備尾氣排放規律以及深部地下水熱交換規律，對井下各種類型井巷規格及作業中段布置、作業點分布、典型巷道的通風阻力等進行了調查與數據整理，集成了井巷風阻原始數據、網路節點分支原始數據、風機參數原始數據、機站參數原始數據等通風網路資料庫。採用自主研發的礦井通風網路模擬解算軟體對方案進行計算、分析、比較，確定了井下通風系統風量分配、阻力分布情況，進行風機站及風機優化選型，通風構築物的實時合理布置。

建立了大型深井礦山風壓動態模型，運用風壓平衡原理揭示巷道的自然分配風量規律，採用通風系統遠程計算機集中監控技術對礦區主迴風機站風機運行頻率適時綜合調控，解決各礦區貫通中段風流互相影響，風壓不平衡問題，礦區貫通處流動風量由90.60 m3/s減少至13.60m3/s，有效緩解了礦區之間污風相互串聯影響。

研究開發的礦井通風監控與節能成套技術在提高礦山通風管理水平、改善井下環境條件，節能降耗以及安全生產方面，均具有極大的優勢。通風系統遠程計算機集中監控技術使礦山向智能化採礦邁出堅實一步。整體技術在礦山投入使用能夠有效改善井下通風環境，提高作業場所空氣質量，顯著提升工人的勞動效率，降低職業病發病率，具有顯著的社會效益。相互貫通採區之間風壓更加均衡，降低了通風系統內耗，採用了合理的多機站分區通風方式，減少中段輔扇，減少通風成本，提升礦山勞動生產效率。

三山島金礦是我國第一個從事大陸架瀕海礦床地下開採的大型硬岩礦山，生產規模12000t/d，主要作業中段逐步延深、生產布局發生變化、柴油無軌設備大量增加，西山和新立兩大礦區多中段貫通，井下通風網路複雜。整體技術2012年開始在三山島金礦投入使用以來，兩礦區礦井總風量由338.31 m3/s提高到804.55 m3/s，系統有效風量利用率由60.57%提高到73.75%，生產作業點粉塵濃度監測點合格率以及NO2、CO、CO2、SO2等有害氣體檢測合格率均為100%，主要生產中段-600m水平采場環境溫度由原有31.5℃降低到26.7℃，有效改善了井下通風環境，提高了作業場所空氣質量，顯著提升工人的勞動效率，降低了職業病發病率，具有顯著的社會效益。

西山、新立兩礦區4個迴風機站風機（系統總裝機容量為2760KW）按照設定頻率運行，與滿負荷50Hz比較，僅此一項年（按運行330天計）節電可達876萬KWH，通過變頻控制技術累計節約通風運行費用660萬元（按0.75元/KWH計算）。另外，通風系統建成運行後，採用了合理的多機站分區通風方式，減少中段輔扇5台，合計210KW，按一年工作330天計算，減少通風成本約136萬元；減少採場局扇60台，合計660KW，按一年工作330天，每天工作8小時計算，減少通風成本約138萬元；通風效果改善後，兩礦區採掘生產總量增產4000t/d，利潤增加2614.8萬元，累計年增收節支總額約3548.8萬元，取得了巨大的經濟效益。

研究項目經過兩年多的努力，改變了通過人工調節風機葉片角度來改變風機工況和依靠通風人員測定風流參數的狀況，建立了大型深井礦山風壓動態模型，提出了采場間隔式上下行分區通風模式，揭示了礦區通風系統安全生產井巷工程通風能力，集成了通風系統網路資料庫，開發了通風系統計算機遠程集中監控系統，獲得了一整套礦井通風監控與節能技術及一項國家發明專利，對大型深井多中段開採礦床通風系統的優化設計及保證其可靠性並節省通風能耗等具有重要的意義。

在我國深部資源開採成本增加及開採難度加大的背景下，沿海及其大陸架為主體的海底礦產資源為我國資源開發提供了新的出路與方向，瀕海大型地下深井礦山通風及監控技術可推廣應用至我國黃金和其它資源的海下開採，該綜合技術開發將為我國礦業可持續發展產生深遠的影響。

獲授權發明專利1項。

來源：中國冶金礦山企業協會

排版：吳玥

監製：趙鵬

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