CN110953010A - 一种地下矿山通风系统及风量分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种地下矿山通风系统及风量分配方法，解决地下矿山多中段同时采矿通风问题。本发明构建的一种矿井通风系统，以盘区作为最小通风单元；利用专用回风平巷作为盘区回风平巷，利用不担负主要功能的平巷作为盘区主进风平巷，盘区回风平巷通过盘区回风斜巷与各采矿分段平巷连通；在盘区进风平巷内设置有风流净化装置和降温热交换装置，净化降温处理入风风流；形成具有隔离污浊空气与新鲜空气功能的矿井通风系统。在所构建的通风系统中，本发明提出两种盘区风量分配方法。方法一：通过控制各盘区内回风斜巷的断面尺寸，平衡各盘区风量；方法二：通过在回风斜巷与回风平巷联系的盘区回风石门内设置智能调节风窗，调节各盘区通风量。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下矿山通风系统及风量分配方法，尤其一种地下矿山的隔离式盘区通风系统及风量分配方法，属于采矿技术领域。
背景技术
金属、非金属地下矿山的井下需风工作面呈现“点多、面广”的特征，特别是有色金属地下矿山的同时采矿中段越来越多，有的多达十几个中段同时采矿通风。在传统通风工艺方法中，多中段同时回采通风往往带来新鲜风与污风串联问题(矿井通风安全问题)，即当上、下中段同为生产中段时，下部中段采矿作业产生的污浊空气进入上部中段生产平巷、污染上部中段的新鲜风流，出现井巷内粉尘浓度大、有毒有害气体长时间滞留井下，威胁矿工生命安全。
多中段同时采矿通风的通风安全问题是对传统通风工艺方法的挑战。传统通风工艺方法以中段作为分风单元，中段长度少则几百米、多则上千米，回风风路长、井下通风排烟时间久；中段进风利用本中段运输平巷，中段回风利用上部废弃中段运输平巷，使用通风构筑物如风门、密闭墙隔离污浊空气与新鲜空气，矿井通风管理工作繁重；中段内各采场自然分配风量严重不均衡，当采场内使用通风局扇强制通风时，又引起相邻采场风流反向、污风循环等一系列问题。
在传统矿井通风系统中，为应对多中段同时采矿通风问题，使矿井通风满足安全生产要求，矿山安全管理一般采取：
一、减少井下各中段同时通风采场数量，同时通风采场布置呈“台阶”状、采用后退式回采，避免上下相邻采场同时回采通风，极大限制了井下回采计划和采场排产。
二、加强通风监测，延长井下通风时间、降低井下空气中有毒有害气体及粉尘含量，导致回采作业时间被挤占、降低了单个采场的回采时间和生产能力。
三、采用风门隔离新鲜风与污风，在中段平巷内设置新鲜风与污风的隔离风门，该风门要随中段端部回采采场更替频繁移动设置，造成了通风管理工作困难、繁重。
四、间隔布置生产中段，即同时采矿中段在垂向上间隔布置、使每个中段处于单中段采矿通风状态，导致井下开拓井巷工程量增加、开拓投资增大、采矿准备时间延长。
此外，对于深井地下矿山为应对高井温问题需要设置井下降温热交换装置和空气净化装置，传统通风工艺方法的新鲜空气由中段运输平巷进入采场，在中段运输巷道内设置降温热交换装置和空气净化装置严重影响井下中段运输作业，同时中段运输作业也破坏了降温及空气净化系统的密闭性，造成冷量损失、空气净化效果不佳。
本发明中，多中段同时通风采矿是指大于等于2个中段同时通风采矿。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种地下矿山通风系统及风量分配方法，以解决地下矿山多中段同时生产通风问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种地下矿山通风系统，用于N个中段的同时生产通风，每个中段划分为H个盘区，各盘区内设有生产分段平巷，其中，N、H均为不小于2的正整数；包括进风井和回风井，各中段的顶部设有与进风井连通的主进风平巷，同一中段的各盘区内分别设有与该中段顶部的主进风平巷连通的斜坡道；各中段的下方设有回风平巷，各斜坡道与其所在盘区内的生产分段平巷连通，各盘区的两端分别设有与该盘区的生产分段平巷连通回风斜巷，所述回风斜巷与所述回风平巷连通，所述回风平巷与回风井连通；同一中段内，各相邻盘区的同一水平的生产分段平巷互不连通。
可选地，利用专用回风平巷作为盘区回风平巷，利用不担负主运输功能的平巷作为盘区的主进风平巷，回风平巷通过回风斜巷与各生产分段平巷连通；可选地，在回风斜巷与回风平巷联系的盘区回风石门内设置智能调节风窗，调配盘区通风量；可选地，在回风斜巷与非生产分段平巷联系的盘区回风石门内设置密闭墙或风门，避免通过非生产分段平巷漏风；可选地，在主进风平巷内设置有风流净化装置和降温热交换装置，净化或降温处理入风风流。
本发明的地下矿山通风系统，以盘区作为最小分风单元(通风单元)，盘区内包含若干个采场(需风工作面)；通过主进风平巷、斜坡道、回风斜巷、回风平巷的合理设置，形成各盘区相互独立(上下相邻、左右相邻的各盘区均相互独立)，各盘区通风量可智能调节控制、盘区内风路自然分配新鲜风给各采场需风工作面，入风风流可净化降温处理的、具有限制污浊空气与新鲜空气串联功能的隔离式通风系统。
进一步地，同一中段内，各相邻盘区的同一水平的生产分段平巷通过风门隔断。
进一步地，回风井井口处安装有主扇风机。
进一步地，所述盘区的高度为中段高度，盘区的宽度为矿体宽度，盘区长度为L＝n1NpLa，
其中：
La为采场沿矿体走向的长度(单位：m)；
n1为正整数；
NP为运输设备有效覆盖的采场个数；可选地，所述运输设备包括铲运机、运矿卡车；
式中，
Lm为运输设备的经济合理运输距离(单位：m)；
Lj为沿走向运输平巷与采场的间距(单位：m)；
Lc为采场垂直矿体走向的长度(单位：m)。
进一步地，所述采场分布于生产分段平巷附近，并与生产分段平巷连通，具体可参考现有地下采矿技术采场分布情况。
进一步地，将N个中段由上至下依次记为第1中段、第2中段、……、第N-1中段和第N中段；第M中段顶部的主进风平巷位于第M-1中段内；第M-1中段的盘区的回风平巷位于第M中段内，其中，M为不小于2且不大于N的正整数。
进一步地，所述回风斜巷与回风平巷之间通过盘区回风石门连通，所述盘区回风石门内设有智能调节风窗。
可选地，盘区内设有与斜坡道连通的运输巷道。
优选地，各盘区内，斜坡道设置在相应盘区的中央位置。
可选地，作为盘区中央进风道的斜坡道可利用盘区管道井、通风人行天井等代替；盘区两端回风斜巷可以利用管道井、泄水井等兼做，盘区上部的主进风平巷可以利用不担负主运输功能的平巷兼做，盘区下方的回风平巷是可将下部中段采矿平巷选择作为专用回风平巷。
本发明中，根据采矿工艺时空特征，即采矿巷道在时间上使用的先后顺序和井巷工程在空间上布置形式，选取采矿工艺要求最晚使用的、距离生产分段平巷较近的采矿平巷，提前将其掘进完成形成专用回风平巷。
进一步地，对于回风平巷的选择：
1)优选对下部中段回采不影响或影响时间短、影响时间滞后的采矿平巷；
2)选择下部中段生产后期使用的采矿平巷，使本中段和下中段同时进行采矿作业或同时作业时间较长；
3)选择距离本段平巷距离较近的采矿平巷，减少回风斜巷(回风上山)的井巷工程量。
可选地，对于进风平巷，根据采矿工艺时空特征及地质环境，选取采矿过程中最早完成采矿作业的、不担负主要生产功能和任务的、没有有毒气体挥发、没有地下涌热水地段的、距离生产分段平巷较近的平巷，优先选择已通风冷却1年以上的平巷。
进一步地，对于主进风平巷的选择：
1)优先选用没有采矿作业、不担负生产功能任务的废弃平巷，或者选用中段最早完成采矿作业的平巷，避免或减少采矿作业和其它功能任务影响主进风平巷内的新鲜风流的风质；
2)优选已经通风冷却1年以上的平巷；
3)选择的主进风平巷应避开有毒气体挥发、地下涌热水等对新鲜风风质有影响的地段。
可选地，本发明的矿井通风系统的典型风路：主进风平巷是盘区上部老平巷；回风平巷是盘区下部新掘采矿平巷；用做盘区进风井巷是盘区中央的盘区斜坡道、管道井、人行通风天井等之一；用做盘区回风斜巷是盘区两端的管道井、泄水井等之一。
典型通风网路：地面的新鲜风流沿进风井——主进风平巷——斜坡道——生产分段平巷——采矿作业面；冲刷采矿作业面的污风风流沿生产分段平巷——回风斜巷——回风平巷——回风井。各盘区通风量分配调节可采用智能调节风窗调节，控制各个盘区的通风量。采场工作面距离分段平巷较近，采场内有毒有害气体及粉尘是利用分段平巷的新鲜风流自然扩散、稀释并排除。
本发明中，定义“风阻比(R1/R2)”为角联风路的风阻值与并联风路上相邻角联风路间的风路风阻值的比值。风阻比(R1/R2)直接反映角联风网的风阻特性，影响角联风路的风量分配，即随着风阻比(R1/R2)增大，风网风阻增加，角联风路被分配的风量越均衡。如图1所示：R1/R2——角联风网的风阻比；R1——角联风路的风阻值，Ns2/m8；R2——并联风路上连接相邻角联风路的风路风阻值，Ns2/m8。其中，角联风网中，并联风路是指某一中段上方的主进风平巷(第一并联风路)和该中段下方紧邻的回风平巷(第二并联风路)，角联风路是指并联于上述主进风平巷和回风平巷之间的风路，即盘区内的斜坡道、生产分段平巷、回风斜巷依次连通而形成的风路，具体地，本发明中，视一个盘区为一条角联风路。
为表达角联风网中各角联风路风量分配特征，本发明引入“风量分配平衡度(F)”概念，表征单向并联风路上，各角联风路被分配风量大小及风向的差异。风量分配平衡度越大，表示各角联风路被自然分配风量越均衡，出现风流反向的概率越小；风量分配平衡度越小，表示各角联风路被自然分配风量越集中(不均衡)，出现风流反向的概率越大。
一种地下矿山的风量分配方法，包括如下步骤：
在所述地下矿山内构建如上所述的地下矿山通风系统；
通风期间，可选用方法(1)或方法(2)调节各盘区风量：
方法(1)：通过控制各盘区内回风斜巷(6)的断面尺寸，平衡各盘区风量。即，缩小盘区回风斜巷的断面尺寸，增大R1/R2，提高角联风网中各角联风路风量分配的平衡度，满足了矿井通风安全要求。
各盘区回风斜巷的断面面积通过风网解算，已知R2的α2、L2、U2、S2、n4，风网解算约束条件：
盘区需风量备用系数K＝1.32，风量合格率ηq＝100％，角联风路的风量分配平衡度F≥90％，求得R1，进一步计算确定S1。其中，最小的回风斜巷的断面面积
式中：
α1为角联风路的摩擦阻力系数，Ns2/m4；
α2为主进风平巷的摩擦阻力系数，Ns2/m4；
L1为角联风路的长度，m；
L2为盘区的长度，m；
U2为主进风平巷的断面周长，m；
S2为主进风平巷的断面面积，m2；
k为回风斜巷的断面面积与周长转换系数，
可选的呢，平巷断面形式为三心拱，拱部净高为平巷净宽的1/3时，k＝3.805；为1/4时，k＝3.823；平巷断面形式为圆形时，k＝3.545；
n4为同一并联风路上同时回采通风的盘区数量，≥3的整数。
方法(2)：通过在回风斜巷与回风平巷联系的盘区回风石门内设置智能调节风窗，调节各盘区通风量。可选地，选用方式(2)时，通过智能调节风窗调节回风斜巷风阻，控制最大风阻比(R1/R2)为0.128n4 3.1803，其中，n4表示同一并联风路上同时回采通风的盘区数量，n4为≥3的整数；此时，盘区需风量备用系数K＝1.32，风量合格率ηq＝100％，角联风路的风量分配平衡度F≥90％。
可选地，风量分配平衡度的计算方法如下：
式中：
F为在角联风路中的风量分配平衡度，％；
n3为在角联风网中的角联风路数量，n3为≥3的整数；
Qi为单条角联风路获得的风量，m2/s；
Qz为主进风平巷的总进风量，m3/s。
随着风阻比(R1/R2)增大，风网总风阻增加，角联风网的风量分配平衡度(F)越大，角联风路被分配的风量越均衡。
本发明的通风系统和方法继承了传统隔离新、污风和按需通风的理念，加入了新兴的人工智能管控理念，形成新型地下矿山通风系统及风量分配方法，满足了大规模、弹性化、智能管理的现代采矿工艺要求，克服了传统通风工艺方法的缺点，如：1、通风限制井下排产扩能——传统通风工艺方法利用废弃或兼做有其它用途的平巷作为回风平巷，多中段同时采矿通风时采场布置呈“台阶状”，上下相邻采场不能同时回采，减少同时回采采场数，限制了井下采场排产和采矿能力；2、通风管理工作复杂——传统通风工艺方法对于多中段同时生产通风，在中段运输平巷内设置新污风隔离风门，该风门要随中段端部回采采场更替而频繁移动设置，通风管理工作复杂、繁重；3、井下气候条件恶劣——传统通风工艺方法对于多中段同时生产通风，下中段污浊空气串联污染上中段的新鲜风流，凿岩爆破产生的有毒有害气体及粉尘在井下滞留时间长、井下空气质量差。
而本发明的通风系统及方法，重塑盘区通风与采矿工艺的时空关系，具有主要优点如：1、便于井下排产扩能——本发明的回风平巷为专用回风平巷，上、下相邻盘区可以同时回采，解除盘区通风对多中段同时回采通风排产扩能的束缚，即井下采场布置形式不受通风限制，增加了同时回采采场数量。2、缩短作业面通风排烟时间，提高生产效率——以盘区作为通风单元，缩短污风回风风路、减少通风排烟的生产间歇时间，增加井下凿岩、出矿作业时间。3、简化通风管理——基于角联风网的风量分配平衡度(F)与风阻比R1/R2的关系，从安全、经济角度优化回风斜巷，扩大自然分风应用范围，减轻矿井通风管理工作量；同时当需要设通风构筑物增加风阻比R1/R2时，可在回风斜巷与回风平巷联系的盘区回风石门内设置智能调节风窗，该智能调节风窗(通风构筑物)无需随着采场回采更替移动设置，仅需井下巡检或地面远程控制，显著简化矿井通风管理。4、隔离污风、净化新鲜风——回风平巷为专用回风平巷，回风平巷与生产分段平巷仅通过回风斜巷联系，有效限制污浊空气串联污染新鲜空气；利用不担负主运输功能的平巷作为盘区主进风平巷，可在盘区进风平巷内设置风流净化装置和降温热交换装置，净化或降温处理入风风流，改善井下作业气候环境。5、本发明的回风平巷可选用采矿工艺后期使用的采矿平巷，主进风平巷选用采矿工艺最早完成采矿的老平巷，显著提升矿井通风安全性、减少矿井通风井巷工程投入，节约矿山运行成本，提高地下矿山的经济效益。
附图说明
图1是本发明的角联风网的结构示意图。
图2是本发明的通风系统的通风网路的前视结构简图。
图3是本发明的通风系统的部分通风网路的侧视结构简图。
图4是本发明的一种通风系统的侧视图。
图5是本发明的一种通风系统的前视图。
图6是本发明第一种实施方式中560m中段南一盘区平面布置图。
图7是本发明第一种实施方式中560m中段南一盘区剖面示意图。
图中，1-运输巷道，2-回风平巷，3-主进风平巷，4-生产分段平巷，5-斜坡道，6-回风斜巷，7-进风井，8-回风井，9-角联风路，10-第一并联风路，11-第二并联风路，12-智能调节风窗，13-风门，14-盘区回风石门。
具体实施方式
以下说明描述了本发明的可选实施方式以向本领域普通技术人员阐述如何实施和再现本发明。为了阐述本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域普通技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域普通技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
某地下开采磷矿，矿体为缓倾斜(20～50°)、中厚(4.22～5.51m)的层状磷块岩，走向长5km，申请人在此构建本发明的通风系统，并予以试用。采用房柱式嗣后充填采矿法，盘区沿矿体走向布置，长600m，高度为中段高度80m，分段高度为10m；中段内各分段回采顺序是自下而上。
应用本发明的矿井通风系统：生产通风中段为+560m中段、+480m中段。+560m中段的回风平巷是新掘+480m中段最晚作为采矿使用的+550m分段平巷，+560m中段的主进风平巷是利用+640m中段最早完成采矿作业的+650m分段平巷。+480m中段的回风平巷是新掘+400m中段最晚作为采矿使用的+470m分段平巷，+480m中段的主进风平巷是利用+560m中段最早完成采矿作业的+570m分段平巷。盘区进风斜巷(斜坡道)是位于盘区中央的盘区斜坡道。回风斜巷是位于盘区两端的盘区回风斜巷。
矿井通风网络：地面新鲜风流由进风竖井(进风井)进入，分风至+650m或+570m主进风平巷，通过各盘区斜坡道依次分风给各个盘区，沿盘区斜坡道、分段平巷，抵达需风工作面，自然扩散稀释工作面有毒有害气体和粉尘。工作面污风经生产分段平巷汇合至盘区两端的回风斜巷内，下行至回风平巷(+550m分段平巷、+470m分段平巷)，再经回风竖井由地面主扇风机抽出地表。
具体新鲜风与污风的风流流向说明，以560m中段南一盘区为例：主进风平巷+650m分段平巷，回风平巷为+550m分段平巷，中段运输平巷为+560m中段胶带运输大巷。新鲜风流由进风竖井——+650m分段平巷——+560m中段南一盘区斜坡道——+580m和+590m分段平巷——抵达采掘工作面；污风由盘区两端的盘区回风斜巷——+550m分段平巷(专用回风道)——回风竖井(出地表)。详见560m中段南一盘区平面布置图和剖面示意图。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种地下矿山通风系统，用于N个中段的同时采矿通风，每个中段划分为H个盘区，各盘区内设有生产采矿平巷(4)，其中，N、H均是不小于2的正整数；包括进风井(7)和回风井(8)，其特征在于，各中段的顶部设有与进风井(7)连通的主进风平巷(3)，同一中段的各盘区内分别设有与该中段顶部的主进风平巷(3)连通的斜坡道(5)；各中段的下方设有回风平巷(2)，各斜坡道(5)与其所在盘区内的生产分段平巷(4)连通，各盘区的两端分别设有与该盘区的生产分段平巷(4)连通的回风斜巷(6)，所述回风斜巷(6)与所述回风平巷(2)连通，所述回风平巷(2)与回风井(8)连通；同一中段内，各相邻盘区的同一水平的生产分段平巷(4)互不连通。
2.根据权利要求1所述的地下矿山通风系统，其特征在于，所述盘区的高度为中段高度，盘区的宽度为矿体宽度，盘区长度为L＝n1NpLa，
其中：
La为采场沿矿体走向的长度；
n1为正整数；
NP为运输设备有效覆盖的采场个数；
式中，
Lm为运输设备的经济合理运输距离；
Lj为沿走向运输平巷与采场的间距；
Lc为采场垂直矿体走向的长度。
3.根据权利要求1所述的地下矿山通风系统，其特征在于，将N个中段由上至下依次记为第1中段、第2中段、……、第N-1中段和第N中段；第M中段顶部的主进风平巷(3)位于第M-1中段内；第M-1中段的盘区的回风平巷(2)位于第M中段内，其中，M是不小于2且不大于N的正整数。
4.根据权利要求1所述的地下矿山通风系统，其特征在于，所述回风斜巷(6)与回风平巷(2)之间通过盘区回风石门(14)连通，所述盘区回风石门(14)内设有智能调节风窗(12)。
5.根据权利要求1所述的地下矿山通风系统，其特征在于，所述进风井(7)与主进风平巷(3)连通的，所述主进风平巷(3)内设有空气净化装置和降温热交换装置。
6.一种地下矿山的风量分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
在所述地下矿山内构建如权利要求1-5任一项所述的地下矿山通风系统；通风期间，可以选用方法(1)或方法(2)调节各盘区风量：
方法(1)：通过控制各盘区内回风斜巷(6)的断面尺寸，增加盘区内回风斜巷(6)风阻，平衡各盘区风量；
方法(2)：通过智能调节风窗(12)调节过风断面，增加盘区内回风斜巷(6)风阻，调节各盘区通风量。
7.根据权利要求6所述的风量分配方法，其特征在于，选用方法(1)时，各条盘区内回风斜巷(6)的井巷断面通过风网解算，已知R2的α2、L2、U2、S2、n4，约束条件：盘区需风量备用系数K＝1.32，风量合格率ηq＝100％，角联风路的风量分配平衡度F≥90％，计算确定。其中最小井巷断面的盘区内回风斜巷(6)的断面面积
式中：
α1为角联风路的摩擦阻力系数，Ns2/m4；
α2为主进风平巷的摩擦阻力系数，Ns2/m4；
L1为角联风路的长度，m；
L2为盘区的长度，m；
U2为主进风平巷的断面周长，m；
S2为主进风平巷的断面面积，m2；
k为回风斜巷的断面面积与周长转换系数；
n4为同一并联风路上同时回采通风的盘区数量，n4为≥3的整数。
8.根据权利要求6所述的风量分配方法，其特征在于，选用方法(2)时，通过智能调节风窗调节回风斜巷风阻，控制最大风阻比(R1/R2)为0.128n4 3.1803，其中，n4表示同一并联风路上同时回采通风的盘区数量，n4为≥3的整数；此时，盘区需风量备用系数K＝1.32，风量合格率ηq＝100％，角联风路的风量分配平衡度F≥90％。
9.根据权利要求8所述的通风方法，其特征在于，风量分配平衡度的计算方法如下：
式中：
F为在角联风路中的风量分配平衡度，％；
n3为在角联风网中的角联风路数量，n3为≥3的整数；
Qi为单条角联风路获得的风量，m3/s；
Qz为主进风平巷的总进风量，m3/s。
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