某金礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造研究

肖利民，易善華

（長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長沙 410012）

某金礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造研究

肖利民，易善華

（長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長沙 410012）

摘 要：針對某金礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，提出了對應(yīng)的優(yōu)化改造方案，應(yīng)用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序?qū)Ω脑旌蟮耐L(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，改造后的通風(fēng)系統(tǒng)兼顧考慮了礦山未來發(fā)展的需要，同時(shí)節(jié)約了能源，提高了礦山經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)水平。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)系統(tǒng)；優(yōu)化；網(wǎng)絡(luò)解算

1 礦山概況

目前，某金礦采礦生產(chǎn)能力為2500 t/d。該礦現(xiàn)采用主、副豎井+輔助斜坡道開拓，中段主要采用柴油無軌設(shè)備運(yùn)輸。開采對象主要為70號礦脈，現(xiàn)開采中段有1264，1224，1184，1136m四個中段。礦井現(xiàn)主要利用風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，副井及輔助斜坡道輔助進(jìn)風(fēng)，采用1520m回風(fēng)平硐回風(fēng)。通風(fēng)方式為單翼對角抽出式，設(shè)計(jì)礦井總需風(fēng)量為150m3/s。1466m回風(fēng)平巷內(nèi)現(xiàn)安裝有1臺DK62（A）-10-No30型礦用對旋軸流通風(fēng)機(jī)，電動機(jī)功率2×400 kW。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題

經(jīng)該礦山現(xiàn)場調(diào)查和分析，其通風(fēng)系統(tǒng)目前主要存在以下4個方面的問題。

（1）該礦現(xiàn)有的DK62（A）-10-No30型主扇有1臺電動機(jī)已損壞，目前為單電動機(jī)運(yùn)行，經(jīng)測定，礦井總回風(fēng)量為79.62m3/s，年產(chǎn)萬噸耗風(fēng)量僅0.97m3/s。故該礦井供風(fēng)量嚴(yán)重不足，且井下運(yùn)行的柴油設(shè)備較多，柴油設(shè)備尾氣、炮煙、粉塵等無法及時(shí)得到稀釋和排出，導(dǎo)致井下大部分工作面空氣質(zhì)量較差，威脅工人健康。

（2）礦山反映現(xiàn)有的DK62（A）-10-No30型主扇電動機(jī)損壞過多次，每次更換電動機(jī)需暫停主扇，且電動機(jī)更換不方便，影響礦山正常生產(chǎn)。經(jīng)初步分析，其電動機(jī)損壞的原因可能有：主扇與電動機(jī)不配套，導(dǎo)致電動機(jī)過載；該型號主扇原配電動機(jī)為2 ×450 kW，礦山實(shí)際安裝的為2×400 kW；電動機(jī)防護(hù)等級過低，井下柴油設(shè)備尾氣對電動機(jī)造成腐蝕；主扇每次開啟時(shí)，未按要求逐級啟動I級、II級電動機(jī)或在未關(guān)閉電動蝶閥的情況啟動電動機(jī)。

（3）礦井大部分回風(fēng)斜井實(shí)測斷面積為7.8～12m2，回風(fēng)巷道斷面過小，致使該礦回風(fēng)段通風(fēng)阻力過大，通風(fēng)能力受到限制。經(jīng)按礦井總回風(fēng)量150m3/s計(jì)算，礦井通風(fēng)總阻力達(dá)到3200 Pa。按此回風(fēng)量和礦井通風(fēng)總阻力初選風(fēng)機(jī)，至少需選用功率為2×560 kW的主扇，主扇工況點(diǎn)軸功率達(dá)到1007 kW。

（4）該礦山開采至今，70號礦脈已處于開采后期，現(xiàn)礦山擬開采2礦帶。2礦帶位于70號脈南側(cè)，兩礦帶邊界相距約400m。礦山現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)尚未考慮2礦帶。因此，需對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，以滿足2礦帶開采通風(fēng)需要。

鑒于該礦山通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，并結(jié)合礦山現(xiàn)狀和未來發(fā)展需要，現(xiàn)階段亟需對該礦山通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，從而為井下作業(yè)人員提供一個良好的作業(yè)環(huán)境，并滿足礦山井下安全生產(chǎn)需要。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造研究

在構(gòu)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵循技術(shù)效果良好、運(yùn)行安全可靠、基建費(fèi)用和經(jīng)營費(fèi)用低，以及便于管理的原則［1-2］。本次研究將依據(jù)上述原則擬定本次通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案。

3.1通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案的確定

經(jīng)對本礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在問題的分析，本次通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造推薦方案為：更換主扇+回風(fēng)斜井?dāng)U幫+新掘2礦帶穿脈聯(lián)絡(luò)巷。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造主要從以下4個方面著手。

（1）增大礦井總回風(fēng)量，使之達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)量值。要增大礦井總回風(fēng)量，就必須解決主扇問題?？紤]到礦山現(xiàn)有DK62（A）-10-No30型主扇電動機(jī)經(jīng)常損壞，且電動機(jī)功率與主扇不配套等問題。本次推薦在1466m回風(fēng)中段另選一條回風(fēng)巷道，并重新選配1臺DK62（A）-10-No30型主扇，采用配套的2× 450 kW電動機(jī)，電動機(jī)防護(hù)等級采用IP55。

（2）減少礦井回風(fēng)段通風(fēng)阻力。要減少礦井回風(fēng)段通風(fēng)阻力，可通過刷大回風(fēng)巷道斷面、增加并聯(lián)回風(fēng)巷道的方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)礦山井下實(shí)際情況，在1344，1390m中段分別清理出一條原采場回風(fēng)天井，與現(xiàn)有的中段回風(fēng)斜井形成并聯(lián)風(fēng)路。主要回風(fēng)井巷最佳風(fēng)速可取6～8m/s，一般不應(yīng)超過10m/s［3］。同時(shí)考慮井巷刷幫費(fèi)用相對掘進(jìn)要低，經(jīng)綜合考慮，本次建議將1184～1466m標(biāo)高間的主要回風(fēng)斜井?dāng)嗝嫠⒋笾?0m2，需刷大的回風(fēng)斜井總長517m。

（3）擬開采的2礦帶最低中段為944m，最上一個為1390m回風(fēng)中段。為解決2礦帶進(jìn)、回風(fēng)問題，研究考慮在1184～1390m的各中段分別從70號脈選擇一條靠近2礦帶的穿脈巷道，并掘進(jìn)至2礦帶的沿脈平巷。這樣2礦帶1184m及以上各中段均可通過兩礦帶間的穿脈聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)風(fēng)，利用1390m中段的穿脈聯(lián)絡(luò)巷回風(fēng)。根據(jù)礦山規(guī)劃，2礦帶1184m以下的開拓系統(tǒng)擬采用延伸斜坡道+輔助斜井開拓。因此，2礦帶1184m以下各中段進(jìn)風(fēng)可利用斜坡道、輔助斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)則通過各中段倒段回風(fēng)斜井回至1390m回風(fēng)中段，再通過1390m回風(fēng)巷道匯集到總回風(fēng)斜井。

（4）為提高主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全可靠性，建議在礦山建立主通風(fēng)機(jī)在線測控系統(tǒng)［4-6］。通過在線測控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)、電機(jī)的電氣參數(shù)、軸承溫度、電機(jī)振動等，并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、報(bào)表管理、性能測試、遠(yuǎn)程通信。礦山安全管理人員可在生產(chǎn)過程中隨時(shí)掌握通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而保證主通風(fēng)機(jī)安全可靠的運(yùn)行。

改造后的通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　某金礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造后通風(fēng)系統(tǒng)3D模擬圖

3.2通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造后通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算

利用計(jì)算機(jī)軟件解算礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的模擬仿真，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案優(yōu)化、礦井通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)改造提供技術(shù)支持。為檢驗(yàn)本次推薦的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案的可行性，最便捷有效的方法就是對改造后的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，從而檢驗(yàn)礦井通風(fēng)總阻力下降情況和礦井風(fēng)量分配情況。

本次通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算主要采用Hardy-Cross算法進(jìn)行迭代計(jì)算。采用Hardy-Cross迭代法求解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)質(zhì)是：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各分支風(fēng)道的初擬風(fēng)量，近似的求出各回路風(fēng)量的增量ΔQk，并作為校正值，分別對回路中分支的風(fēng)量進(jìn)行校正。迭代計(jì)算，直到校正值ΔQk滿足預(yù)先給定的精度為止。為提高迭代的收斂速度，計(jì)算時(shí)對Hardy-Cross迭代法施加Gausscide技巧［7-8］。

計(jì)算機(jī)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算步驟如下：

（1）初始化參數(shù)；

（2）創(chuàng)建通風(fēng)巷道；

（3）編輯巷道參數(shù)；

（4）檢查通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)；

（5）通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)迭代計(jì)算；

（6）風(fēng)量調(diào)節(jié)；

（7）解算結(jié)果顯示；

（8）通風(fēng)解算報(bào)告輸出。

通過對改造后的礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算，得出改造后礦井通風(fēng)總阻力H=2272.17 Pa。選配DK62（A）-10-No30型軸流通風(fēng)機(jī) 1臺，配YB630S-10型電機(jī)（IP55）1組，功率2×450 kW，轉(zhuǎn)速 590 r/min。風(fēng)機(jī)工況點(diǎn) Q=166m3/s，H= 2451.62，α=40°，η=75%，軸功率N=665 kW。另備用同型號電機(jī)1臺。

3.3通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造前后對比分析

（1）改造后的通風(fēng)系統(tǒng)兼顧考慮了2礦帶和70號脈同時(shí)開采通風(fēng)的需要。

（2）改造后的礦井通風(fēng)總阻力較改造前的有大幅度降低。改造后的礦井通風(fēng)總阻力較改造前降低了927.83 Pa，對應(yīng)設(shè)計(jì)需要的主扇工況點(diǎn)軸功率降低了342 kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于改造前的。如按照主扇工作時(shí)長計(jì)算耗電量，即330 d/a，24 h/d的工作制度，礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造后較改造前每年可節(jié)約電耗約270.86×104kW·h，其間接產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

（3）本次重新選配了電機(jī)防護(hù)等級較高的主扇，不但使礦井總回風(fēng)量達(dá)到了設(shè)計(jì)風(fēng)量值，確保了井下生產(chǎn)安全，且提高了主扇電機(jī)的安全防護(hù)性能。通過建立主通風(fēng)機(jī)在線測控系統(tǒng)，提高了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全可靠性。

4 結(jié) 論

針對某金礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，提出了對應(yīng)的優(yōu)化改造方案。應(yīng)用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序?qū)Ω脑旌蟮耐L(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，改造后的礦井通風(fēng)系統(tǒng)兼顧考慮了礦山未來發(fā)展的需要，同時(shí)降低了礦井通風(fēng)總阻力，節(jié)約了能源，提高了礦山經(jīng)濟(jì)效益、安全生產(chǎn)水平及自動化水平。本次研究對同類礦山通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

［1]胡漢華.礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)——原理、方法與實(shí)例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2]王德明.礦井通風(fēng)與安全［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2012：158.

［3]AQ 2003.1-2008.金屬非金屬地下礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范［S］.

［4]趙 濤.基于OPC和PLC的煤礦主扇風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.

［5]AQ 2031-2011.金屬非金屬地下礦山監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范［S］.

［6]司俊鴻.礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流參數(shù)動態(tài)監(jiān)測及風(fēng)量調(diào)節(jié)優(yōu)化［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2012.

［7]吳 超.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2008：135.

［8]支學(xué)藝，何錦龍，張紅嬰.礦井通風(fēng)與防塵［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出發(fā)版，2009：137-150.

收稿日期：（2016-03-28）

作者簡介：肖利民（1982-），男，湖南衡陽人，工程師，主要從事礦井通風(fēng)與安全設(shè)計(jì)及研究工作，Email：Xiao-cimr@foxmail.com。