可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)在礦山溜井系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

蔣青山，郭家能，黎澤宇，彭 濤

（1.國(guó)家衛(wèi)生健康委粉塵危害工程防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100000；2.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；3.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

隨著礦山開采深度逐步加深，溜井高度不斷增加，原有通風(fēng)系統(tǒng)難以控制溜井系統(tǒng)的沖擊氣流和粉塵。因此，對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造是必要進(jìn)行的，傳統(tǒng)改造方法一般是增加主扇風(fēng)風(fēng)量，但該方法對(duì)深部的溜井系統(tǒng)難以達(dá)到理想通風(fēng)效果，且調(diào)控困難、能源消耗高。

針對(duì)這一通風(fēng)困局，有學(xué)者提出了可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)方案。該技術(shù)首先在英國(guó)的煤礦中興起，由英國(guó)學(xué)者S.J.Leach和A.Slack于1964年正式提出，隨后各國(guó)都進(jìn)行了相應(yīng)的研究［1］。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，可控循環(huán)通風(fēng)已經(jīng)積累了大量實(shí)地經(jīng)驗(yàn)。如白元付等在王家寨礦中成功運(yùn)用可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)［2］，曹同波等在紅透山礦井中成功運(yùn)用可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)［3］，王漢元以白乃廟銅礦為背景進(jìn)行了可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)研究等［4］。這些研究都揭示了可控循環(huán)通風(fēng)在改善礦山的通風(fēng)狀況、節(jié)約能耗等方面的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，本文以某地礦山深部溜井通風(fēng)系統(tǒng)為背景，應(yīng)用可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)，分析該礦山在采用循環(huán)通風(fēng)方案之后的風(fēng)量、風(fēng)質(zhì)和節(jié)能特性，為該技術(shù)推廣應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

1 可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)

可控循環(huán)通風(fēng)就是通過(guò)人為控制部分工作地點(diǎn)的風(fēng)流，使其多次經(jīng)過(guò)同一工作地點(diǎn)，反復(fù)循環(huán)使用，以增加工作地點(diǎn)的有效風(fēng)量，改善工作地點(diǎn)的空氣質(zhì)量［5］。在可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)中，常安裝有空氣凈化裝置，循環(huán)風(fēng)流經(jīng)過(guò)凈化，其有毒有害物質(zhì)的濃度達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)注后，再送入工作地點(diǎn)。

一般來(lái)說(shuō)，可控循環(huán)通風(fēng)有閉路式與開路式兩種。閉路式循環(huán)通風(fēng)是僅把經(jīng)過(guò)凈化后的循環(huán)風(fēng)流送入用風(fēng)點(diǎn)，不與外界新鮮風(fēng)流混合。開路式循環(huán)通風(fēng)是把經(jīng)過(guò)凈化的循環(huán)風(fēng)流與外界補(bǔ)充部分新鮮風(fēng)流混合后送入用風(fēng)點(diǎn)，并排出未參與循環(huán)的污風(fēng)。閉路式循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)凈化裝置的要求較高，如果凈化效果不好容易造成污染物積累的情況，使用風(fēng)區(qū)域的空氣環(huán)境惡化。開路式循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)中，用風(fēng)區(qū)域空氣質(zhì)量主要受新鮮風(fēng)量大小和污染物的形成強(qiáng)度決定，在總風(fēng)量保持一定時(shí)，可采用的循環(huán)風(fēng)量大小主要受空氣凈化裝置效率決定。基于此，本項(xiàng)目中所采用的可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)為開路式。典型的開路式可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 區(qū)域循環(huán)通風(fēng)示意圖

圖1中所示的循環(huán)區(qū)域中各風(fēng)量之間的關(guān)系如式（1）所示。

式中：Q1為循環(huán)區(qū)域的進(jìn)風(fēng)量，m3/s；Q2為循環(huán)風(fēng)量，m3/s；Q3為工作區(qū)域的進(jìn)風(fēng)量，m3/s；Q4為工作區(qū)域的回風(fēng)量，m3/s；Q5為循環(huán)區(qū)域的回風(fēng)量，m3/s。

在循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)中，循環(huán)率是一個(gè)至關(guān)重要的關(guān)鍵參數(shù)，其計(jì)算方式如式（2）所示。

2 工程概況

廣東省某鉛鋅礦采用斜坡道＋豎井聯(lián)合開拓方式，現(xiàn)年產(chǎn)量超過(guò)140萬(wàn)t，井下同時(shí)生產(chǎn)中段數(shù)已經(jīng)達(dá)到了22個(gè)。該礦山采用中央對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)主要由礦床中部的老副井、新副井、斜坡道和小斜井以及獅嶺天井、主井進(jìn)行，回風(fēng)主要通過(guò)礦床南部的新、老南風(fēng)井和東部的東風(fēng)井進(jìn)行，中段通風(fēng)為平行雙巷式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)測(cè)定，測(cè)得溜破系統(tǒng)總回風(fēng)量73.7 m3/s。

隨著礦山開采進(jìn)入深井階段，通風(fēng)系統(tǒng)主要出現(xiàn)的問(wèn)題有：

浦口區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)種植作物大體分為糧食作物、蔬菜作物、苗木三大塊，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)田塊隨各地農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整不同、當(dāng)?shù)刈魑锓N植效益差別較大，農(nóng)戶自由選擇種植作物，對(duì)監(jiān)測(cè)成效有一定的影響。

1.主溜井垂直距離高，卸礦落差大，卸礦任務(wù)重，物料末端速度高，粉塵含量高，沖擊氣流大。-500、-550、-600 m中段溜井卸礦平巷各設(shè)置一臺(tái)無(wú)風(fēng)墻局扇，其運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巷道風(fēng)速低，風(fēng)量小，不能完全消除上部中段卸礦產(chǎn)生的沖擊氣流，導(dǎo)致含塵氣流沖出卸礦平巷。在入風(fēng)風(fēng)流的帶動(dòng)下污染中段作業(yè)區(qū)，對(duì)處于該區(qū)域的作業(yè)人員產(chǎn)生一定的傷害。

2.老南回風(fēng)井的負(fù)壓不夠，溜破回風(fēng)風(fēng)量不足。

3.溜井卸礦口與進(jìn)風(fēng)平巷距離相隔太近，不利于溜井沖擊氣流的有效緩沖。

3 方案設(shè)計(jì)

為解決溜破系統(tǒng)用風(fēng)緊張以及沖擊粉塵的問(wèn)題，采用受控循環(huán)通風(fēng)的方式增加通風(fēng)風(fēng)量，并采用凈化設(shè)施對(duì)污風(fēng)進(jìn)行處理。

3.1 沖擊氣流治理方案

對(duì)于多中段沖擊氣流的治理方式，一般需要采取卸壓措施［6］，本方案對(duì)于多中段沖擊氣流建立了-600～-455 m中段降壓緩沖井系統(tǒng)，在緩沖天井與主溜井之間每隔15～30 m高度掘進(jìn)一條卸壓連通平巷，形成沖擊氣流內(nèi)循環(huán)，解決礦山深溜井多中段卸礦降壓和沖擊氣流夾帶粉塵而污染進(jìn)風(fēng)風(fēng)源問(wèn)題，其系統(tǒng)縱剖面圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)通平巷示意圖

3.2 循環(huán)通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

按規(guī)定卸礦場(chǎng)所的除塵風(fēng)速應(yīng)參照電耙硐室的除塵風(fēng)速（0.5 m/s），-500、-550、-600 m中段有廢石溜井及礦石溜井兩個(gè)系統(tǒng)，按巷道斷面8.32 m2計(jì)算，每個(gè)中段需風(fēng)量為8.32 m3/s，3個(gè)中段總需風(fēng)量為24.96 m3/s，按照調(diào)整后風(fēng)量計(jì)算得到循環(huán)風(fēng)路的阻力為807.15 Pa。在-455 m中段緩沖天井附近安裝循環(huán)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)為K55-4-NO13-55kW 型風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為18.7～40.8 m3/s，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為28～1 312 Pa。

風(fēng)流路線圖如圖3所示，通過(guò)卸壓平巷以及緩沖天井構(gòu)建了循環(huán)風(fēng)道，將-500、-550、-600 m三個(gè)中段的污風(fēng)通過(guò)緩沖天井抽至-455 m處凈化設(shè)施進(jìn)行凈化處理，再與老盲副井的新鮮風(fēng)流混合后進(jìn)入用風(fēng)中段。為了將氣流按照設(shè)計(jì)的方向進(jìn)行引導(dǎo)，逐步凈化后重新利用，需要構(gòu)筑通風(fēng)設(shè)施。除在不卸礦時(shí)密閉-500、-550、-600 m中段的卸礦口，同時(shí)做到卸礦聯(lián)動(dòng)外（同時(shí)只允許一個(gè)中段卸礦，其他中段卸礦口密閉），還需設(shè)置相關(guān)風(fēng)門、風(fēng)墻，改造部分原有通風(fēng)設(shè)施，起到控制氣流流向的作用。

圖3 風(fēng)流路線圖

3.3 空氣凈化方案

表1 粉塵粒徑分布

除塵方案采用兩級(jí)除塵系統(tǒng)，一級(jí)凈化除塵系統(tǒng)選用濕式霧化除塵系統(tǒng)［7］，該系統(tǒng)是通過(guò)除塵風(fēng)機(jī)出口大風(fēng)速與安裝在具有一定水壓的環(huán)管螺旋噴嘴的共同作用下，產(chǎn)生10μm以上細(xì)水霧與粉塵顆粒粘結(jié)沉降。二級(jí)凈化除塵系統(tǒng)選用干式高壓微米霧化除塵系統(tǒng)［8］，該系統(tǒng)是由一定強(qiáng)度的壓縮空氣在噴嘴的狹小結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)高速霧化產(chǎn)生10μm及以下的水霧顆粒，使水霧與粉塵相互結(jié)合，在重力的作用下沉降，達(dá)到除塵的作用。除塵設(shè)施安裝在-455 m中段。

4 結(jié)果分析

4.1 風(fēng)量測(cè)試

深部通風(fēng)系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)的可控循環(huán)通風(fēng)方案改造完成后，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，循環(huán)風(fēng)機(jī)的安裝角度26°，工況效率88%。運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)的實(shí)際風(fēng)量為26 m3/s，循環(huán)率為36.5%，風(fēng)量大小滿足-500、-550、-600 m三個(gè)中段的用風(fēng)要求。該方案證明了可控循環(huán)通風(fēng)能夠有效的增加風(fēng)量，緩解深部地區(qū)的用風(fēng)緊張問(wèn)題。

4.2 風(fēng)質(zhì)測(cè)試

除塵設(shè)施的凈化效率對(duì)保證工作區(qū)域的用風(fēng)安全有著重要影響。因此設(shè)備投入運(yùn)行后，對(duì)-455 m中段多級(jí)凈化器之后的空氣進(jìn)行粉塵濃度檢測(cè)，其總塵含量為0.07 mg/m3，呼塵含量0.07 mg/m3，遠(yuǎn)低于總塵標(biāo)準(zhǔn)限值2.0 mg/m3，呼塵限值1 mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)，其除塵凈化效果優(yōu)秀。

4.3 節(jié)能分析

循環(huán)通風(fēng)的節(jié)能特征可與傳統(tǒng)通風(fēng)方案進(jìn)行比較得出［9］，其慣用的傳統(tǒng)通風(fēng)方案一般是直接增加主風(fēng)扇風(fēng)量。

原有的通風(fēng)系統(tǒng)中，主風(fēng)扇需要克服的通風(fēng)阻力（即風(fēng)扇的全壓）和所需功率計(jì)算如式（3）、式（4）所示。

式中：R 為循環(huán)進(jìn)風(fēng)巷到循環(huán)回風(fēng)巷的風(fēng)阻，N·s2/m8；h1為主風(fēng)扇的風(fēng)機(jī)的全壓，Pa；P1為原有通風(fēng)系統(tǒng)地表風(fēng)扇的功率大小。

當(dāng)采用傳統(tǒng)通風(fēng)方案增加風(fēng)量，地表進(jìn)風(fēng)量大小從Q1增加到Q3，此時(shí)地表主扇的功率計(jì)算如式（5）所示。

采用可控循環(huán)通風(fēng)方式，循環(huán)風(fēng)機(jī)需要克服進(jìn)回風(fēng)巷之間的壓力差以及循環(huán)巷風(fēng)阻，并傳遞一定的循環(huán)風(fēng)量Q2。循環(huán)風(fēng)扇克服的阻力，如式（6）、式（7）所示。

式中：h2為循環(huán)風(fēng)扇所需的全壓，Pa；R2為循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)巷道的阻力，N·s2/m8。

一般采用循環(huán)通風(fēng)方式的系統(tǒng)，其循環(huán)區(qū)域都遠(yuǎn)離主扇，所以R2的大小遠(yuǎn)小于R，可忽略不記，則如式（8）所示。

可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)的能耗來(lái)自循環(huán)風(fēng)扇和主風(fēng)扇，其總功率計(jì)算如式（9）所示。

因此，采用可控循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能效果可以用式（10）計(jì)算。

在本文所采用的循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)量為26 m3/s，系統(tǒng)總回風(fēng)量為73.7 m3/s，確定循環(huán)率為35.8%。將風(fēng)量數(shù)據(jù)帶入式（10）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，采用傳統(tǒng)通風(fēng)方案為原有系統(tǒng)能耗的2.477倍，采用可控循環(huán)風(fēng)方案為原有系統(tǒng)能耗的1.544倍，可控循環(huán)通風(fēng)方案較傳統(tǒng)通風(fēng)方案節(jié)能37.6%。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)在某金屬礦山的實(shí)地應(yīng)用情況進(jìn)行分析，得到了以下結(jié)論：

1.采用可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)，使循環(huán)區(qū)域的風(fēng)量增大了26 m3/s，有效的改善井下中段用風(fēng)緊張的問(wèn)題。

2.采用可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)，并在循環(huán)聯(lián)絡(luò)巷安裝了除塵設(shè)備，使循環(huán)風(fēng)通過(guò)凈化能夠保障循環(huán)區(qū)域用風(fēng)中段的風(fēng)質(zhì)安全。

3.采用可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的增風(fēng)方案實(shí)現(xiàn)了37.6%的節(jié)能，減少了運(yùn)行成本，達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此對(duì)于其他同類型礦山的通風(fēng)節(jié)能來(lái)說(shuō)可以將可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)方案作為有效手段之一。