金屬礦山通風(fēng)節(jié)能降耗途徑及應(yīng)用

袁梅芳

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410014)

目前國(guó)內(nèi)許多有色金屬礦山都已進(jìn)入中深井、深井(開(kāi)采深度300～800 m稱為中深井、800～2 000 m為深井［1］)開(kāi)采。例如:湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限責(zé)任公司開(kāi)采深度為702 m，遼寧紅透山銅礦開(kāi)采深度已達(dá)到1 337 m，甘肅金川公司龍首礦開(kāi)采深度為1 076 m，湘西金礦開(kāi)采深度為1 109 m。隨著礦井的不斷延伸，開(kāi)采深度增加，進(jìn)、回風(fēng)線路長(zhǎng)，通風(fēng)阻力大，造成通風(fēng)系統(tǒng)能耗居高不下。經(jīng)對(duì)湖南省18個(gè)有色金屬黃金礦井的通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定和統(tǒng)計(jì)，通風(fēng)能耗占整個(gè)礦井能耗的24.4%～40.5%。既要解決礦山進(jìn)入中深井、深井開(kāi)采的通風(fēng)技術(shù)難題，又要達(dá)到礦井通風(fēng)節(jié)能的目的，這是我國(guó)采礦工程技術(shù)人員面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)課題。

1 礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與通風(fēng)聯(lián)動(dòng)節(jié)能

1.1 礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與通風(fēng)聯(lián)動(dòng)機(jī)理

1.按我國(guó)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》對(duì)井下采掘工作面空氣成分要求(按體積計(jì)算):氧氣不低于20%、一氧化碳(最大允許24 μL/L)、二氧化氮(最大允許2.5 μL/L)、硫化氫(最大允許6.6 μL/L)、二氧化硫(最大允許5 μL/L)、粉塵(最大允許2 mg/m3)。采用MIC－300系列變送器(探頭)對(duì)主要采掘面(或主要作業(yè)中段)的空氣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)跟蹤采樣。

2.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣和安全允許的最大濃度的對(duì)比計(jì)算得出各種污染物的污染分指數(shù)，各污染分指數(shù)最大者為采掘面空氣品質(zhì)綜合指數(shù)［2］，相對(duì)應(yīng)的該項(xiàng)污染物即為井下空氣中的首要污染物。然后根據(jù)采掘面空氣品質(zhì)綜合指數(shù)來(lái)判斷采掘面空氣環(huán)境狀況。

3.經(jīng)對(duì)采掘(或主要作業(yè)中段)面的作業(yè)環(huán)境空氣品質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)收集器(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng))轉(zhuǎn)化成4～20 mA的模擬信號(hào)，根據(jù)收集器提供的空氣品質(zhì)綜合指數(shù)值來(lái)控制主風(fēng)機(jī)變頻器的輸出頻率，從而改變主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和達(dá)到節(jié)能的目的。其原理如圖1所示。

圖1 有毒有害氣體檢測(cè)與聯(lián)動(dòng)控制主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速節(jié)能系統(tǒng)組成圖

1.2 采掘面空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與主風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)節(jié)能效果分析

根據(jù)井下生產(chǎn)狀況采掘面(或主要作業(yè)中段)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)分級(jí)設(shè)置，與主風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制調(diào)節(jié)風(fēng)量，使主風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況符合實(shí)際生產(chǎn)通風(fēng)的需要，實(shí)現(xiàn)了按污染程度對(duì)主風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能聯(lián)動(dòng)數(shù)字化科學(xué)管理，詳情見(jiàn)表1。

表1 生產(chǎn)狀況采掘面空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與主風(fēng)機(jī)節(jié)能對(duì)應(yīng)

1.3 礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)節(jié)能應(yīng)用

礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)節(jié)能是國(guó)家科技部下達(dá)的專項(xiàng)資金項(xiàng)目，已在實(shí)驗(yàn)室建立了一套完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)在遼寧紅透山銅礦深井開(kāi)采部分循環(huán)風(fēng)通風(fēng)項(xiàng)目中應(yīng)用了這一項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)值的變化改變主風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到了良好的通風(fēng)和節(jié)能效果。

2 采用LOGO分時(shí)段自動(dòng)控制主風(fēng)機(jī)節(jié)能與應(yīng)用

2.1 LOGO分時(shí)段控制變頻主風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)介

LOGO是一種微型可編程序控制模塊，體積小、性價(jià)比高、編程方便簡(jiǎn)單(適用于控制過(guò)程不是很復(fù)雜的場(chǎng)合)。將LOGO與變頻器組合形成對(duì)主風(fēng)機(jī)進(jìn)一步調(diào)速節(jié)能的控制系統(tǒng)，即變頻系統(tǒng)是將主風(fēng)機(jī)電機(jī)從工頻(50 Hz)調(diào)到與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)相匹配所需的頻率實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而LOGO是按各礦山采掘爆破作業(yè)具體時(shí)段設(shè)置，實(shí)現(xiàn)每天晝夜自動(dòng)調(diào)整主風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使主風(fēng)機(jī)晝夜以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而達(dá)到比單一的變頻器調(diào)速更加節(jié)能的目的。

2.2 采用LOGO分時(shí)段控制變頻主風(fēng)機(jī)與轉(zhuǎn)速節(jié)能應(yīng)用

水口山有色金屬有限責(zé)任公司康家灣礦采用斜坡道開(kāi)采，每年采礦量45萬(wàn)t，井下通風(fēng)系統(tǒng)是中央進(jìn)風(fēng)兩翼對(duì)角抽出式通風(fēng)，即新鮮空氣從斜坡道和豎井進(jìn)入井下，污風(fēng)從1#、2#回風(fēng)井排到地表。將1#回風(fēng)井DK40－6－NO21－2×220 kW主風(fēng)機(jī)采用LOGO分時(shí)段控制轉(zhuǎn)速節(jié)能這一技術(shù)，其節(jié)能效果見(jiàn)表2。

表2 主風(fēng)機(jī)變頻及LOGO分時(shí)段調(diào)速前后年耗能比較

2.3 LOGO分時(shí)段控制變頻主風(fēng)機(jī)與單一變頻控制節(jié)能效果比較

1.將DK40－6－NO21－2×220 kW主風(fēng)機(jī)使用單一的變頻控制，每年節(jié)電950 460 kWh，節(jié)約電費(fèi)80.79萬(wàn)元。

2.若DK40－6－NO21－2×220 kW主風(fēng)機(jī)采用LOGO分時(shí)段控制，每年可節(jié)電1 925 886 kWh，節(jié)約電費(fèi)163.70萬(wàn)元，所以節(jié)能效果更加顯著。

3 深井開(kāi)采部分循環(huán)風(fēng)利用節(jié)能及實(shí)踐

3.1 部分循環(huán)風(fēng)利用節(jié)能意義

隨著淺部資源的逐漸枯竭和深部資源勘探力度的加強(qiáng)，我國(guó)愈來(lái)愈多的礦山進(jìn)入深井開(kāi)采階段。如山東新汶礦業(yè)集團(tuán)孫村煤礦、安徽銅陵冬瓜山銅礦、廣西高峰礦等開(kāi)采深度已經(jīng)超過(guò)1 000 m［3］。進(jìn)入深井開(kāi)采后，對(duì)井下通風(fēng)的需求也將發(fā)生變化。一是正常生產(chǎn)排除有毒有害氣體通風(fēng);二是礦巖散熱通風(fēng)降溫。這些變化必然導(dǎo)致深井開(kāi)采需風(fēng)量不斷增加，同時(shí)通風(fēng)線路長(zhǎng)、阻力大、通風(fēng)能耗高，所以將部分污風(fēng)經(jīng)凈化處理后作為循環(huán)通風(fēng)是一條重要的節(jié)能途徑，也是未來(lái)深井通風(fēng)技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。

3.2 利用部分循環(huán)風(fēng)通風(fēng)機(jī)理

循環(huán)風(fēng)是在工作區(qū)域內(nèi)，利用凈化后的循環(huán)風(fēng)流或加入新鮮空氣的循環(huán)風(fēng)流進(jìn)行通風(fēng)的方法。循環(huán)風(fēng)通風(fēng)方式分為開(kāi)路式和閉路式。開(kāi)路式循環(huán)風(fēng)的作業(yè)面有進(jìn)風(fēng)道和回風(fēng)道，在循環(huán)通風(fēng)過(guò)程中，有外界提供部分新鮮風(fēng)流與循環(huán)風(fēng)流相混合供給作業(yè)面，有將作業(yè)面排除的污風(fēng)的一部分循環(huán)使用，另一部分排到回風(fēng)道［4］。閉路式循環(huán)通風(fēng)不需要外界風(fēng)源，只利用凈化后的風(fēng)流進(jìn)行通風(fēng)。

3.3 深井開(kāi)采利用部分循環(huán)風(fēng)通風(fēng)節(jié)能在遼寧紅透山礦的應(yīng)用

1.遼寧紅透山礦已進(jìn)入深井開(kāi)采多年，目前的開(kāi)采深度為1 337 m，通風(fēng)系統(tǒng)為中央豎井進(jìn)風(fēng)，東西兩翼風(fēng)井兩級(jí)主扇抽出式通風(fēng)，西部通風(fēng)線路長(zhǎng)4 945 m，其中進(jìn)風(fēng)段長(zhǎng)2 237 m，回風(fēng)段長(zhǎng)2 708 m，通風(fēng)阻力為2 548 Pa，風(fēng)阻高達(dá)0.924 Ns2/m8。不宜再通過(guò)增加動(dòng)力提高風(fēng)壓的手段來(lái)增加總進(jìn)風(fēng)量了。

2.該礦每年采礦量50萬(wàn)t，其供風(fēng)量94 m3/s?；夭擅繃嵉V石通風(fēng)動(dòng)力費(fèi)11.77元/t。而且由于通風(fēng)困難致使采礦生產(chǎn)能力多年無(wú)法增加。

3.將+73中段形成上下隔離層，一是避免深井的自然風(fēng)壓影響;二是利用+73 m到+450 m以上的采空區(qū)回風(fēng)，降低通風(fēng)阻力。

4.水浴絲碳式凈化系統(tǒng)布置在－287中段，污風(fēng)從－467中段放出后，首先經(jīng)30 000 m3空區(qū)凈化，然后匯入到－287中段凈化巷道內(nèi)，通過(guò)迷宮式布置的噴射水幕、纖維柵欄、噴淋濕式纖維柵、活性碳等凈化裝置，使－287中段循環(huán)風(fēng)風(fēng)質(zhì)合格放出風(fēng)量可達(dá)32.08 m3/s，進(jìn)入風(fēng)源參與循環(huán)。

3.4 深井開(kāi)采利用部分循環(huán)風(fēng)通風(fēng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益

1.利用32.08 m3/s循環(huán)風(fēng)量，使整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量由原來(lái)94 m3/s增加到126 m3/s，增幅達(dá)34.1%。

2.利用循環(huán)風(fēng)后使礦山的生產(chǎn)能力由50萬(wàn)t增加60萬(wàn)t，并在2010～2011年實(shí)現(xiàn)擴(kuò)產(chǎn)，每年提高產(chǎn)能10萬(wàn)t，按每噸礦石效益1 100元/t銅鉬礦，每年增加經(jīng)濟(jì)效益為1.1億元，扣除項(xiàng)目投資，每年可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益1.084億元，本項(xiàng)目被評(píng)為中國(guó)有色金屬工業(yè)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

1.礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與通風(fēng)聯(lián)動(dòng)節(jié)能和采用LOGO分時(shí)段控制變頻主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速節(jié)能是目前主風(fēng)機(jī)節(jié)能先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2.礦山通風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)利用技術(shù)是解決深井開(kāi)采通風(fēng)困難和節(jié)能的一種新途徑，也是當(dāng)今井下通風(fēng)研究的前沿技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的通風(fēng)改造方法相比，投資少、見(jiàn)效快、節(jié)能效果顯著，并且有進(jìn)一步研究和發(fā)展的空間。

［1］ 古德生.現(xiàn)代金屬礦床開(kāi)采科學(xué)技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，235.

［2］ 袁梅芳.礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與通風(fēng)節(jié)能聯(lián)動(dòng)的研究［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2013，33(1):103－105.

［3］ 廘廣利，王寶通.可控循環(huán)風(fēng)形式及通風(fēng)特性分析［J］.山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1999，18(1):58－62.

［4］ 袁梅芳，石長(zhǎng)巖，李志超.紅透山深井開(kāi)采通風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)研究與應(yīng)用［J］.金屬礦山，2012，12:92－94.