礦井降溫風(fēng)量計(jì)算模型研究

譚星宇 郭 巖 唐紹輝 謝賢平 盛建紅

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410012;2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410012;3.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明650093;4.國安安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京100713)

礦井風(fēng)量計(jì)算是礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是計(jì)算礦井通風(fēng)阻力和選擇通風(fēng)設(shè)備的基礎(chǔ)和前提［1］。對(duì)于部分熱害嚴(yán)重的礦井，在通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、控制井下熱源散熱和改進(jìn)采礦方法等非機(jī)械制冷降溫措施的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加風(fēng)量降溫，可達(dá)到理想的降溫效果。該方法切實(shí)可行，應(yīng)用廣泛，而礦井降溫風(fēng)量的計(jì)算是該方法的關(guān)鍵。

目前，根據(jù)風(fēng)流流過巷道的熱交換原理，國內(nèi)學(xué)者建立了采掘工作面風(fēng)流熱力參數(shù)預(yù)測(cè)模型［2-3］，在特定的通風(fēng)系統(tǒng)下預(yù)測(cè)采掘工作面的風(fēng)流溫度。而要使增大風(fēng)量降溫效果達(dá)到最佳，通常要在通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、控制井下熱源散熱和改進(jìn)采礦方法等非機(jī)械制冷降溫措施的基礎(chǔ)上，根據(jù)降溫的需求重新計(jì)算礦井的需風(fēng)量(稱為礦井降溫風(fēng)量)。為此，提出了礦井降溫風(fēng)量計(jì)算模型。

1 傳統(tǒng)礦井需風(fēng)量計(jì)算概述

金屬礦非金屬礦山通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)一般采用分項(xiàng)計(jì)算風(fēng)量法計(jì)算礦井總需風(fēng)量，然后用井下同時(shí)作業(yè)人數(shù)需風(fēng)量法、萬噸風(fēng)量比進(jìn)行驗(yàn)算，確定礦井需風(fēng)量。分項(xiàng)計(jì)算風(fēng)量法是對(duì)不同時(shí)間按各類井下作業(yè)場(chǎng)所(回采工作面、掘進(jìn)工作面和硐室等)的生產(chǎn)特點(diǎn)分別計(jì)算其需風(fēng)量，再乘以礦井漏風(fēng)系數(shù)得到礦井總需風(fēng)量［4］Qr，計(jì)算公式為

式中，Qs為回采工作面所需風(fēng)量，m3/s;Q's為備用回采工作面所需風(fēng)量，m3/s;Qd為掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量，m3/s;Qr為硐室所需風(fēng)量，m3/s;Qh為其他需風(fēng)點(diǎn)如主溜礦井所需風(fēng)量，m3/s;K 為礦井風(fēng)量備用系數(shù)，取值為1.20 ～1.45。

2 風(fēng)流通過井巷熱交換的基本規(guī)律

風(fēng)流通過井巷的穩(wěn)定流過程如圖1 所示。

圖1 風(fēng)流沿巷道的穩(wěn)定流動(dòng)Fig.1 Steady air flow along the roadway

風(fēng)流通過井巷可認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，質(zhì)量流量為G(kg/s)的風(fēng)量流過一段巷道，風(fēng)流在巷道入口處的能量為E1(kJ/s)，風(fēng)流在巷道出口處的能量為E2(kJ/s)，風(fēng)流通過巷道時(shí)風(fēng)流與巷道的熱交換量為Q(kJ/s)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律得

風(fēng)流能量E 由風(fēng)流內(nèi)能U=Gu(kJ/s)、風(fēng)流位能Ew=GgZ(kJ/s)、風(fēng)流動(dòng)能Ed=Gv2/2(kJ/s)和流動(dòng)功Gpν(kJ/s)組成，則式(2)可改寫成

式中，u1，u2分別為風(fēng)流入口、出口的內(nèi)能，J/kg;p1、p2分別為風(fēng)流入口、出口的壓強(qiáng)，J/kg;ν1，ν2分別為風(fēng)流入口、出口的比容，m3/kg;Z1、Z2分別為風(fēng)流入口、出口的標(biāo)高，m;v1、v2分別為風(fēng)流入口、出口的風(fēng)速，m/s;g 為重力加速度，m/s2。

根據(jù)焓(i)的定義，i=u+pν，另外v1和v2近似相等，因此，式(3)可整理成

Gg(Z1－Z2)可認(rèn)為是風(fēng)流流過有高差的巷道時(shí)產(chǎn)生的自壓縮熱，視為井下熱源，可歸入總熱交換量中，一并記為Q'。則式(4)可寫成

風(fēng)流的焓由顯熱和潛熱2 部分組成，風(fēng)流流過井巷時(shí)，風(fēng)流與巷道的總熱交換量一部分轉(zhuǎn)化成風(fēng)流的顯熱，另一部分轉(zhuǎn)化成風(fēng)流的潛熱，則有式(6):

總熱交換量目前主要井下熱源分析統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算，在熱源分析統(tǒng)計(jì)時(shí)，只統(tǒng)計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)化成風(fēng)流顯熱部分的總熱交換量QZ(kJ/s)，則式(6)可寫成(7):

式中，t1、t2分別為井巷風(fēng)流入口、出口的干球溫度，℃;Δt 為干球溫度變化量，℃;Δd 為巷道出入口的含濕量變化量，g/kg;cp為空氣的質(zhì)量定壓熱容，可取1.005 kJ/(kg·℃)。

3 礦井熱源調(diào)查統(tǒng)計(jì)

風(fēng)流流過井巷的總熱交換量可通過熱源調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法算得。井下的主要熱源有圍巖的散熱Qgu、風(fēng)流的自壓縮熱Qp、機(jī)電設(shè)備放熱Qjd、熱水放熱Qvt、人員放熱Qr等，分別可由文獻(xiàn)［5］的相關(guān)公式算得(從略)。

4 降溫風(fēng)量計(jì)算模型

適當(dāng)增加高溫工作面的風(fēng)量，可降低單位風(fēng)量的溫升、明顯降低工作面溫度、改善工人舒適感;但是風(fēng)量增加到一定程度后，因受圍巖溫度、進(jìn)風(fēng)溫度及風(fēng)流熱交換的影響，降溫效果將不明顯。因此，增加風(fēng)量降溫的關(guān)鍵是降溫風(fēng)量的計(jì)算。

4.1 降溫風(fēng)量計(jì)算模型設(shè)計(jì)思路

通常井下熱害最嚴(yán)重的工作場(chǎng)所是采掘工作面，降溫風(fēng)量計(jì)算模型在傳統(tǒng)分項(xiàng)計(jì)算風(fēng)量法的基礎(chǔ)上，針對(duì)礦井采掘工作面熱害嚴(yán)重的特點(diǎn)，在通風(fēng)系統(tǒng)中選擇2 條主要風(fēng)流路線，一條從主要進(jìn)風(fēng)井到回采工作面，另一條從主要進(jìn)風(fēng)井到掘進(jìn)工作面。沿兩條主要風(fēng)流路線，根據(jù)風(fēng)流熱交換規(guī)律，計(jì)算出不同風(fēng)量下回采工作面和掘進(jìn)工作面的干球溫度，計(jì)算過程涉及礦井熱源調(diào)查統(tǒng)計(jì)、風(fēng)流分配原理等。將計(jì)算結(jié)果繪成工作面干球溫度隨風(fēng)量變化曲線，分析曲線確定回采工作面和掘進(jìn)工作面的降溫風(fēng)量，從而確定全礦降溫風(fēng)量。

4.2 礦井降溫風(fēng)量計(jì)算模型

為清楚地介紹降溫風(fēng)量計(jì)算模型，建立如圖2 所示礦井通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，簡(jiǎn)化模型包括了金屬非金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分。圖3 為礦井降溫風(fēng)量計(jì)算模型圖。

圖2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of the mine ventilation system

(1)需風(fēng)量計(jì)算和風(fēng)量分配。根據(jù)井下需風(fēng)場(chǎng)所的數(shù)量，按照傳統(tǒng)礦井需風(fēng)量計(jì)算方法計(jì)算礦井需風(fēng)量(Gt)，包括回采工作面風(fēng)量(Gs0)、備采工作面風(fēng)量(G's0)、掘進(jìn)工作面風(fēng)量(Gd0)、硐室工作面風(fēng)量(Gr)和其他需風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量(Gh)。按需風(fēng)場(chǎng)所的需風(fēng)量對(duì)全礦井進(jìn)行風(fēng)量分配，確定主要井巷的通風(fēng)量。如圖2 中，分項(xiàng)計(jì)算風(fēng)量法計(jì)算出Gs0、Gd0和Gr，由方程組(8)進(jìn)行風(fēng)量分配，確定主要井巷的風(fēng)量:

式中，G10～G70分別為井巷1 ～井巷7 的質(zhì)量風(fēng)量，kg/m3。

圖3 礦井降溫風(fēng)量計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of mine cooling air flow

(2)選擇主要風(fēng)量路線。選擇2 條主要風(fēng)流路線，一條從主要進(jìn)風(fēng)井到回采工作面，作為計(jì)算分析在礦井熱源的影響下回采工作面風(fēng)流干球溫度隨風(fēng)量變化的路線，稱為回采工作面主要風(fēng)流路線;另一條從主要進(jìn)風(fēng)井到掘進(jìn)工作面，作為計(jì)算分析在礦井熱源的影響下掘進(jìn)工作面風(fēng)流干球溫度隨風(fēng)量變化的路線，稱為掘進(jìn)工作面主要風(fēng)流路線。所選風(fēng)流路線為風(fēng)量和散熱量最大的風(fēng)流路線，回采工作面主要風(fēng)流路線和掘進(jìn)工作面主要風(fēng)流路線的數(shù)據(jù)分別用下標(biāo)i、j 標(biāo)注。如圖2 中，回采工作面、掘進(jìn)工作面主要風(fēng)流路線分別為1—2—3—4、1—2—5—6—7。

(3)分析計(jì)算井巷熱源散熱量。在所選2 條主要風(fēng)流路線上，逐條調(diào)查分析井巷熱源，逐條計(jì)算出井巷各熱源放熱量，包括井巷i 或j 圍巖散熱量(Qguin、Qgujn)、空氣自壓縮散熱量(Qpin、Qpjn)、機(jī)電設(shè)備散熱量(Qjdi、Qjjd)、礦矸石散熱量(Qkin、Qkjn)、人員散熱量(Qri、Qrj)、充填體水化散熱量(Qsi、Qsj)等。如圖2 中，計(jì)算風(fēng)流路線1—2—3—4 和1—2—5—6—7 中每條井巷各熱源的散熱量。

(4)計(jì)算采掘工作面干球溫度。根據(jù)井巷熱源散熱量計(jì)算結(jié)果，沿主要風(fēng)流路線逐條井巷列出熱平衡方程，計(jì)算出井巷出口風(fēng)流干球溫度(tinc)，上條井巷出口風(fēng)流干球溫度即下條井巷風(fēng)流入口干球溫度(t(i+1)nr)，最后計(jì)算出回采工作面和掘進(jìn)工作面的干球溫度。本步驟與步驟3 是嵌套的，循環(huán)進(jìn)行計(jì)算，循環(huán)通過i=i+1 和j=j+1 完成，i=i+1 和j=j+1 的意義為主要風(fēng)流路線上完成1 條井巷的計(jì)算后進(jìn)入下井巷的計(jì)算。如圖2 中，回采工作面主要風(fēng)流路線(1—2—3—4)可列出熱平衡方程組(9)，掘進(jìn)工作面主要風(fēng)流路線(1—2—5—6—7)可列出熱平衡方程組(10)，計(jì)算出回采工作面干球溫度(t4nc)、掘進(jìn)工作面干球溫度(t7nc):

(5)計(jì)算分析采掘工作面干球溫度隨風(fēng)量的變化情況。在步驟(1)計(jì)算出回采工作面和掘進(jìn)工作面需風(fēng)量的基礎(chǔ)上，按一定步長(zhǎng)s(可取0.1、0.2 或0.5 m3/s)增加其需風(fēng)量，重新進(jìn)行風(fēng)量分配，重復(fù)步驟(3)和步驟(4)，計(jì)算出回采工作面和掘進(jìn)工作面不同風(fēng)量情況下的干球溫度，繪出干球溫度隨風(fēng)量增加的變化曲線。

(6)確定礦井降溫風(fēng)量。《GB16423—2006 金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)程”)對(duì)采掘作業(yè)地點(diǎn)氣象條件作了規(guī)定(如表1)［6］。通常干球溫度隨風(fēng)量增加而減小，風(fēng)量增加一定范圍內(nèi)，干球溫度減小較明顯，降溫效果明顯;風(fēng)量增加到一定程度后，干球溫度降低將不明顯，降溫效果差。分析回采工作面和掘進(jìn)工作面干球溫度隨風(fēng)量增加的變化曲線，若風(fēng)量增加在降溫效果明顯的區(qū)域內(nèi)風(fēng)溫達(dá)到“規(guī)程”規(guī)定，判斷可通過增加風(fēng)量治理熱害，并確定回采工作面和掘進(jìn)工作的降溫風(fēng)量，再由分項(xiàng)計(jì)算風(fēng)量法計(jì)算全礦降溫風(fēng)量;反之，則認(rèn)為僅通過增加風(fēng)量不能達(dá)到降溫的要求。

表1 采掘作業(yè)地點(diǎn)氣象條件規(guī)定Table 1 Rules of meteorological conditions at mining location

5 降溫風(fēng)量計(jì)算模型在湖南某銻礦的應(yīng)用

該銻礦采用平硐+斜井聯(lián)合開拓，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6.6 萬t/a。通風(fēng)系統(tǒng)采用多級(jí)機(jī)站(三級(jí))通風(fēng)系統(tǒng)，進(jìn)風(fēng)段、需風(fēng)段和回風(fēng)段各設(shè)置有一級(jí)機(jī)站。東西分區(qū)進(jìn)風(fēng)統(tǒng)一回風(fēng)，西部主要由明斜井進(jìn)風(fēng)，新鮮風(fēng)流通過XJ3 斜井和XJ5 斜井進(jìn)入各中段運(yùn)輸大巷，由各中段運(yùn)輸大巷至各工作面;東部主要由+150 m 平硐和+226 m 平硐進(jìn)風(fēng)，新鮮風(fēng)流通過XJ1 斜井、XJ2 斜井、XJ4 斜井進(jìn)入各中段運(yùn)輸大巷，由各中段運(yùn)輸大巷至各工作面。東、西部各中段工作面污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)天井在15 平匯合，再由集中回風(fēng)斜井排出地表。礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖4 所示。

圖4 湖南某銻礦通風(fēng)系統(tǒng)示意Fig.4 Ventilation system＇s schematic diagram of an antimony mine in Hunan

該礦井井下熱害嚴(yán)重，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，部分采場(chǎng)溫度達(dá)到33.7 ℃、掘進(jìn)工作面溫度達(dá)到34.5 ℃、機(jī)電硐室溫度超過35 ℃，超過“規(guī)程”對(duì)采掘作業(yè)地點(diǎn)氣象條件的規(guī)定，礦井需進(jìn)行熱害治理。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、控制井下熱源散熱和改進(jìn)采礦方法等非機(jī)械制冷降溫措施的基礎(chǔ)上，將降溫風(fēng)量計(jì)算模型應(yīng)用于該礦山，計(jì)算礦井的降溫風(fēng)量。

5.1 礦井概況及需風(fēng)量計(jì)算

該銻礦需風(fēng)場(chǎng)所和數(shù)量如表2 所示。按礦井傳統(tǒng)需風(fēng)量計(jì)算法計(jì)算礦井需風(fēng)量，結(jié)果如表2，礦井的總需風(fēng)量為53.92 m3/s。

表2 湖南某銻礦需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果Table 2 The calculation results of demanded air flow of a certain antimony ore in Hunan

5.2 礦井降溫風(fēng)量計(jì)算

該礦山東、西兩翼設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力相同，需風(fēng)場(chǎng)所數(shù)量基本相同，兩翼需風(fēng)量相同。西部開采深度更深，熱害更嚴(yán)重，主要風(fēng)流路線選擇西部的主要風(fēng)流路線。回采工作面主要風(fēng)流路線:明斜井—XJ3 斜井—XJ5 斜井(1)—XJ5 斜井(2)—22 平運(yùn)輸巷—22平采場(chǎng)。掘進(jìn)工作面主要風(fēng)流路線:明斜井—XJ3 斜井—XJ5 斜井(1)—XJ5 斜井(2)—XJ5 斜井(3)—23平運(yùn)輸巷—23 平掘進(jìn)工作面。

沿以上2 條主要風(fēng)流路線逐條分析井巷熱源，計(jì)算出各條井巷各熱源放熱量;逐條井巷列出熱平衡方程，計(jì)算出回采工作面和掘進(jìn)工作面的干球溫度;按步長(zhǎng)s=0.1 m3/s 增加其需風(fēng)量(后兩步的部長(zhǎng)為0.5 m3/s)，重復(fù)計(jì)算出回采工作面和掘進(jìn)工作面不同風(fēng)量情況下的干球溫度，計(jì)算結(jié)果繪制成曲線如圖5、圖6。

圖5 回采工作面干球溫度隨風(fēng)量增加的變化曲線Fig.5 The Variation curve of dry bulb temperature at working face with air flow increase

圖6 掘進(jìn)工作面干球溫度隨風(fēng)量增加的變化曲線Fig.6 The Variation curve of dry bulb temperature at tunneling with air flow increase

可知:干球溫度隨風(fēng)量增加而減小，一定范圍內(nèi)，降溫效果明顯，風(fēng)量增加到一定程度后，降溫效果差?；夭晒ぷ髅嬗?jì)算11 步后(風(fēng)量大于2.48 m3/s)，風(fēng)流干球溫度低于28 ℃，掘進(jìn)工作面計(jì)算12 步后(風(fēng)量大于2.65 m3/s)，風(fēng)流干球溫度低于28 ℃，且都在增加風(fēng)量降溫效果明顯范圍內(nèi)。因此，該礦可以通過適當(dāng)增加風(fēng)量達(dá)到降溫的效果，回采工作面和掘進(jìn)工作面降溫風(fēng)量取第12 步的風(fēng)量，分別為Gs=2.58 m3/s、Gd=2.65 m3/s。由分項(xiàng)計(jì)算風(fēng)量法計(jì)算得全礦降溫風(fēng)量Gt=78.88 m3/s。

6 結(jié) 論

(1)分析總結(jié)傳統(tǒng)的礦井需風(fēng)量計(jì)算方法、礦井熱交換原理、礦井熱源調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法，結(jié)合這3 方面理論基礎(chǔ)，針對(duì)金屬非金屬礦山回采工作面、掘進(jìn)工作面熱害特點(diǎn)，提出了礦井降溫風(fēng)量計(jì)算模型。

(2)將礦井降溫風(fēng)量計(jì)算模型應(yīng)用于湖南某銻礦降溫風(fēng)量計(jì)算，得出回采工作降溫風(fēng)量為2.58 m3/s、掘進(jìn)工作降溫風(fēng)量為2.65 m3/s、全礦降溫風(fēng)量為78.88 m3/s。

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