按需通風(fēng)技術(shù)在某礦山工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

葛啟發(fā)， 于潤(rùn)滄， 朱維根， 陳慶剛， 梁新民

(1.北京科技大學(xué)， 北京 100083; 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

按需通風(fēng)技術(shù)在某礦山工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

葛啟發(fā)1,2， 于潤(rùn)滄1,2， 朱維根2， 陳慶剛2， 梁新民2

(1.北京科技大學(xué)， 北京 100083; 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

按需通風(fēng)(VOD)技術(shù)從井下風(fēng)量“供需平衡”出發(fā)，在礦山通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制中，采用最小的通風(fēng)成本，最大限度地改善井下工作環(huán)境。本文以某銅礦山為工程背景，從通風(fēng)計(jì)劃、通風(fēng)設(shè)備、人員定位、風(fēng)流監(jiān)測(cè)和按需通風(fēng)控制管理系統(tǒng)等方面對(duì)整個(gè)礦山的按需通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并運(yùn)用三維通風(fēng)仿真軟件Ventsim VisualTM對(duì)全礦區(qū)域通風(fēng)方案進(jìn)行模擬比較，分析其節(jié)能效果。與傳統(tǒng)通風(fēng)方案相比，按需通風(fēng)技術(shù)對(duì)于改善井下作業(yè)環(huán)境、降低風(fēng)機(jī)能耗和通風(fēng)及預(yù)熱成本效果顯著，具有很好的推廣性。

按需通風(fēng)； 通風(fēng)成本； 三維通風(fēng)仿真模擬； 礦井預(yù)熱

1 概述

目前國(guó)內(nèi)外礦山經(jīng)過(guò)多年的開采，淺部資源逐步消耗殆盡，隨著礦山開采強(qiáng)度的加大和開采深度的增加，井下工作環(huán)境惡化、通風(fēng)系統(tǒng)管理復(fù)雜、風(fēng)量分配不合理等問(wèn)題愈加嚴(yán)重，通風(fēng)能耗成本急劇增加。通常情況下，通風(fēng)能耗會(huì)占到整個(gè)礦井能耗的30%～50%，甚至更高。如何保證深井礦山安全高效生產(chǎn)、通風(fēng)節(jié)能已成為礦山企業(yè)面臨的一個(gè)重要課題[1,7-9]。

20世紀(jì)末期，按需通風(fēng)(Ventilation on Demand，VOD)概念逐步引入礦山通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制中，其目的是用最小的通風(fēng)成本、最大限度地保護(hù)井下工作環(huán)境和工人身心健康。早在1995年，加拿大部分礦井通風(fēng)研究認(rèn)為，通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化(MVO)是減少能源消耗、提高礦井空氣質(zhì)量、改善作業(yè)環(huán)境的有效途徑，而VOD是實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)的關(guān)鍵一步。1998年以來(lái)， VOD技術(shù)已在挪威、瑞士等歐洲的國(guó)家高速公路和火車隧道通風(fēng)中得到廣泛應(yīng)用；2002年，INCO公司的加拿大Creghton礦引入按需通風(fēng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦山13臺(tái)主扇、200臺(tái)輔扇的智能控制；期間瑞典波利登礦產(chǎn)公司(Boliden Mineral AB)在Laiswall鉛鋅礦安裝了一套PowerVent計(jì)算機(jī)輔助全礦通風(fēng)控制系統(tǒng)，在地面通過(guò)專用軟件直接控制與監(jiān)視全部風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，實(shí)踐表明按需通風(fēng)在保障井下作業(yè)安全的情況下，比傳統(tǒng)通風(fēng)方式降低電耗1/3[3-6]。2000年之后，我國(guó)在礦山智能通風(fēng)的研究取得了一定成果，但只是開展了局部通風(fēng)或通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的優(yōu)化的工作，尚未實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)- 自動(dòng)運(yùn)算- 自動(dòng)控制，即未實(shí)現(xiàn)全礦通風(fēng)系統(tǒng)的按需通風(fēng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[8-10]。

2 工程概況

某銅礦為特大型筒狀斑巖銅礦床，礦山地勢(shì)總體較高，海拔3 600～4 500 m。4 200 m以下為高山森林區(qū)，4 200 m以上為高山草甸區(qū)，屬寒溫帶氣候，年平均氣溫4 ℃，最熱月平均氣溫10 ℃，最冷月平均氣溫-8 ℃，年降雨量619.9 mm，5～9月為雨季。礦床埋藏標(biāo)高為3 200～4 000 m，垂深17.0～750 m，長(zhǎng)約1 600 m，遠(yuǎn)景銅金屬儲(chǔ)量430萬(wàn)t。一期工程開采3 720 m標(biāo)高以上KT1主礦體，中部厚大、品位高，向四周厚度逐漸變薄、銅品位逐漸變低。該礦采用平硐開拓膠帶運(yùn)輸，中段采用有軌運(yùn)輸，自然崩落法開采，設(shè)計(jì)開采規(guī)模為1 250萬(wàn)t/a?；ㄩ_拓3 720 m中段負(fù)責(zé)3 720 m以上礦體，采用自然崩落法單中段回采。3 720 m中段設(shè)有4個(gè)主要水平，從下至上分別為3 660 m有軌運(yùn)輸水平、3 700 m回風(fēng)水平、3 720 m出礦水平、3 736 m拉底水平[2]。

根據(jù)該礦通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，為滿足按需通風(fēng)要求，設(shè)計(jì)采用多級(jí)機(jī)站通風(fēng)方式，總需風(fēng)量為650 m3/s。新鮮風(fēng)流經(jīng)3 850 m進(jìn)風(fēng)平硐、3 600 m進(jìn)風(fēng)平硐、3 660 m有軌運(yùn)輸平硐和3 720 m無(wú)軌平硐進(jìn)入井下，由輔扇和通風(fēng)構(gòu)筑物負(fù)責(zé)分配風(fēng)流，污風(fēng)經(jīng)3 700 m回風(fēng)平硐、南回風(fēng)井和3 540 m膠帶運(yùn)輸平硐排出地表。

該銅礦的通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

3 按需通風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 按需通風(fēng)調(diào)控技術(shù)

按需通風(fēng)系統(tǒng)能夠最大限度地保證向井下連續(xù)輸送必要數(shù)量的新鮮空氣，稀釋并排除有毒有害氣體和礦塵，為井下員工創(chuàng)造安全舒適的工作環(huán)境。井下的傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人員設(shè)備定位信息經(jīng)井下通信系統(tǒng)傳到地表VOD控制處理系統(tǒng)，通過(guò)比較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)流和模擬風(fēng)流之間的誤差，依據(jù)通風(fēng)計(jì)劃，遠(yuǎn)程調(diào)整和控制對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)和通風(fēng)構(gòu)筑物的狀態(tài)，從而滿足井下安全作業(yè)需求。按需通風(fēng)系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 按需通風(fēng)系統(tǒng)工作流程圖

該銅礦實(shí)現(xiàn)全礦區(qū)按需通風(fēng)主要是通過(guò)變頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)主扇和輔扇，調(diào)整通風(fēng)構(gòu)筑物的開關(guān)狀態(tài)以及通風(fēng)面積實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)制定的通風(fēng)計(jì)劃，在滿足井下所需風(fēng)量和工作環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)的前提下，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化主扇、輔扇和通風(fēng)構(gòu)筑物的參數(shù)，達(dá)到最佳的礦井通風(fēng)特性曲線(阻力曲線)和通風(fēng)系統(tǒng)能量消耗的最小化。智能局扇控制系統(tǒng)也是按需通風(fēng)的重要組成部分之一，該系統(tǒng)將智能控制箱集成于局扇風(fēng)機(jī)本體上，通過(guò)控制通風(fēng)構(gòu)筑物的開關(guān)狀態(tài)、通風(fēng)面積以及局扇的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，在設(shè)備或人員進(jìn)入工作面時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉局扇。

井下環(huán)境參數(shù)主要為風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓、溫度、粉塵濃度和有毒有害氣體濃度等，是影響井下風(fēng)流分配的另一個(gè)關(guān)鍵因素。傳感器將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)送至監(jiān)控分站，監(jiān)控分站將接收的電信號(hào)以CAN總線的形式傳輸至交換機(jī)，信號(hào)進(jìn)入交換機(jī)后通過(guò)光纜送至井上按需通風(fēng)控制管理系統(tǒng)。

該控制系統(tǒng)分為自動(dòng)和人工兩種模式，對(duì)從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接收的信息進(jìn)行處理，并依據(jù)通風(fēng)計(jì)劃發(fā)出指令，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和控制各個(gè)風(fēng)機(jī)、通風(fēng)構(gòu)筑物，使其滿足工作面所需的風(fēng)量，保證井下作業(yè)安全，降低通風(fēng)能耗。

3.2 基于生產(chǎn)計(jì)劃的按需通風(fēng)方案

根據(jù)礦山回采工藝和生產(chǎn)計(jì)劃安排，為了更好地表達(dá)該礦正常工作日礦井的需風(fēng)狀態(tài)，依照正常工作制度，礦山生產(chǎn)能力與人員、設(shè)備和作業(yè)點(diǎn)按時(shí)間節(jié)點(diǎn)匹配，具體見(jiàn)表1所示。

表1 正常工作日礦井作業(yè)需風(fēng)點(diǎn)計(jì)劃表

通過(guò)對(duì)每天工作時(shí)序的設(shè)備、人員工作狀態(tài)進(jìn)行分析，滿足礦山安全規(guī)程的要求，以安全、高效通風(fēng)為原則，對(duì)作業(yè)點(diǎn)需風(fēng)量進(jìn)行風(fēng)量核算。通過(guò)針對(duì)礦山全天作業(yè)工序?qū)嶋H運(yùn)行狀況仿真進(jìn)行需風(fēng)量統(tǒng)計(jì)，該礦通風(fēng)可劃分為全負(fù)荷、正常負(fù)荷、一般負(fù)荷和輕負(fù)荷4種工況條件。

(1)全負(fù)荷工況：3 736 m中段3個(gè)拉底鑿巖工作面，3 720 m中段16個(gè)出礦作業(yè)面，3 660 m中段6列車運(yùn)行，總需風(fēng)量650 m3/s，時(shí)間2 h，占比8%；

(2)正常負(fù)荷工況：3 736 m中段2個(gè)拉底鑿巖工作面，3 720 m中段16個(gè)出礦作業(yè)面，3 660 m中段6列車運(yùn)行，總需風(fēng)量560 m3/s，時(shí)間12 h，占比50%；

(3)一般負(fù)荷工況：3 736 m中段1個(gè)拉底鑿巖工作面，3 720 m中段12個(gè)出礦作業(yè)面，3 660 m中段4列車運(yùn)行，總需風(fēng)量450 m3/s，時(shí)間6 h，占比25%；

(4)輕負(fù)荷工況：3 736 m中段1個(gè)拉底鑿巖工作面，3 720 m中段6個(gè)出礦作業(yè)面，3 660 m中段1列車運(yùn)行或停車檢修，總需風(fēng)量300 m3/s，時(shí)間4 h，占比17%。

3.3 按需供熱方案

由于礦區(qū)所在區(qū)域環(huán)保要求高，且無(wú)煤、燃油等能源條件，可供使用的能源僅有電能。礦區(qū)處于高寒地區(qū)，供暖期長(zhǎng)達(dá)179 d，寒冷漫長(zhǎng)。根據(jù)安全規(guī)程的要求，需要將進(jìn)風(fēng)溫度加熱至2 ℃以上，通過(guò)進(jìn)風(fēng)量計(jì)算，井口預(yù)熱熱負(fù)荷高達(dá)11 900 kW，若依靠電能加熱能耗及運(yùn)行成本過(guò)高，故計(jì)劃采用空氣源熱泵機(jī)組回收回風(fēng)平硐的回風(fēng)余熱預(yù)熱進(jìn)風(fēng)平硐進(jìn)風(fēng)的方案[2]。根據(jù)該礦的實(shí)際情況，3 600 m進(jìn)風(fēng)平硐與3 700 m回風(fēng)平硐結(jié)合形成一套獨(dú)立的熱泵預(yù)熱系統(tǒng)；3 850 m進(jìn)風(fēng)平硐與南回風(fēng)井結(jié)合形成一套獨(dú)立的熱泵預(yù)熱系統(tǒng)，其余3 720 m和3 660 m平硐進(jìn)風(fēng)采用電加熱。按需通風(fēng)與供熱風(fēng)量分配見(jiàn)表2。

表2 按需通風(fēng)與供熱風(fēng)量分配

4 按需通風(fēng)系統(tǒng)仿真與節(jié)能效果分析

4.1 三維通風(fēng)系統(tǒng)仿真

Ventsim VisualTM軟件提供了一個(gè)用于分析風(fēng)流模擬、熱模擬、污染物模擬和通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性的集成工具箱，可以在同一時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)模擬多參數(shù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，與外部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連接，實(shí)時(shí)顯示和自動(dòng)校核。

根據(jù)按需通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，為保障作業(yè)用風(fēng)點(diǎn)合理分風(fēng)、節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)作業(yè)面“按需通風(fēng)”，采用多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)，共設(shè)三級(jí)機(jī)站，其中Ⅰ級(jí)機(jī)站位于3 600 m進(jìn)風(fēng)平硐和3 850 m進(jìn)風(fēng)平硐內(nèi)，Ⅱ級(jí)機(jī)站位于3 700 m回風(fēng)水平采場(chǎng)回風(fēng)天井聯(lián)絡(luò)道，Ⅲ級(jí)機(jī)站位于3 700 m回風(fēng)平硐和南回風(fēng)井3 700 m石門內(nèi)，采用壓抽結(jié)合的混合式通風(fēng)方式。各風(fēng)機(jī)站內(nèi)風(fēng)機(jī)均要求變頻，各機(jī)站在不同工況條件下的運(yùn)行負(fù)荷見(jiàn)表3。

表3 主要風(fēng)機(jī)各種工況運(yùn)行負(fù)荷

在Ventsim VisualTM軟件中，將風(fēng)機(jī)參數(shù)、通風(fēng)構(gòu)筑物、監(jiān)測(cè)點(diǎn)與礦山實(shí)際進(jìn)行設(shè)置，對(duì)各種工況條件進(jìn)行模擬分析，通風(fēng)仿真結(jié)果見(jiàn)圖3。

4.2 按需通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能效果分析

通過(guò)采用按需通風(fēng)控制系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，風(fēng)機(jī)的軸功率降低，電動(dòng)機(jī)輸出功率降低，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)。根據(jù)軟件仿真結(jié)果，風(fēng)機(jī)功耗成本取0.5元/kWh，各工況點(diǎn)年功耗成本如表4所示。

圖3 不同工況條件的三維仿真

項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)工況1工況2工況3工況4合計(jì)礦井通風(fēng)工況點(diǎn)年功耗成本/萬(wàn)元107662730581時(shí)間比例/%8502517礦山年功耗成本/萬(wàn)元863137614489預(yù)熱礦山年功耗成本/萬(wàn)元351757137318

根據(jù)全礦區(qū)域內(nèi)的各中段工作量實(shí)時(shí)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在滿足風(fēng)量要求的情況下，風(fēng)機(jī)的年功耗成本隨著風(fēng)量減少逐漸降低。如果該銅礦全年采取650 m3/s的固定風(fēng)量，則礦山的年功耗成本為1 076萬(wàn)元，而采用按需通風(fēng)，年功耗成本為489萬(wàn)元，每年節(jié)省587萬(wàn)元，僅為固定風(fēng)量通風(fēng)方式的45%。同時(shí)按需通風(fēng)對(duì)于改善作業(yè)環(huán)境、提高通風(fēng)效率均有很好的作用。

對(duì)于高寒地區(qū)的礦山，采用按需通風(fēng)系統(tǒng)后，不但能夠降低礦井通風(fēng)能耗，而且由于進(jìn)風(fēng)總量減少，也減少了通風(fēng)預(yù)熱的能耗。初步估算，礦山采用傳統(tǒng)預(yù)熱方式的電耗為437萬(wàn)元/a，而采用按需預(yù)熱方式的電耗為318萬(wàn)元/a，節(jié)約運(yùn)營(yíng)費(fèi)用119萬(wàn)元/a，與傳統(tǒng)預(yù)熱方式相比，每年節(jié)電約27%。

因此，采用按需通風(fēng)技術(shù)，每年可為礦山節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用706萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

5 結(jié)論

結(jié)合礦山的通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)，在礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)中采用按需通風(fēng)(VOD)新技術(shù)，并利用Ventsim VisualTM三維仿真軟件對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和初步探討，得出以下結(jié)論：

(1)合理利用按需通風(fēng)系統(tǒng)，能夠?yàn)榈V山節(jié)省大量的通風(fēng)能耗，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益，每年至少減少電耗50%以上?？膳c按需供熱相結(jié)合，節(jié)能效果相當(dāng)可觀，并且有利于通風(fēng)質(zhì)量和通風(fēng)效率的提高；

(2)按需通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，礦山可以建立完善的監(jiān)控和信息系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際分步實(shí)施，逐步實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，達(dá)到自動(dòng)適應(yīng)礦山通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的目的；

(3)該VOD關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于新建礦山和舊礦山的通風(fēng)系統(tǒng)升級(jí)改造與優(yōu)化，具有很好的推廣性。

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ApplicationofVODventilationnewtechnologyinamineproject

GE Qi-fa, YU Run-cang, ZHU Wei-gen, CHEN Qing-gang , LIANG Xin-min

Based on the principle of demand-supply balance of underground air volume, VOD (Ventilation-On-Demand) technology is used in the design and control of mine ventilation system which can minimize the ventilation costs and improve the underground working environment maximumly. A copper mine is used as an engineering study case in this paper, and the Ventilation-On-Demand system of the whole mine is introduced, including the ventilation planning, ventilation equipment, personnel positioning and identification system, air flow measurement, control system and VOD control management system, and then the energy saving effect of different ventilation schemes are respectively simulated by using three-dimensional ventilation simulation software Ventsim VisualTM. The simulation results show that VOD technology compared with the traditional ventilation system could improve the underground operating environment, reduce the fan and air preheating energy consumption remarkably, so the technology has a well promotion prospect.

VOD (Ventilation-On-Demand); ventilation costs; three-dimensional ventilation simulation; shaft air preheating

TD724

B

1672-6103(2017)06-0058-06

國(guó)家安監(jiān)總局安全科技“四個(gè)一批”項(xiàng)目(安監(jiān)總廳科技[2012]142號(hào))——超大規(guī)模超深井金屬礦山開采安全關(guān)鍵技術(shù)研究。

葛啟發(fā)(1980—)， 男， 博士研究生， 主要從事礦山設(shè)計(jì)與咨詢、深井大規(guī)模礦山安全與通風(fēng)技術(shù)研究。

2017-10-23