大型機(jī)械化金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

龔開?！±钕Ρ±顕?guó)元　時(shí)增輝(.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 4008； 2.中色非洲礦業(yè)有限公司，Kitwe 22592 贊比亞；.貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州 貴陽 50002)

·安全與環(huán)?！?/p>

大型機(jī)械化金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

龔開福1,2李夕兵1李國(guó)元3時(shí)增輝3
(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 2.中色非洲礦業(yè)有限公司，Kitwe 22592 贊比亞；3.貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州 貴陽 530002)

為了改善大型無軌機(jī)械化礦山井下通風(fēng)效果，分析了無軌設(shè)備運(yùn)行時(shí)的需風(fēng)量，并與工作面最小排塵風(fēng)速、井下同時(shí)工作的最多人數(shù)需風(fēng)量相比對(duì)，確定了井下最少供風(fēng)量；基于Vensim通風(fēng)軟件構(gòu)建了井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，并對(duì)風(fēng)流路徑、風(fēng)機(jī)參數(shù)、構(gòu)筑物進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使無軌設(shè)備相對(duì)集中的地方得到更多的風(fēng)量，從而達(dá)到井下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的目的。對(duì)貴州某大型無軌機(jī)械化礦山通風(fēng)效果研究結(jié)果表明：無軌設(shè)備需風(fēng)量最大，以此風(fēng)量作為井下最少供風(fēng)量；結(jié)合Vensim通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，確定通風(fēng)機(jī)與風(fēng)構(gòu)筑物的位置，并調(diào)節(jié)風(fēng)門開度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)風(fēng)流路徑與風(fēng)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化；采用剛性風(fēng)筒大大降低通風(fēng)阻力。通過這幾方面的優(yōu)化成功改善了井下大型機(jī)械化金屬礦山通風(fēng)效果。

大型機(jī)械化金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

地下礦山開采深度愈來愈深，工作條件惡劣，開采難度越來越大。因此，只靠增加勞動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)量的辦法，顯然是很困難的。要實(shí)現(xiàn)礦石量的大幅度增加，必須依靠技術(shù)進(jìn)步，提高礦山的裝備水平，這是加快礦山建設(shè)速度，迅速擴(kuò)大采礦規(guī)模，提高生產(chǎn)能力和改善開采條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的首要條件和根本保證[1]。采用無軌開采可使礦體開拓快，投產(chǎn)早；無軌采礦生產(chǎn)能力大，效率高，機(jī)動(dòng)靈活，應(yīng)用范圍廣；可實(shí)現(xiàn)全面機(jī)械化和集中作業(yè)，減少井下生產(chǎn)工人數(shù)量，大大提高生產(chǎn)效率。目前，國(guó)外在現(xiàn)代化地下礦山的開采中，已普遍使用無軌設(shè)備。20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)就有1/4的地下礦山采用裝載機(jī)[2]，而到90年代，俄羅斯地下金屬礦山已有地下無軌設(shè)備出礦的礦山占到了57%以上[3-4]。國(guó)外地下金屬礦山已形成地下裝載機(jī)為主的裝運(yùn)體系。我國(guó)從70年代中期開始使用無軌設(shè)備采礦，目前已有上百個(gè)礦山使用，而且正以每年10%的速度增加，實(shí)現(xiàn)井下作業(yè)全面機(jī)械化，并正在向自動(dòng)化邁進(jìn)。

但是，大型無軌設(shè)備特別是使用柴油驅(qū)動(dòng)的設(shè)備為采礦帶來方便的同時(shí)，也給礦井通風(fēng)帶來巨大的挑戰(zhàn)。首先，柴油無軌設(shè)備排放的尾氣包括有毒氣體和顆粒物質(zhì)，有毒氣體包括CO、CO2、NO、NO2和SO2，這些氣體短期內(nèi)達(dá)到的最低限為CO(50 mg/L)，CO2(5 000 mg/L)，NO(25 mg/L)，NO2(3 mg/L)和SO2(2 mg/L)。顆粒物質(zhì)包括95%粒徑小于1 um，完全可以呼吸的。特別是顆粒物質(zhì)能夠吸附其他化學(xué)物質(zhì)，諸如可能產(chǎn)生的芳香烴(PAH)、NOX、SO2氣體及相應(yīng)的酸，這些顆粒作為載體把這些物質(zhì)送入肺內(nèi)。他們對(duì)健康的危害可用計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)AQI確定

AQI=(CO/50)+(NO/25)+(RCD/2)+

1.5[(SO2/3)+(RCD/2)]+

1.2[(NO2/3)+(RCD/2)]

其中，RCD為可呼吸的可燃粉塵(或柴油顆粒物質(zhì))，當(dāng)AQI≤3時(shí)為可容許的指數(shù)范圍。因此，無軌設(shè)備排放的尾氣給井下環(huán)境和工人健康帶來危害；其次，無軌設(shè)備的運(yùn)行需要滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的耗氣量的需求；第三，無軌設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生大量的熱和粉塵，也對(duì)井下環(huán)境造成破壞。為此，井下通風(fēng)設(shè)計(jì)必須考慮這幾方面的因素，以某金礦為例，通過對(duì)井下作業(yè)地點(diǎn)有毒氣體及顆粒物質(zhì)的監(jiān)測(cè)，并計(jì)算無軌設(shè)備需要的耗氣量，提出大型無軌設(shè)備金屬礦山通風(fēng)優(yōu)化方法。

1　礦山概況

貴州某金礦采用露天-地下聯(lián)合開采，采用上向水平分層進(jìn)路式充填采礦法開采，中間主斜坡道全無軌開拓方式、采用Boomer282型雙臂電動(dòng)液壓鑿巖臺(tái)車配COP1838me型鑿巖機(jī)鉆孔，CATR2900G鏟運(yùn)機(jī)出礦，鏟裝的礦石卸入中段運(yùn)輸巷道的裝卸礦硐室，經(jīng)CATAD45B和WagnerMT-439礦用卡車運(yùn)輸至地表。采用Normet濕噴臺(tái)車與混凝土罐車。

通風(fēng)方式采用主斜坡道進(jìn)風(fēng)，東西回風(fēng)井回風(fēng)的中央對(duì)角式通風(fēng)方式，井下采用連續(xù)通風(fēng)工作制度。新鮮空氣主要從安全井和斜坡道進(jìn)入，通過局扇，由風(fēng)筒經(jīng)各中段運(yùn)礦巷道(或分段巷道)、采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道分別送往各用風(fēng)工作面，產(chǎn)生的污風(fēng)經(jīng)采場(chǎng)進(jìn)路、采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道、各中段運(yùn)礦巷道(或分段巷道)、東西回風(fēng)巷道回風(fēng)：西部污風(fēng)經(jīng)設(shè)于西回風(fēng)井口的主扇風(fēng)機(jī)排出地表，東部污風(fēng)經(jīng)設(shè)于東回風(fēng)井口的主扇風(fēng)機(jī)排出地表，見圖1。

圖1　某金礦通風(fēng)系統(tǒng)

2　全礦總需風(fēng)量計(jì)算

2.1按無軌設(shè)備計(jì)算

按無軌設(shè)備計(jì)算為

Qs=qsN/60，

(1)

式中，Qs為礦井排出柴油設(shè)備廢氣需風(fēng)量，m3/s；qs為柴油設(shè)備單位功率風(fēng)量指標(biāo)，0.068 m3/(kW·s)；N為礦井內(nèi)各種柴油設(shè)備按作業(yè)時(shí)間比例計(jì)算的功率總數(shù)，kW；

N=N1f1+N2f2+…+Nifi，

(2)

N1，N2，…，Ni均為各臺(tái)柴油設(shè)備額定功率，kW；f1，f2，…，fi均為各臺(tái)柴油設(shè)備工作時(shí)間系數(shù)，即設(shè)備在井下每小時(shí)作業(yè)的時(shí)間百分比，%。

地下柴油運(yùn)行設(shè)備功率及全礦所需風(fēng)量見表1。

表1　井下無軌運(yùn)行設(shè)備功率及全礦所需風(fēng)量Table 1　Power and ventilation volume required of underground trackless equipment running

2.2按工作面最小排塵風(fēng)速計(jì)算

工作面最小排塵風(fēng)速計(jì)算為

Qs=∑qei,

(3)

qei=SiVi,

(4)

式中，Qe為礦井排除各作業(yè)面粉塵等所需風(fēng)量，m3/s；qei為各工作面排塵所需風(fēng)量，m3/s；Si為各工作面的過風(fēng)斷面，m2；Vi為工作面排塵風(fēng)速，m/s。

風(fēng)量計(jì)算見表2。

表2　按工作面最小排塵風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量Table 2　The ventilation volume according to minimum dust exhausting wind speed at working face

2.3按井下同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算

井下最大班同時(shí)工作人數(shù)為80人，供風(fēng)量按每人5 m3/min計(jì)算，礦井所需風(fēng)量為7 m3/s。

根據(jù)以上3種方法計(jì)算，需風(fēng)量最大的為無軌設(shè)備，故取礦井總用風(fēng)量為308 m3/s。

3　通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑與優(yōu)化

3.1通風(fēng)測(cè)量

3.1.1測(cè)量?jī)x器

測(cè)量?jī)x器見表3。

表3　礦井通風(fēng)測(cè)定裝置Table 3　Measuring device list of mine ventilation

3.1.2測(cè)量方法

表示礦井通風(fēng)系統(tǒng)的基本參數(shù)有風(fēng)量(Q)、風(fēng)壓(H)和風(fēng)阻(R)，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)要進(jìn)行科學(xué)的改進(jìn)，必須同時(shí)掌握這3個(gè)基本參數(shù)。通常可用機(jī)械式風(fēng)表測(cè)量風(fēng)量。用風(fēng)表測(cè)量出測(cè)點(diǎn)所在斷面的風(fēng)速，然后與該斷面面積相乘即可得出測(cè)點(diǎn)斷面的風(fēng)量。巷道斷面上的各點(diǎn)風(fēng)速是不同的，通常巷道斷面中間部位風(fēng)速最高，周邊的風(fēng)速最低。為了獲得測(cè)風(fēng)斷面上的平均風(fēng)速，通?？刹捎镁€路法，將風(fēng)表在巷道內(nèi)按一定線路均勻移動(dòng)，通常巷道斷面中間部位風(fēng)速最高，周邊的風(fēng)速最低。如圖2所示，巷道斷面較小時(shí)采用圖2(a)四線法，當(dāng)巷道斷面較大時(shí)采用圖2(b)六線法。

圖2　風(fēng)表移動(dòng)路線

根據(jù)測(cè)量人員站立姿勢(shì)的不同可將測(cè)風(fēng)方式分為迎面法和側(cè)身法2種[4]。

(1)迎面法即測(cè)量人員面向風(fēng)流，將風(fēng)表置于正前方測(cè)風(fēng)。由于采用這種姿勢(shì)人體阻擋了風(fēng)流，風(fēng)速較實(shí)際偏低，風(fēng)表的讀數(shù)值偏小，計(jì)算實(shí)際風(fēng)速應(yīng)將測(cè)量值乘以k= 1.14的校正系數(shù)。

(2)側(cè)身法是測(cè)量人員面向巷道壁站立，手持風(fēng)表在巷道斷面內(nèi)作均勻移動(dòng)。由于采用這種姿勢(shì)減少了巷道通風(fēng)面積，風(fēng)速有所增大，所以也需要對(duì)風(fēng)速測(cè)量值進(jìn)行校正。校正系數(shù)k=(S-0.4)/S(S為測(cè)風(fēng)點(diǎn)斷面積)。

用機(jī)械式風(fēng)表測(cè)風(fēng)的步驟如下[5-6]：

(1)測(cè)量人員首先進(jìn)入待測(cè)巷道中估測(cè)風(fēng)速范圍，選用相應(yīng)量程的風(fēng)表。注意選用的風(fēng)表量程不能過高或過低，避免造成測(cè)量不準(zhǔn)或風(fēng)表損壞。

(2)將風(fēng)表和秒表指針回零，將風(fēng)表葉輪平面迎向風(fēng)流，與風(fēng)流方向保持垂直，在葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)正常后，同時(shí)打開風(fēng)表計(jì)數(shù)器和秒表，在60s時(shí)間內(nèi)，按照?qǐng)D2所示路線勻速移動(dòng)風(fēng)表，然后同時(shí)關(guān)閉風(fēng)表計(jì)數(shù)器和秒表，讀取風(fēng)表指針讀數(shù)。有車輛或行人時(shí)，要等其通過后風(fēng)流穩(wěn)定時(shí)再測(cè)。

為保證測(cè)定準(zhǔn)確，一般在同一地點(diǎn)要測(cè)2次，2次測(cè)量結(jié)果相差不得超過5%，并按以下步驟計(jì)算測(cè)點(diǎn)斷面的平均風(fēng)速v。

首先計(jì)算風(fēng)表的表速：

式中，vB表為風(fēng)表的表速，m/s；n1、n2為2次測(cè)量的表速，m/min。

然后，根據(jù)vB查所用風(fēng)表的校正曲線，得真風(fēng)速vZ。

最后求平均風(fēng)速v，即所測(cè)斷面的實(shí)際風(fēng)速。

通過測(cè)風(fēng)斷面的風(fēng)量則為

用激光測(cè)距儀測(cè)量巷道斷面面積時(shí)，規(guī)則斷面按相應(yīng)的面積公式測(cè)定和計(jì)算。測(cè)量非規(guī)則斷面時(shí)，先用鋼卷尺測(cè)出巷道凈寬度B，再把巷道凈寬度等分成n等分，然后測(cè)量每個(gè)等分點(diǎn)的高度b，如圖3所示，并按下式計(jì)算斷面面積。

測(cè)定工作安排在1個(gè)工作班內(nèi)完成，以免井下氣候和生產(chǎn)條件變化帶來的影響。根據(jù)測(cè)定線路，先測(cè)進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)，然后測(cè)分支巷道，再測(cè)作業(yè)面的風(fēng)量。

其中，a為巷道阻力系數(shù)；L為通風(fēng)距離，m；Q為風(fēng)量，m3；S為巷道斷面，m2。

3.1.3測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果見表4和表5。

圖3　不規(guī)則巷道斷面的測(cè)量

表4　西翼通風(fēng)參數(shù)Table 4　Ventilation parameters of west wing

表5　東翼通風(fēng)參數(shù)Table 5　Ventilation parameters of west wing

3.2通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

對(duì)于一個(gè)有數(shù)十、數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)的通風(fēng)網(wǎng)路，用手工計(jì)算顯然不僅工作量大，而且容易出錯(cuò)。采用Ventsim礦井通風(fēng)仿真模擬軟件建立直觀的礦井三維通風(fēng)系統(tǒng)模型，進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算分析。該軟件可通過風(fēng)流路徑模擬、風(fēng)網(wǎng)解算以及風(fēng)機(jī)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的模擬控制、檢測(cè)與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3通風(fēng)設(shè)施優(yōu)化

3.3.1風(fēng)筒

由于采用進(jìn)路式充填采礦法，采場(chǎng)回采和掘進(jìn)面通風(fēng)相似，均采用局部通風(fēng)。由于當(dāng)前對(duì)旋式風(fēng)機(jī)具有高效、 節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因此井下通風(fēng)局扇采用了該類型的風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)安裝在巷道頂板上，通過風(fēng)筒將新鮮風(fēng)流引到生產(chǎn)工作面。為了更少地減少阻力，風(fēng)筒直徑為1.2 m，材質(zhì)為柔性帆布，接口為拉鏈?zhǔn)剑瑫r(shí)在局部巷道轉(zhuǎn)彎角較小的區(qū)域，采用了剛性風(fēng)筒，降低通風(fēng)阻力，如圖4所示。

圖4　剛性風(fēng)筒

3.3.2局部風(fēng)機(jī)

對(duì)于獨(dú)頭掘進(jìn)的工作面，按巷道長(zhǎng)度來配備局扇，巷道長(zhǎng)度小于200 m時(shí)，配備1臺(tái)DJK50-3型局扇進(jìn)行壓入式通風(fēng)；當(dāng)巷道長(zhǎng)度大于200 m時(shí)，則采用2臺(tái)局扇進(jìn)行壓抽混合式通風(fēng)。局部通風(fēng)的風(fēng)筒與工作面的距離：壓入式通風(fēng)不得大于10 m；抽出式通風(fēng)不得大于5 m；混合式通風(fēng)時(shí)，壓入風(fēng)筒不得超過10 m，抽出風(fēng)筒應(yīng)滯后壓入風(fēng)筒5 m。按照采場(chǎng)進(jìn)路斷面20 m2、排塵風(fēng)速0.5 m/s和30%的漏風(fēng)系數(shù)，每個(gè)工作面的需風(fēng)量為13 m3/s；新鮮風(fēng)由局扇從沿脈巷道抽取，送風(fēng)距離為200～400 m，根據(jù)生產(chǎn)、掘進(jìn)計(jì)劃，回采和掘進(jìn)工作面為20～22個(gè)。由于送風(fēng)距離長(zhǎng)、需風(fēng)量大、工作面多，按1臺(tái)局扇供應(yīng)2個(gè)工作面，采用φ1.2 m風(fēng)筒送風(fēng)，需要功率55 kW，型號(hào)DJK50-3局扇15臺(tái)。

3.3.3通風(fēng)構(gòu)筑物

為了更好地管理風(fēng)流，在各中段回風(fēng)巷以及安全井聯(lián)絡(luò)道中安裝調(diào)節(jié)風(fēng)門，對(duì)各中段用風(fēng)量進(jìn)行控制。當(dāng)中段回采結(jié)束后，應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)置擋風(fēng)墻，阻斷風(fēng)流。如圖5所示。

圖5　通風(fēng)構(gòu)筑物

風(fēng)窗及門的尺寸已確定，其他尺寸根據(jù)巷道實(shí)際尺寸進(jìn)行調(diào)整。風(fēng)窗、門的頂板需另加鋼梁，風(fēng)窗采用槽鋼形式，木板可以放置于上下槽鋼里開控制風(fēng)窗面積，人行門必須是活動(dòng)的來滿足人員進(jìn)出，門的方向是順風(fēng)自動(dòng)關(guān)閉。磚墻采用水泥空心磚，磚墻厚度為水泥磚的長(zhǎng)度，磚墻與巷道壁厚度為水泥磚的長(zhǎng)度，磚墻與巷道壁銜接外需灌水泥漿，墻面進(jìn)行抹灰，防止漏風(fēng)。

通過風(fēng)量實(shí)際測(cè)定，表明所測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的誤差在 10% 以內(nèi)。圖 6 所示為模擬風(fēng)量與實(shí)測(cè)風(fēng)量的比較，因此運(yùn)用通風(fēng)模擬軟件 Ventsim 對(duì)于利用快速調(diào)節(jié)通風(fēng)構(gòu)筑物來優(yōu)化通風(fēng)參數(shù)、合理分配風(fēng)量，與無軌設(shè)備靈活性想匹配，大大改善了井下通風(fēng)環(huán)境。

圖6　模擬風(fēng)量與實(shí)測(cè)風(fēng)量的比較

4　結(jié)　論

(1)柴油無軌設(shè)備排放的尾氣包括有毒氣體和顆粒物質(zhì)，它們對(duì)人體健康的危害可用計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)AQI衡量:AQI≤3時(shí)為可容許的指數(shù)范圍。

(2)考慮礦山無軌設(shè)備運(yùn)行的耗氣量及人員工作環(huán)境，設(shè)計(jì)礦山坑下通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算時(shí)按無軌柴油設(shè)備所需風(fēng)量計(jì)算考慮了20%的漏風(fēng)，按最小排塵風(fēng)速計(jì)算時(shí)所采用的最小排塵風(fēng)速為0.5 m/s，確定井下總風(fēng)量。

(3)運(yùn)用Ventsim 通風(fēng)模擬軟件對(duì)礦井通風(fēng)進(jìn)行模擬，根據(jù)工作面數(shù)量及無軌設(shè)備主要的工作地點(diǎn)，有針對(duì)性地調(diào)節(jié)井下各通風(fēng)構(gòu)筑物，并通過局扇直接對(duì)回采進(jìn)路及掘進(jìn)進(jìn)路進(jìn)行供風(fēng)，可保證進(jìn)風(fēng)質(zhì)量和工作面所需風(fēng)量，達(dá)到更快而合理地分配風(fēng)量，適應(yīng)無軌設(shè)備靈活性的特點(diǎn)。

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(責(zé)任編輯徐志宏)

Optimization of Ventilation System in Large-scale Mechanized Metal Mine

Gong Kaifu1,2Li Xibing1Li Guoyuan2Shi Zenghui2
(1.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China；2.NFCAfricaMiningPlc.,Kitwe22592,Zambia；3.GuizhouJinfengMiningLtd.,Guiyang530002,China)

In order to improve the underground ventilation effect in the large-scale trackless mechanized mine,the air volume required by trackless equipment in running was analyzed.Compared with the minimum dusting air speed in working face,and the air volume as maximum personals working at the same time,the minimum underground air-supply volume was determined; Ventilation network graph for underground mine was constructed based on Vensim software,and the wind flow path,fan parameters and structures were dynamically adjusted to realize more air volume for more trackless equipment,so as to achieve the purpose of optimizing the mine ventilation system.The ventilation effect in a large-scale trackless mechanized mine in Guizhou showed that the trackless equipment needs most of air volume,which are considered as the minimum ventilation volume of underground mine; In combination with Vensim ventilation network diagram,the positions of the fan and the structures were determined,and the air door opening and fan speed were dynamically adjusted to optimize the wind flow path and air volume; The rigid duct can greatly reduce the ventilation resistance.The optimization from several aspects above can improve ventilation effect of the large mechanized underground metal mine.

Large-scale mechanized,Metal mine,Ventilation system,Optimization

2014-10-27

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：2010CB732004)。

龔開福(1983—)，男，工程師。

TG142.71

A

1001-1250(2015)-01-122-06