地下开采回风巷道设计与优化：从单中段到多中段的工程实践——黑金刚播报
发布时间：
2025-11-06
一、地下开采回风巷道的核心功能与布置原则
（一）回风巷道的核心功能解析
回风巷道作为矿山通风系统的关键组成部分，承担着排出污风、平衡风压、调控井下气候的重要任务。其核心功能体现在：通过合理布局实现污风与新鲜风流的有效分离，保障作业面空气质量；借助巷道网络结构优化通风阻力，降低主扇能耗；为矿山安全生产提供稳定的通风环境，尤其在多中段同时开采时，需避免污风串联影响上中段作业安全。比如在一些大型金属矿山中，由于开采范围广、作业面多，如果回风巷道布置不合理，污风就会在井下乱窜，不仅会使作业人员呼吸到污浊空气，影响身体健康，还可能引发瓦斯积聚等安全隐患。
（二）不同开采规模下的布置原则
单中段生产矿山：遵循 “资源复用” 原则，优先将上阶段运输巷道改造为下阶段回风巷道，减少重复掘进工程量。需重点评估旧巷道的围岩稳定性、断面尺寸是否满足通风需求，以及与回风天井、风门等设施的衔接合理性。以某小型铅锌矿为例，该矿在进行下阶段开采时，对上阶段运输巷道进行了加固和扩宽处理，使其能够满足回风要求，同时巧妙地利用原有的通风天井，实现了通风系统的高效运行，大大节省了开采成本。多中段同时生产矿山：以 “分区独立通风” 为准则，根据下阶段污风流向是否影响上中段生产，决定是否设置专用回风道。当上下中段作业面存在风流交叉风险时，必须构建独立回风道系统，确保各中段通风网络独立稳定。例如，在一些大型煤矿中，由于开采深度大，多个中段同时作业，为了避免污风对其他中段的影响，专门设置了专用回风道，每个中段都有独立的通风系统，有效保障了井下作业的安全。
二、单中段矿山回风巷道布置模式与工程案例
（一）上阶段运输巷道复用技术要点
适用性评估体系：巷道围岩完整性检测是复用的首要关卡，采用声波探测法，通过发射声波并接收反射波，依据波速变化判断围岩内部是否存在裂隙、破碎带等缺陷 。通风阻力模拟计算则利用 Ventsim 软件构建巷道通风模型，输入巷道尺寸、粗糙度、风量等参数，模拟不同工况下通风阻力分布，预测复用巷道通风阻力是否在合理范围。防火防潮性能评估，检查旧巷道防火涂层、防潮层完整性，测试墙体渗透率、湿度等指标，判断其在长期回风环境下防火防潮能力。例如，陶一矿在 12905 工作面回风巷复用前，通过锚索支护加固顶板，增强巷道稳定性，将巷道变形量控制在 100mm 以内，满足回风巷道使用要求。
改造施工关键工艺：遵循 “先支护后改造” 流程，针对旧巷道局部破损区域，实施锚网喷联合支护，先喷射混凝土封闭围岩表面，再铺设钢筋网，最后打设锚杆，增强巷道整体支护强度；优化巷道内设施布置，移除运输设备，为风流流通腾出空间，同时增设风流导向装置，如导流板、整流器等，确保风速均匀性达到 85% 以上，减少风流紊流和阻力损失。
（二）典型案例：陶一矿沿空留巷改造实践
陶一矿在单一中段开采中，大胆创新，将上阶段运输巷沿采空区保留，作为下阶段回风巷。在技术实施过程中，通过数值模拟确定锚索最佳倾角为 10°，这一角度设置巧妙地利用了力学原理，有效阻止顶板向采空区侧转动，保障了巷道顶板稳定。施工中采用 “一掘一探” 法，每掘进 5m 进行超前探钻，精准探测前方地质情况，确保巷道贯通误差小于 200mm。从实际效果来看，该技术优势显著，减少巷道掘进量 30%，大幅降低了掘进成本和时间；通风能耗降低 15%，优化了通风系统，提高了能源利用效率，实现了经济效益与安全效益双赢 。
三、多中段矿山专用回风道设计与系统构建
（一）专用回风道设置条件与结构设计
触发条件判定：在多中段矿山开采过程中，当上下中段同时作业时，如果下中段污风含尘浓度超过上中段允许值 1.5 倍，或瓦斯浓度差值大于 0.5% 时，就必须设置专用回风道。以田兴铁矿南矿段为例，在两层中段同时开采时，由于下中段爆破作业频繁，产生的粉尘量远超上中段允许范围，经过专业检测，下中段污风含尘浓度达到了上中段允许值的 2 倍，因此，为了保障上中段作业人员的健康和作业安全，增设了宽 4.5m、高 3.8m 的专用回风道。这样的设置能够有效避免下中段污风对上中段的污染，确保各中段的安全生产。
系统构成要素：专用回风道系统由多个关键要素构成。其中，独立回风井是整个系统的核心，其直径应≥3m，以保证足够的通风量。回风天井则作为连接各中段与回风井的通道，间距需≤50m，这样可以使污风能够及时有效地汇聚到回风井。风门组的设置也至关重要，每 50m 设置一组自动闭锁风门，当风流通过时，风门会自动打开，风流通过后又会自动关闭并闭锁，防止风流短路。专用回风道与阶段运输巷道通过联络巷连接，联络巷内设置风速传感器，它能够实时监控风流状态，一旦风速出现异常，就会及时发出警报，以便工作人员进行调整。
（二）田兴铁矿南矿段工程应用
田兴铁矿南矿段在多中段开采中，采用了 “下盘双巷加联络道” 的布置形式。在围岩稳定区域开凿专用回风道，这一区域的岩石硬度较高，稳定性好，能够为回风道的长期稳定运行提供保障。在施工过程中，运用中深孔光面爆破技术，这种技术能够精确控制爆破范围，减少对围岩的扰动，炮眼利用率达 90% 以上，大大提高了施工效率。在贯通前 5m 处实施超前探钻，探孔深度 10m，通过这种方式，能够提前了解前方地质情况，确保贯通精度控制在 ±100mm。该专用回风道投用后，效果显著，上中段作业面粉尘浓度下降 40%，通风系统稳定性提升 60%，为矿山的安全生产和高效开采提供了有力支持。
四、回风巷道施工关键技术与安全控制
（一）贯通施工安全技术措施
测量控制体系
在回风巷道贯通施工中，测量精度直接关系到巷道能否准确对接。采用 “全站仪 + 陀螺经纬仪” 联合测量方案，全站仪利用光电测距和电子测角技术，能够快速、精确地测量水平角、垂直角和距离，为巷道施工提供基本的平面位置数据；陀螺经纬仪则通过陀螺仪确定真北方向，不受地磁影响，可精确测定巷道的方位角，为长距离巷道施工提供可靠的定向依据。在施工过程中，每掘进 5m 就需利用这两种仪器对巷道的中腰线进行校核。中腰线是巷道施工的重要基准，中线控制巷道的平面位置，腰线控制巷道的坡度。通过严格的校核，将中腰线误差严格控制在 ±50mm 范围内，确保巷道按设计方向和坡度掘进。在贯通前 10m 这一关键阶段，由于巷道即将对接，测量误差的影响会被放大，因此加密测量频次，每日进行三次坐标复核，为顺利贯通提供有力保障。例如，在三交河矿下组煤回风巷长距离贯通工程中，就采用了全站仪三架法和陀螺经纬仪定向技术，有效减小了因地形和地质条件引起的测量误差，实现了精确贯通。
通风调整策略
通风系统的稳定是保障巷道施工安全的重要因素，尤其是在贯通前后，通风系统的变化可能会引发瓦斯积聚、通风不畅等安全问题。在贯通前 24 小时，由主管队长负责通风系统调风准备工作，提前在联络巷内安装临时风机，该临时风机风量设定为 200m³/min，能够在贯通时补充新鲜风流，稀释可能积聚的瓦斯等有害气体。在贯通时，采用 “小炮渐进式” 爆破方式，单次装药量不超过 2kg，这样可以有效控制爆破产生的冲击波强度，避免因冲击波过大而破坏通风设施，如风筒、风门等，确保通风系统的完整性和稳定性。以某矿回风斜井与进风联络巷贯通施工为例，在贯通前，对通风系统进行了精心调整，严格控制爆破参数，成功实现了安全贯通。
（二）围岩支护与灾害防治
动态支护技术
不同地质条件下的回风巷道，围岩特性差异较大，尤其是在软岩巷道中，围岩具有强度低、变形大、自稳能力差等特点，对支护技术提出了更高要求。针对软岩巷道，采用 “锚网索 + 喷浆” 联合支护技术，锚杆按间距 1.2m×1.2m 布置，锚杆能够深入围岩内部，通过锚固力将破碎的围岩组合在一起，形成一个承载结构；锚索长度设置为 7m，预紧力不低于 150kN，锚索则提供更大的锚固力和悬吊作用，增强巷道顶板的稳定性。每掘进 10m 进行一次围岩位移监测，通过埋设位移监测点，利用全站仪或收敛计等仪器测量围岩的位移变化。当变形速率超过 5mm/d 时，表明围岩处于不稳定状态，此时及时增设钢棚加强支护，钢棚具有较高的承载能力，能够有效控制围岩变形，防止巷道坍塌。千秋煤矿在 21 区轨道下山扩修施工中，就采用了 “锚网喷 + 锚索桁架 + 壁后注浆” 相结合的联合支护技术，较好地解决了深部软岩巷道的支护难题。
火灾与瓦斯防控
回风巷道内存在瓦斯、煤尘等易燃易爆物质，同时电气设备等可能产生火源，因此火灾与瓦斯防控至关重要。在回风巷道内每隔 50m 设置 CO 传感器和瓦斯传感器，CO 传感器的报警值设定为≥24ppm，当 CO 浓度达到报警值时，说明巷道内可能存在火灾隐患，需及时排查处理；瓦斯传感器的报警值设定为≥1%，一旦瓦斯浓度超标，系统会立即发出警报，提醒工作人员采取措施，如加强通风、停止作业等。配套自动喷雾降尘装置，当传感器检测到瓦斯或粉尘浓度超标时，自动喷雾降尘装置会启动，通过喷雾将空气中的粉尘沉降，降低瓦斯爆炸的风险。巷道内严禁敷设动力电缆，因为动力电缆在运行过程中可能产生电火花，引发瓦斯爆炸或火灾。确需设置照明电缆时，采用矿用本安型电缆并穿管保护，矿用本安型电缆具有本质安全特性，即使在故障状态下也不会产生足以点燃瓦斯的能量，穿管保护则进一步增强了电缆的安全性 。
五、回风巷道优化设计与未来发展趋势
（一）多维度优化策略
通风效率提升
在回风巷道的设计与优化中，通风效率的提升是关键。借助 CFD 模拟软件，对巷道断面形状进行深入分析与优化。以某矿山为例，将原本的半圆拱形巷道断面改为三心拱形，通过模拟分析发现，这种改变使风阻系数显著降低了 12%。风阻的减小意味着通风阻力降低，风机在运行时所需要克服的阻力就变小，从而减少了风机的能耗，提高了通风效率。同时，在回风天井入口设置导流叶片也是一项有效的措施。导流叶片能够对风流进行合理引导，使风流更加顺畅地汇聚到回风天井中，提升风流汇聚效率达 20%。这样一来，污风能够更快地排出矿井，为井下作业提供更清新的空气环境。
智能化监测
随着物联网技术的飞速发展，在回风巷道中部署物联网监测系统成为提升通风系统可靠性的重要手段。该系统集成了风速、风压、粉尘浓度等 12 项关键参数的实时采集功能，通过传感器将这些数据快速传输到监控中心。更重要的是，借助 AI 算法，系统能够对采集到的数据进行深度分析，提前预测通风系统可能出现的异常情况。当异常发生时，系统的响应时间≤10 秒，能够迅速发出警报，通知工作人员及时采取措施，避免因通风系统故障引发安全事故。例如，当监测到某区域风速突然下降，AI 算法可以根据历史数据和实时参数，判断是否是由于巷道堵塞、风机故障等原因导致，并及时给出相应的处理建议。
（二）绿色开采与低碳技术融合
余热回收利用
在倡导绿色开采和节能减排的大背景下，对回风巷道排出污风中的余热进行回收利用具有重要意义。在回风井出口安装热交换装置，能够有效地将污风中蕴含的热量提取出来。这些回收的热量可用于地面供暖，实现了能源的二次利用。以某大型矿山为例，通过安装热交换装置，每年可节约标煤约 200 吨，大大降低了矿山对传统能源的依赖，减少了碳排放，同时也降低了供暖成本，实现了经济效益和环境效益的双赢。
巷道支护材料创新
巷道支护材料的创新也是回风巷道未来发展的重要方向。推广使用高韧性纤维混凝土喷层，相较于传统的混凝土喷层，这种材料具有更高的韧性。在满足相同支护强度要求的情况下，其厚度可减少 20%，不仅节省了材料成本，还减轻了巷道的负担。而且，高韧性纤维混凝土喷层的支护寿命延长 30%，减少了巷道维护的频率和成本。此外，积极探索新型高分子材料风门也是一个重要举措。新型高分子材料风门具有良好的密封性能，能够有效降低漏风率至 5% 以下，提高通风系统的效率，减少能源浪费，为矿山的低碳高效开采提供有力支持。
结语
地下开采回风巷道的设计与施工，需紧密结合矿山开采规模、地质条件及安全需求，通过 “单中段复用 + 多中段独立” 的差异化策略，实现通风效率与工程成本的优化平衡。在单中段生产矿山中，合理复用巷道能降低成本；多中段开采时，专用回风道的设置保障了通风安全。施工过程中，严格的贯通测量与通风控制、科学的围岩支护与灾害防治，为巷道安全奠定基础。
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