李成斌

（河钢集团矿业有限公司  河北 滦州 063700）

摘要：特大型金属地下矿山基建期存在井巷分步贯通、作业点分散、通风网络动态变化等特征，易产生风量分配失衡、炮烟排出滞后、冬季井筒结冰、无轨设备尾气污染等通风问题。以河钢司家营铁矿南区田兴铁矿为工程实例，依据 KA302026《金属非金属地下矿山通风技术规范》，结合三维通风仿真与突变理论，划分两处关键基建节点开展矿井需风量精准核算，对比斜坡道回风、东北回风井集中回风两套临时通风方案应用效果。结果表明，采用东北回风井为主的抽出式多级临时通风体系，配套地表主扇与井下局扇联合通风、分段风流调控构筑物、冬季风流路径优化等措施，可适配多中段并行掘进工况。系统优化后矿井有效风量率不低于69%，各中段供风量提升24倍，工作面风速、粉尘及有毒有害气体全部达标，井筒冬季结冰现象显著减少，兼具安全、节能与经济效益。该成果可为同类特大型地下矿山基建通风系统优化提供工程参考。

关键词：基建通风；三维通风仿真；风流调控；

1 研究背景

随着我国深部特大型金属矿山开发力度持续加大，矿山基建周期不断拉长，开拓竖井、斜坡道、中段巷道呈分步贯通状态，在永久通风系统完全成型前，矿山需长期处于临时施工通风阶段。基建期井下掘进、凿岩、出碴、支护多工序交叉并行，独头巷道数量多、爆破作业频繁，柴油无轨设备集中运行，炮烟、粉尘、设备尾气多重叠加，导致井下空气质量恶劣。同时北方寒冷矿区冬季进风井筒易结冰，严重制约井筒提升运输安全与施工进度。

传统单一局部通风机通风模式风量不足、污风串联问题突出，无法满足多中段同步施工的通风需求，已成为制约特大型矿山基建施工安全与效率的核心瓶颈。新版行业标准新增基建矿山通风专项管控要求，对基建通风的风量、风速、风质及监测管理提出了全新硬性约束。

司家营铁矿南区田兴铁矿为特大型金属地下矿山，设计总生产规模1500万t/a，一期产能650万t/a，采用阶段空场嗣后充填采矿法，开拓系统包含多座专用进回风竖井与长距离无轨辅助斜坡道。基建阶段-375m、-400m、-450m、-475m四个中段同步掘进，作业点位分散、通风网络复杂，原有临时通风方案存在通风阻力大、斜坡道污风淤积、冬季井筒冻害等问题，亟需开展系统性通风系统优化研究，适配新规要求与现场施工工况。

2 矿山开拓与施工现状

司家营铁矿南区田兴铁矿采用主副竖井+辅助斜坡道开拓方案，配套建设多座专用进、回风井，生产期采用三级多级机站对角式通风系统，新鲜风流由多组进风井入井，污风通过专用回风井排出地表。

矿山基建阶段井巷工程分步贯通，北进风井、东北回风井、斜坡道率先完工投用，西北回风井后续贯通，形成两个关键施工节点。节点一为北进风井、东北回风井、斜坡道贯通，西北回风井未投用，四中段小规模掘进施工；节点二为西北回风井贯通投用，井下掘进工作面数量大幅增加，多工序并行施工。斜坡道为基建期唯一无轨运输通道，承担设备通行、出碴运输功能，冬季矿区低温，井筒结冰风险极高，对通风系统稳定性提出严苛要求。

3 基建期矿井需风量核算

本次风量核算严格遵循规范，以新版规范要求风速为核心控制指标，分中段统计凿岩、出碴、支护、备用工作面数量，分别对两大施工节点开展总需风量核算，同步校核柴油设备尾气稀释、爆破排烟风量需求，风量备用系数取1.25，符合规范合格区间要求。

3.1 节点一需风量核算

节点一阶段仅北进风井、东北回风井、斜坡道贯通，-375m、-400m、-450m、-475m四个中段同步开展基础掘进作业，各中段工作面数量较少。经分项叠加核算，-475m中段总风量30.41m³/s、-450m中段60.74m³/s、-400m中段26.15m³/s、-375m中段30.41m³/s，全矿基建总需风量为147.71m³/s。通风系统仿真模拟得该节点系统总通风阻力1819.8Pa，风流分布均匀性良好。

表1 需风量计算表（时间节点一）

3.2 节点二需风量核算

节点二阶段西北回风井正式贯通投用，各中段掘进工作面、天溜井施工点位大幅增加，施工强度显著提升。各中段需风量同步提升，其中-475m中段37.67m³/s、-450m中段71.31m³/s、-400m中段36.73m³/s、-375m中段44.93m³/s，全矿总需风量提升至190.64m³/s，系统总通风阻力1994.6Pa，对风机风量、风压性能提出更高要求。

表2  需风量计算表（时间节点二）

4 通风系统方案仿真与比选

依托3DVent三维通风仿真软件搭建全矿巷道网络模型，录入各巷道断面、周长、摩擦阻力系数、井巷长度等基础参数，分别模拟斜坡道回风、东北回风井集中回风两套方案的风流分布、通风阻力、巷道风速，结合突变理论多指标评价体系，从施工安全、通风质量、冬季防冻、运维成本四个维度开展量化比选。

4.1 方案一：斜坡道集中回风方案

该方案采用北进风井、东北回风井、西北回风井（节点二）进风，斜坡道集中回风的通风模式。新鲜风流经北进风井各中段联络道进入掘进工作面，各作业面污风通过局扇+风筒汇集至斜坡道，最终由斜坡道直接排出地表。仿真结果显示，节点一系统总阻力1345.1Pa，节点二总阻力1787.6Pa。

图1  方案一施工期临时通风系统立体图（时间节点一）

图2  方案一施工期临时通风系统立体图（时间节点二）

该方案优势为各中段平巷均为新鲜风流，作业面风质优良；但存在显著短板，斜坡道同时承担无轨运输与总回风功能，巷道内粉尘、尾气淤积严重，运输视野差，极易引发安全事故。同时斜坡道风速超标、通风阻力大，风机运行能耗高，冬季污风湿度大，巷道内壁结冰严重，设备运维成本极高，无法适配长期基建施工需求。

4.2 方案二：东北回风井集中回风方案

该方案采用分区风流调控模式，节点一依靠北进风井单独进风，节点二启用北进风井+西北回风井双路进风；斜坡道上段（-375m至地表）走新鲜风流，保障无轨设备通行环境，下段（-375～-475m）作为污风通道，各工作面污风经局扇汇集至斜坡道下段，统一汇入-375m回风中段，由东北回风井地表主扇抽出排至地表。

图3  方案二基建期临时通风系统立体图（时间节点一）

图4  方案二基建期临时通风系统立体图（时间节点二）

该方案核心优势显著：一是斜坡道上段新风环境可快速稀释设备尾气，彻底消除无轨运输安全隐患；二是污风由专用回风井集中排放，风流管控集中，便于布设在线监测设备，符合新规监测要求；三是冬季可切换风流路径，辅助井筒进风降压，大幅缓解主井结冰问题；四是回风井巷道规整，通风构筑物布设集中，日常巡检维护便捷。仅存在局部短板，-375m回风巷及斜坡道下段为污风巷道，可通过加密局扇、增设喷雾降尘装置彻底弥补。

4.3 方案比选结论

综合对比两套方案的施工安全性、通风稳定性、冬季适配性、运维经济性，最终确定东北回风井集中抽出式临时通风系统为最优方案，可完美适配特大型矿山多中段并行基建施工工况，兼顾安全、节能与长效运维需求。

5 通风系统配套设计

5.1 主通风机选型

依据仿真所得总风量、总阻力参数，按照风量备用系数1.1、阻力富余系数1.2开展风机选型，在东北回风井井口搭建临时通风机房，选用DK62(A)-10-No30轴流风机。节点一工况下，风机满足179.2m³/s风量、1819.8Pa风压需求；节点二工作面扩容后，风机适配200.0m³/s、1994.6Pa运行工况，可完全覆盖全矿通风需求。通风机房采用单层钢筋混凝土框架结构，建筑面积73.63㎡，耐火等级二级，配套温度、风压、电流在线监测仪表，满足新规自动化监测要求。

5.2 局部通风配置

井下所有独头掘进巷道、设备硐室均采用JK58-1No.4.5阻燃型局部通风机，采用压抽混合通风模式。严格规范风筒安装标准，压入风筒距工作面≤10m，抽出风筒滞后压风筒5m以上，减少漏风损失；长距离独头巷道采用风机接力串联通风，杜绝循环风流，保障工作面通风质量。

5.3 通风构筑物布设

结合规范要求，布设成套通风调控构筑物：各中段斜坡道联络巷、-375m进风联络道设置双道联锁风门，杜绝风流短路；北进风井各中段联络道设置可调风窗，精准分配各中段新鲜风量；废弃穿脉、停用天井砌筑密闭挡风墙，封堵漏风通道；在主进回风巷布设测风站，实现人工测风、动态管控。

5.4 冬季防冻配套设计

针对北方冬季低温结冰问题，采用风流路径优化+井口预热双重防冻方案。在北进风井、斜坡道硐口设置电加热预热设施，分别配置3200kW、800kW电加热机组，通过热风混合保障入井风温≥2℃；低温天气切换风流模式，利用东北回风井辅助进风，降低主进风井风量，从源头减少井筒结冰隐患。

6 工程应用效果分析

优化通风系统投入运行后，开展为期一年的现场实测，对照行业规范标准全面验证应用效果。结果显示，矿井有效风量率稳定≥69%，远超60%的合格标准，风量风速合格率≥68%，掘进工作面风速稳定保持0.25m/s以上，排尘、排烟效果优良。作业场所粉尘、有毒有害气体合格率≥70%，井下湿球温度控制在27℃以内，完全满足安全作业要求。

各中段通风能力大幅提升，风量优化前后对比：-475m中段由20.08m³/s提升至62.40m³/s，-450m中段由20.28m³/s提升至78.00m³/s，-400m中段由5.43m³/s提升至27.15m³/s，-375m中段由18.72m³/s提升至30.50m³/s，各中段供风量提升2～4倍，可同时保障12个以上掘进工作面并行施工，基建掘进效率显著提升。同时冬季井筒结冰频次下降90%，大幅降低除冰运维成本与设备投入，累计节约工程投资2083.18万元，安全效益与经济效益显著。

7 研究创新点与推广前景

7.1 核心创新点

本次研究形成多项适配特大型矿山基建通风的创新技术：一是建立分节点动态通风仿真设计方法，针对井巷分步贯通特点，分两大施工节点开展风量核算与网络解算，解决了传统静态设计无法适配动态施工的行业难题；二是创新冬季防冻风流逆向调控技术，通过回风井辅助进风优化风流路径，从源头解决深井冬季结冰痛点；三是提出斜坡道分区分流通风模式，划分新风区、回风区，平衡无轨运输与污风排放的矛盾；四是采用三维仿真+突变理论联合方案优选方法，实现通风方案多指标量化评价，规避单一指标评价的片面性。

7.2 推广应用前景

本研究形成的成套通风优化体系完全契合最新通风技术规范要求，适配国内分期建设、多中段并行掘进的特大型金属地下矿山。分阶段风量核算、地表主扇+井下局扇组合通风、斜坡道分区调控、冬季风流防冻优化等核心技术通用性强，仅需根据矿山规模微调设备参数与构筑物布置，即可快速落地应用，具备极高的工程复制价值与推广前景。

8 结论

1）依据新版行业规范，精准核算矿山两大基建施工节点总需风量，为通风系统设计与设备选型提供了精准量化依据。

2）通过三维通风仿真与多维度量化比选，确定东北回风井集中抽出式通风为最优方案，有效解决了传统方案中斜坡道运输与回风冲突、冬季井筒结冰、风量分配失衡等关键难题。

3）配套采用地表主扇+井下局扇的组合通风模式，搭配联锁风门、调节风窗等调控构筑物，构建了适配多中段并行施工的完整基建通风体系，各项通风指标均优于行业标准。

4）现场实测表明，优化后矿井有效风量率、工作面风质、风速等核心指标全面达标，各中段通风能力大幅提升，基建施工效率显著提高，冬季运维成本大幅降低，综合效益突出。

5）研究形成的分节点仿真设计、分区风流调控、冬季防冻优化等成套技术，可为同类特大型金属地下矿山基建通风工程提供标准化设计思路与工程参考。

参考文献

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