采空區(qū)回風降阻通風節(jié)能技術(shù)及其應用

李印洪 姚銀佩 劉東銳

(湖南有色冶金勞動保護研究院)

采空區(qū)回風降阻通風節(jié)能技術(shù)及其應用

李印洪 姚銀佩 劉東銳

(湖南有色冶金勞動保護研究院)

隨著礦山開采的延伸，礦山深部通風難度增加。分析了當前主要通風降阻措施，提出了井下開采利用采空區(qū)回風降阻技術(shù)，闡述了降阻節(jié)能原理，通過在礦山工程中應用，證明利用采空區(qū)回風能夠達到通風降阻節(jié)能的目的。

采空區(qū)回風 通風降阻 應用

國內(nèi)大多數(shù)空場法回采的礦山，對空區(qū)未進行填充或未完全填充，留下大量的采空區(qū)以及溜井、人行井、通風井等采準通道。由于我國大多數(shù)礦脈小且薄，其空區(qū)對于地表的影響不大，所以并不要求進行特別處理。但隨著礦山開采年限的增加，開采區(qū)域延伸，井下通風系統(tǒng)存在著回風線路少且長、回風阻力大等問題，浪費了大量的能源[1]，極大地制約了礦區(qū)生產(chǎn)的進一步擴大。降低礦山深部開采通風能耗，是礦山企業(yè)迫切要解決的難題。

1 采空區(qū)回風降阻通風節(jié)能技術(shù)

1.1 通風節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)多年來井下通風技術(shù)的發(fā)展和進步，通風節(jié)能技術(shù)主要有如下幾種[2-4]：

(1)通風系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能。包括分區(qū)通風、多級機站通風、循環(huán)風通風、礦井通風網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)節(jié)等。其原理是通過擴大通風斷面、縮短通風線路等降低通風阻力，均衡各風機風壓,以求達到通風系統(tǒng)功率最小的目的。

(2)采用新型通風設備[5]。20世紀70年代前使用仿蘇聯(lián)的BY型的2BY、70B2、K70(以上統(tǒng)稱70B2)軸流風機，壓力大而風量小，風機高效區(qū)與我國井下通風系統(tǒng)參數(shù)不匹配，導致風機效率僅為30%左右；80年代使用2K60、2K58、50A(主要在煤礦使用)軸流風機，是從70B2和50B1發(fā)展起來，同樣存在風機效率低下的問題，故也已逐步淘汰；目前使用的K(BK)、DK(BDK)、FS等系列風機，采用穩(wěn)流環(huán)防喘振裝置，消除了駝峰，高效區(qū)域?qū)?，風機直接反轉(zhuǎn)風量,可以滿足我國礦山井下反風要求，推廣應用后節(jié)能效果明顯。據(jù)統(tǒng)計，節(jié)能風機近20 a推廣總量2.8萬臺，節(jié)電50億kWh。

(3)通風系統(tǒng)運轉(zhuǎn)管理節(jié)能。采用在線風質(zhì)監(jiān)測，與風機變頻控制系統(tǒng)聯(lián)動，根據(jù)生產(chǎn)計劃的不同，合理調(diào)整風機轉(zhuǎn)速，達到通風系統(tǒng)運轉(zhuǎn)管理節(jié)能的效果。

(4)運用規(guī)模采礦技術(shù)，降低通風系統(tǒng)能耗。通過提高礦房開采的機械化程度，提高礦房日出礦能力，減少同時作業(yè)礦房數(shù)量，降低通風系統(tǒng)需風量，節(jié)約通風系統(tǒng)能耗。

(5)通風系統(tǒng)地溫預熱節(jié)能。在北方井下礦山，通風系統(tǒng)兼帶有加熱入風風流的功能，若使用電加熱或者蒸汽加熱，能耗較大。如果使用空區(qū)或廢棄巷道利用地溫冬季預熱空氣，夏季預冷入風風流，不僅能節(jié)約大量能耗，減少污染物排放，而且可最大程度地利用自然風壓能力輔助通風系統(tǒng)通風。

1.2 采空區(qū)狀態(tài)

采空區(qū)一般由開拓巷道、頂?shù)装?、間柱、部分未破壞的采準巷道(如通風、人行井)、礦石開采完畢后遺留空區(qū)組成。其中通風系統(tǒng)回風井及回風平巷服務于整個礦山生產(chǎn)時期，所以各礦山企業(yè)都能對各中段運輸?shù)?、通風井巷進行較好的維護；礦房采空區(qū)則進行砌墻封閉或嗣后廢石充填處理；空區(qū)采準(通風、人行井)等未能得到維護，一般會有不同程度的損壞。

1.3 井下深部開采通風能耗增加的原因

隨著礦山開采深度的增加，通風能耗增加，其主要原因如下：

(1)通風線路增長，通風阻力增大。在有色金屬等非煤井下礦山的通風系統(tǒng)中，系統(tǒng)阻力分為進風段、用風段、回風段3個部分。進風段、回風段阻力占井下通風系統(tǒng)阻力的90%以上，用風段線路長度、阻力均變化不大。故隨著礦山井下開采的延伸，通風系統(tǒng)主扇功率增加極快，通風能耗、通風成本也快速上升。

(2)采空區(qū)增加，漏風大。隨著采空區(qū)及中段的增多，通風系統(tǒng)短路漏風不可避免。為抵消漏風對井下深部開采的影響，我國規(guī)定在通風系統(tǒng)設計或優(yōu)化時根據(jù)各礦山具體情況取1.25～1.5的風量備用系數(shù)，即增大風機風量，保證作業(yè)面有充足的新鮮風流。深部開采漏風大，導致深部開采通風能耗、通風成本迅速增加。

(3)礦山井下深部開采，地溫升高導致作業(yè)面溫度過高，形成新的安全隱患。雖然目前有空調(diào)制冷、冰制冷、蓄冰球制冷、冷水制冷等多種制冷方式，但是，增大井下作業(yè)面風量是當下最為經(jīng)濟有效的方式，因此導致深部開采通風能耗、通風成本進一步增加。

1.4 采空區(qū)降阻原理

井巷通風阻力包含了井巷摩擦阻力、局部阻力和正面阻力。眾所周知，摩擦阻力是指風流在井巷沿程流動時，由于流體層間的摩擦及流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力[6]：

R=αPL/S3,

(1)

式中，R為通風摩擦阻力，N·S2/m8；α為摩擦阻力系數(shù)，N·S2/m4；P為風壓，Pa；L為風路長度，m；S為過風斷面面積，m2。

由式(1)可知，通風系統(tǒng)阻力與巷道長度呈正比，與過風斷面的立方成反比，故要降低通風系統(tǒng)阻力，需縮短通風系統(tǒng)線路長度，增加通風系統(tǒng)的過風斷面。利用上部開采活動遺留的大量采空區(qū)作為回風通道，不僅不用刷大通風系統(tǒng)專用回風井巷，而且能夠獲得大斷面的回風通道，極大地降低通風系統(tǒng)回風段阻力。

2 工程應用實例

2.1 工程概況

湖南某鉛鋅礦位于湖南省桂陽縣城西，該礦為地下開采，原采用淺孔留礦法，后改為上向水平分層干式充填采礦法和淺孔留礦嗣后充填采礦法回采高品位鉛、鋅、銅、銀礦體， 2012年后使用下向式分段空場嗣后充填采礦法。

由于礦山原采用空場法，在區(qū)域內(nèi)遺留了很多空區(qū)。為防止地表移動塌陷，該礦2008年對礦區(qū)內(nèi)大部分空區(qū)進行了回填處理。由于開采和通風需求，對地表無影響的少量空區(qū)未進行回填處理：①西部315礦270 m中段與290 m之間20 m×20 m×10 m(長×寬×高)的空區(qū)；②西部315礦290 m與其平硐之間20 m×20 m×30 m(長×寬×高)的空區(qū)；③北部牛郎沖礦-30 m中段與90 m中段間大量廢棄坑道及20 m×40 m×30 m(長×寬×高)的空區(qū)。

2.2 采空區(qū)回風設計

礦區(qū)西部通風系統(tǒng)需風量為45 m3/s，而西部回風井斷面小(2 m×1.5 m)，滿足不了生產(chǎn)需要，井下作業(yè)面通風困難。故根據(jù)礦山井下實際情況，對礦區(qū)西部通風分區(qū)進行回風路線設計。

原315礦270～290 m中段、290～315 m平硐均采用回風天井進行回風，回風天井直徑2 m，局部回風阻力734 Pa，回風困難，風流難以流動。該部分風流并入主礦區(qū)，目前礦區(qū)的通風系統(tǒng)進風路線多，回風路線少，該處回風天井需要擔負更大的回風任務，回風阻力加大，導致扇風機能耗加大。

通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，270～290 m中段及290～315 m平硐均存在采空區(qū)，利用采空區(qū)對該局部回風工程進行設計，使其滿足礦山整體的回風需求。新設計的通風線路如圖1。

圖1 采空區(qū)回風系統(tǒng)

2.3 降阻效果計算

空區(qū)斷面20 m×20 m(長×寬)，根據(jù)式(1)計算，與采用單獨的回風天井相比，局部摩擦阻力損失僅為原來的1/162 278.39，近似為零。

3 結(jié) 論

與礦山井下生產(chǎn)相匹配的通風系統(tǒng)，不僅需要提供作業(yè)面良好的工作環(huán)境，而且要達到運轉(zhuǎn)功率最小，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益的目的。采用采空區(qū)回風降低了通風系統(tǒng)阻力，節(jié)約了通風能耗，理論和實踐都證明其有效性。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)情況的變化及時進行通風系統(tǒng)的優(yōu)化改造，是十分必要的。

[1] 費子文，張濟中，王紹良，等.采礦手冊：第六卷[M].北京:冶金出版社出版，1988.

[2] 王海寧，王花平，謝金亮.金屬礦山通風節(jié)能技術(shù)的研究[J].礦業(yè)快報，2006,16(12):24-26.

[3] 王英敏.金屬礦山通風節(jié)能途徑與效益[J].黃金，1989，10(8)：20-26.

[4] 關(guān)瑞岐，王遠廣.礦山通風節(jié)能降耗的幾個途徑[J].煤炭技術(shù)，2004，23(5):18-20.

[5] 張慧忠.礦用風機使用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(續(xù))[J].礦業(yè)快報，2007，462(10):15-18.

[6] 王海寧.礦井風流流動與控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

2014-11-06)

李印洪(1975—)，男，高級工程師，碩士，410014 湖南省長沙市雨花區(qū)香樟路601號。