金屬礦分區(qū)接力通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳紅斌

（太鋼集團(tuán)代縣礦業(yè)有限公司，山西 忻州 034000）

礦產(chǎn)資源開發(fā)是人類生存以及社會(huì)發(fā)展的重要活動(dòng)之一，當(dāng)前在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中有超過三分之二的能源與原材料均是依賴于礦產(chǎn)資源的開發(fā)。因此，礦產(chǎn)資源的開發(fā)在人類經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中占據(jù)著十分重要的地位，而金屬礦產(chǎn)資源的開采是當(dāng)前生產(chǎn)工業(yè)原材料的基礎(chǔ)工業(yè)活動(dòng)。針對(duì)礦井的通風(fēng)環(huán)節(jié)是保證作業(yè)人員在井下施工安全的前提，其主要作用是將地面新鮮的空氣源源不斷地輸送到礦井下的各個(gè)施工場所，為作業(yè)人員提供充足的氧氣，并稀釋礦井中可能存在的有害氣體，保證作業(yè)環(huán)境的舒適度[1]。隨著地表金屬礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，所生資源日趨枯竭，金屬礦產(chǎn)資源開采逐漸向著更深的方向發(fā)展，但深部開采通風(fēng)存在線路長、通風(fēng)阻力大、礦源熱輻射高等問題，因此針對(duì)金屬礦的分區(qū)接力通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要。傳統(tǒng)金屬礦分區(qū)接力通風(fēng)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在總風(fēng)量與采掘面供風(fēng)量不足、風(fēng)流串聯(lián)使用次數(shù)較多等問題，容易造成開采地區(qū)礦塵濃度超標(biāo)，嚴(yán)重威脅金屬礦產(chǎn)資源開采的安全性和作業(yè)人員的身體健康?；诖?，本文開展金屬礦分區(qū)接力通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 金屬礦分區(qū)接力通風(fēng)系統(tǒng)硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 通風(fēng)機(jī)選型

針對(duì)金屬礦分區(qū)接力通風(fēng)需要，本文系統(tǒng)中的通風(fēng)機(jī)選用K50L系列礦用節(jié)能通風(fēng)機(jī)。K50L系列通風(fēng)機(jī)采用扭曲機(jī)翼葉片，與其它通風(fēng)機(jī)相比氣動(dòng)效率更高，節(jié)能效果更理想[2]。同時(shí)，該系列通風(fēng)機(jī)規(guī)格齊全，能夠與各類阻力和風(fēng)量類型的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)形成良好匹配，保證長期有效的運(yùn)轉(zhuǎn)。表1為K50L系列礦用節(jié)能通風(fēng)機(jī)不同機(jī)型編號(hào)與對(duì)應(yīng)參數(shù)。

表1 K50L系列通風(fēng)機(jī)不同機(jī)型編號(hào)與對(duì)應(yīng)參數(shù)表

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的需風(fēng)量，選擇K50L系列對(duì)應(yīng)機(jī)型編號(hào)的通風(fēng)機(jī)，可以達(dá)到事半功倍的效果。多臺(tái)通風(fēng)機(jī)以串并聯(lián)的形式連接，形成緊湊的通風(fēng)機(jī)組結(jié)構(gòu)。

1.2 測定設(shè)備選型

本文金屬礦分區(qū)接力通風(fēng)系統(tǒng)除上述通風(fēng)機(jī)外，還需要一系列相關(guān)測定設(shè)備。選用DJS-42通風(fēng)多參數(shù)檢測設(shè)備，對(duì)金屬礦中的大氣壓力、風(fēng)速、差壓、濕度和溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測DJS-42型號(hào)通風(fēng)多參數(shù)檢測設(shè)備的測量范圍內(nèi)為：450.00hPa～13500.00hPa大氣壓力，精度為±25Pa；0.15m/s～18.5m/s風(fēng)速，精度為±0.05m/s；-750.00hPa～750.00hPa差壓，精度為±25Pa；0～95%RH濕度，精度為±2.5%RH；-15℃～45℃溫度，精度為±0.5℃。再選用型號(hào)為DS6A多參數(shù)氣體測定器，對(duì)金屬礦中的氧氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等氣體進(jìn)行檢測。選用SJ-SHIC500手持式PM2.5測量設(shè)備金屬礦空氣中的可吸入顆粒物和可入肺顆粒物進(jìn)行檢測。除此之外，還需要滑尺、皮尺、U型管、皮管、畢托管等測量設(shè)備，對(duì)金屬礦中的各變化參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2 金屬礦分區(qū)接力通風(fēng)系統(tǒng)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 金屬礦分區(qū)開采需風(fēng)量計(jì)算

金屬礦分區(qū)接力通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用主要目的是為了為礦井作業(yè)人員提供一定量的新鮮空氣，并將礦井中的有毒、有害氣體稀釋。

根據(jù)金屬礦開采的特點(diǎn)，全礦分區(qū)開采需風(fēng)量應(yīng)為工作面最大需風(fēng)量與各分區(qū)獨(dú)立通風(fēng)硐室最大需風(fēng)量之和，因此全礦總風(fēng)量可根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

公式（1）中，W表示為金屬礦全礦總需風(fēng)量；Ws表示為金屬礦回采工作面需風(fēng)量；Ws'表示為金屬礦備用回采工作面需風(fēng)量；Wi表示為金屬礦掘進(jìn)工作面需風(fēng)量，包括開拓階段和采切階段的挖進(jìn)；Wr表示為金屬礦要求獨(dú)立風(fēng)流通風(fēng)的硐室需風(fēng)量；WH表示為其他位置需風(fēng)量；δ表示為金屬礦礦井需風(fēng)量備用系數(shù)。在實(shí)際作業(yè)中，金屬礦分區(qū)開采需風(fēng)量會(huì)受到礦井地?zé)?、空氣絕熱自壓縮散熱以及礦井炸藥爆破時(shí)產(chǎn)生的熱量影響，造成最終分區(qū)開采內(nèi)部通風(fēng)量小于實(shí)際提供通風(fēng)量的問題，因此在實(shí)際通風(fēng)時(shí)要為分氣開采提供遠(yuǎn)大于需風(fēng)量的通風(fēng)量，防止通風(fēng)不充足造成負(fù)面影響。

2.2 變頻智能分區(qū)接力通風(fēng)控制

通過本文上述完成對(duì)金屬礦分區(qū)開采需風(fēng)量計(jì)算后，對(duì)金屬礦的變頻智能分區(qū)接力通風(fēng)進(jìn)行控制。不同區(qū)域的承擔(dān)處理增量值的計(jì)算公式為：

公式（2）中，ΔW表示為不同區(qū)域的承擔(dān)處理增量值；WT表示為實(shí)際輸出功率。根據(jù)上述功率增量計(jì)算公式，可進(jìn)行控制偏差值的分析，不根據(jù)不同區(qū)域需風(fēng)量差異，通過改變增量值，實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)域有效通風(fēng)控制。根據(jù)上述增量值計(jì)算結(jié)果，通過建立系統(tǒng)接力通風(fēng)控制目標(biāo)以及通風(fēng)線路，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬礦不同分區(qū)的接力通風(fēng)控制[3]。

首先，在本文系統(tǒng)內(nèi)傳遞的控制數(shù)據(jù)中進(jìn)行查詢，判斷是否存在異常數(shù)據(jù)；其次，再利用上述計(jì)算公式對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估；再其次，建立分區(qū)接力路徑與目標(biāo)數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)本文系統(tǒng)實(shí)時(shí)的通風(fēng)校正；最后，通過控制風(fēng)量輸送功率的數(shù)值變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬礦不同區(qū)域的高效率通風(fēng)。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

選取某地區(qū)復(fù)雜金屬礦作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將實(shí)驗(yàn)對(duì)象各參數(shù)輸入到三維通風(fēng)模擬軟件當(dāng)中，分別利用本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行通風(fēng)控制，并通過軟件對(duì)通風(fēng)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。由于在仿真金屬礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)分支在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的位置不同，進(jìn)而會(huì)對(duì)整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)造成影響。因此對(duì)于實(shí)驗(yàn)對(duì)象而言，其通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中井下的分支較多，若對(duì)所有分支均按照穩(wěn)定性的分析流程進(jìn)行計(jì)算，則會(huì)造成較大的工作量，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法進(jìn)行比較。因此，為了更加簡單、完整地對(duì)本文通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用性能進(jìn)行驗(yàn)證。本文選用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的重要分支進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通風(fēng)穩(wěn)定程度系數(shù)的計(jì)算公式為：

公式（3）中，η表示為通風(fēng)穩(wěn)定程度系數(shù)；w表示為在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中無風(fēng)阻變化時(shí)，某一重要分支的風(fēng)量；w'表示為在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中有風(fēng)阻變化時(shí)，某一重要分支的風(fēng)量。通過公式（3）計(jì)算得出的結(jié)果，數(shù)值越高，則表示該系統(tǒng)通風(fēng)越穩(wěn)定。反之，數(shù)值越低，則表示該系統(tǒng)通風(fēng)越不穩(wěn)定。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)公式（3）計(jì)算出，本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的通風(fēng)穩(wěn)定程度系數(shù)，將計(jì)算結(jié)果繪制成如圖1所示。

圖1 兩種通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)穩(wěn)定程度對(duì)比

由圖1中兩條曲線可以看出，本文系統(tǒng)的通風(fēng)穩(wěn)定程度系數(shù)明顯高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，并且，本文系統(tǒng)曲線整體更加平穩(wěn)，傳統(tǒng)系統(tǒng)曲線整體變化幅度較大，存在不穩(wěn)定問題。因此，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的金屬礦分區(qū)接力通風(fēng)系統(tǒng)在對(duì)不同分區(qū)、不同風(fēng)阻條件下，均能夠保持良好的通風(fēng)穩(wěn)定度，保證合理的采礦通風(fēng)環(huán)境，提高作業(yè)點(diǎn)的氣壓，緩解作業(yè)人員在金屬礦區(qū)采礦過程中的缺氧狀態(tài)，并將有毒、有害氣體稀釋，保證礦產(chǎn)開采作業(yè)的安全性。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)金屬礦作業(yè)特點(diǎn)以及風(fēng)量控制特征，提出一種全新的金屬礦分區(qū)接力通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可以為作業(yè)人員提供一定的安全保障。但由于金屬礦通風(fēng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之不同礦區(qū)存在不同的環(huán)境因素，導(dǎo)致研究中仍然存在某些方面的問題，例如在實(shí)際采礦中提高礦井空氣氣壓和氧分壓困難；數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中創(chuàng)新不足等問題。因此在后續(xù)的研究中還需要進(jìn)一步深化。