大型機械化金屬礦山通風系統優化

龔開福　李夕兵　李國元　時增輝(.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 4008； 2.中色非洲礦業有限公司，Kitwe 22592 贊比亞；.貴州錦豐礦業有限公司，貴州 貴陽 50002)

·安全與環保·

大型機械化金屬礦山通風系統優化

龔開福1,2李夕兵1李國元3時增輝3
(1.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083； 2.中色非洲礦業有限公司，Kitwe 22592 贊比亞；3.貴州錦豐礦業有限公司，貴州 貴陽 530002)

為了改善大型無軌機械化礦山井下通風效果，分析了無軌設備運行時的需風量，并與工作面最小排塵風速、井下同時工作的最多人數需風量相比對，確定了井下最少供風量；基于Vensim通風軟件構建了井下通風網絡圖，并對風流路徑、風機參數、構筑物進行動態調節，使無軌設備相對集中的地方得到更多的風量，從而達到井下通風系統優化的目的。對貴州某大型無軌機械化礦山通風效果研究結果表明：無軌設備需風量最大，以此風量作為井下最少供風量；結合Vensim通風網絡圖，確定通風機與風構筑物的位置，并調節風門開度與風機轉速，對風流路徑與風量進行動態優化；采用剛性風筒大大降低通風阻力。通過這幾方面的優化成功改善了井下大型機械化金屬礦山通風效果。

大型機械化金屬礦山通風系統優化

地下礦山開采深度愈來愈深，工作條件惡劣，開采難度越來越大。因此，只靠增加勞動力來實現增加產量的辦法，顯然是很困難的。要實現礦石量的大幅度增加，必須依靠技術進步，提高礦山的裝備水平，這是加快礦山建設速度，迅速擴大采礦規模，提高生產能力和改善開采條件、提高勞動生產率的首要條件和根本保證[1]。采用無軌開采可使礦體開拓快，投產早；無軌采礦生產能力大，效率高，機動靈活，應用范圍廣；可實現全面機械化和集中作業，減少井下生產工人數量，大大提高生產效率。目前，國外在現代化地下礦山的開采中，已普遍使用無軌設備。20世紀70年代，前蘇聯就有1/4的地下礦山采用裝載機[2]，而到90年代，俄羅斯地下金屬礦山已有地下無軌設備出礦的礦山占到了57%以上[3-4]。國外地下金屬礦山已形成地下裝載機為主的裝運體系。我國從70年代中期開始使用無軌設備采礦，目前已有上百個礦山使用，而且正以每年10%的速度增加，實現井下作業全面機械化，并正在向自動化邁進。

但是，大型無軌設備特別是使用柴油驅動的設備為采礦帶來方便的同時，也給礦井通風帶來巨大的挑戰。首先，柴油無軌設備排放的尾氣包括有毒氣體和顆粒物質，有毒氣體包括CO、CO2、NO、NO2和SO2，這些氣體短期內達到的最低限為CO(50 mg/L)，CO2(5 000 mg/L)，NO(25 mg/L)，NO2(3 mg/L)和SO2(2 mg/L)。顆粒物質包括95%粒徑小于1 um，完全可以呼吸的。特別是顆粒物質能夠吸附其他化學物質，諸如可能產生的芳香烴(PAH)、NOX、SO2氣體及相應的酸，這些顆粒作為載體把這些物質送入肺內。他們對健康的危害可用計算空氣質量指數AQI確定

AQI=(CO/50)+(NO/25)+(RCD/2)+

1.5[(SO2/3)+(RCD/2)]+

1.2[(NO2/3)+(RCD/2)]

其中，RCD為可呼吸的可燃粉塵(或柴油顆粒物質)，當AQI≤3時為可容許的指數范圍。因此，無軌設備排放的尾氣給井下環境和工人健康帶來危害；其次，無軌設備的運行需要滿足柴油發動機的耗氣量的需求；第三，無軌設備的運行產生大量的熱和粉塵，也對井下環境造成破壞。為此，井下通風設計必須考慮這幾方面的因素，以某金礦為例，通過對井下作業地點有毒氣體及顆粒物質的監測，并計算無軌設備需要的耗氣量，提出大型無軌設備金屬礦山通風優化方法。

1　礦山概況

貴州某金礦采用露天-地下聯合開采，采用上向水平分層進路式充填采礦法開采，中間主斜坡道全無軌開拓方式、采用Boomer282型雙臂電動液壓鑿巖臺車配COP1838me型鑿巖機鉆孔，CATR2900G鏟運機出礦，鏟裝的礦石卸入中段運輸巷道的裝卸礦硐室，經CATAD45B和WagnerMT-439礦用卡車運輸至地表。采用Normet濕噴臺車與混凝土罐車。

通風方式采用主斜坡道進風，東西回風井回風的中央對角式通風方式，井下采用連續通風工作制度。新鮮空氣主要從安全井和斜坡道進入，通過局扇，由風筒經各中段運礦巷道(或分段巷道)、采場聯絡道分別送往各用風工作面，產生的污風經采場進路、采場聯絡道、各中段運礦巷道(或分段巷道)、東西回風巷道回風：西部污風經設于西回風井口的主扇風機排出地表，東部污風經設于東回風井口的主扇風機排出地表，見圖1。

圖1　某金礦通風系統

2　全礦總需風量計算

2.1按無軌設備計算

按無軌設備計算為

Qs=qsN/60，

(1)

式中，Qs為礦井排出柴油設備廢氣需風量，m3/s；qs為柴油設備單位功率風量指標，0.068 m3/(kW·s)；N為礦井內各種柴油設備按作業時間比例計算的功率總數，kW；

N=N1f1+N2f2+…+Nifi，

(2)

N1，N2，…，Ni均為各臺柴油設備額定功率，kW；f1，f2，…，fi均為各臺柴油設備工作時間系數，即設備在井下每小時作業的時間百分比，%。

地下柴油運行設備功率及全礦所需風量見表1。

表1　井下無軌運行設備功率及全礦所需風量Table 1　Power and ventilation volume required of underground trackless equipment running

2.2按工作面最小排塵風速計算

工作面最小排塵風速計算為

Qs=∑qei,

(3)

qei=SiVi,

(4)

式中，Qe為礦井排除各作業面粉塵等所需風量，m3/s；qei為各工作面排塵所需風量，m3/s；Si為各工作面的過風斷面，m2；Vi為工作面排塵風速，m/s。

風量計算見表2。

表2　按工作面最小排塵風速計算風量Table 2　The ventilation volume according to minimum dust exhausting wind speed at working face

2.3按井下同時工作的最多人數計算

井下最大班同時工作人數為80人，供風量按每人5 m3/min計算，礦井所需風量為7 m3/s。

根據以上3種方法計算，需風量最大的為無軌設備，故取礦井總用風量為308 m3/s。

3　通風網絡構筑與優化

3.1通風測量

3.1.1測量儀器

測量儀器見表3。

表3　礦井通風測定裝置Table 3　Measuring device list of mine ventilation

3.1.2測量方法

表示礦井通風系統的基本參數有風量(Q)、風壓(H)和風阻(R)，對通風系統要進行科學的改進，必須同時掌握這3個基本參數。通常可用機械式風表測量風量。用風表測量出測點所在斷面的風速，然后與該斷面面積相乘即可得出測點斷面的風量。巷道斷面上的各點風速是不同的，通常巷道斷面中間部位風速最高，周邊的風速最低。為了獲得測風斷面上的平均風速，通常可采用線路法，將風表在巷道內按一定線路均勻移動，通常巷道斷面中間部位風速最高，周邊的風速最低。如圖2所示，巷道斷面較小時采用圖2(a)四線法，當巷道斷面較大時采用圖2(b)六線法。

圖2　風表移動路線

根據測量人員站立姿勢的不同可將測風方式分為迎面法和側身法2種[4]。

(1)迎面法即測量人員面向風流，將風表置于正前方測風。由于采用這種姿勢人體阻擋了風流，風速較實際偏低，風表的讀數值偏小，計算實際風速應將測量值乘以k= 1.14的校正系數。

(2)側身法是測量人員面向巷道壁站立，手持風表在巷道斷面內作均勻移動。由于采用這種姿勢減少了巷道通風面積，風速有所增大，所以也需要對風速測量值進行校正。校正系數k=(S-0.4)/S(S為測風點斷面積)。

用機械式風表測風的步驟如下[5-6]：

(1)測量人員首先進入待測巷道中估測風速范圍，選用相應量程的風表。注意選用的風表量程不能過高或過低，避免造成測量不準或風表損壞。

(2)將風表和秒表指針回零，將風表葉輪平面迎向風流，與風流方向保持垂直，在葉輪轉動正常后，同時打開風表計數器和秒表，在60s時間內，按照圖2所示路線勻速移動風表，然后同時關閉風表計數器和秒表，讀取風表指針讀數。有車輛或行人時，要等其通過后風流穩定時再測。

為保證測定準確，一般在同一地點要測2次，2次測量結果相差不得超過5%，并按以下步驟計算測點斷面的平均風速v。

首先計算風表的表速：

式中，vB表為風表的表速，m/s；n1、n2為2次測量的表速，m/min。

然后，根據vB查所用風表的校正曲線，得真風速vZ。

最后求平均風速v，即所測斷面的實際風速。

通過測風斷面的風量則為

用激光測距儀測量巷道斷面面積時，規則斷面按相應的面積公式測定和計算。測量非規則斷面時，先用鋼卷尺測出巷道凈寬度B，再把巷道凈寬度等分成n等分，然后測量每個等分點的高度b，如圖3所示，并按下式計算斷面面積。

測定工作安排在1個工作班內完成，以免井下氣候和生產條件變化帶來的影響。根據測定線路，先測進風、回風，然后測分支巷道，再測作業面的風量。

其中，a為巷道阻力系數；L為通風距離，m；Q為風量，m3；S為巷道斷面，m2。

3.1.3測量結果

測量結果見表4和表5。

圖3　不規則巷道斷面的測量

表4　西翼通風參數Table 4　Ventilation parameters of west wing

表5　東翼通風參數Table 5　Ventilation parameters of west wing

3.2通風網絡構建

對于一個有數十、數百個節點的通風網路，用手工計算顯然不僅工作量大，而且容易出錯。采用Ventsim礦井通風仿真模擬軟件建立直觀的礦井三維通風系統模型，進行通風系統的計算分析。該軟件可通過風流路徑模擬、風網解算以及風機設置，實現通風系統的模擬控制、檢測與優化設計。

3.3通風設施優化

3.3.1風筒

由于采用進路式充填采礦法，采場回采和掘進面通風相似，均采用局部通風。由于當前對旋式風機具有高效、 節能等優點，因此井下通風局扇采用了該類型的風機。風機安裝在巷道頂板上，通過風筒將新鮮風流引到生產工作面。為了更少地減少阻力，風筒直徑為1.2 m，材質為柔性帆布，接口為拉鏈式，同時在局部巷道轉彎角較小的區域，采用了剛性風筒，降低通風阻力，如圖4所示。

圖4　剛性風筒

3.3.2局部風機

對于獨頭掘進的工作面，按巷道長度來配備局扇，巷道長度小于200 m時，配備1臺DJK50-3型局扇進行壓入式通風；當巷道長度大于200 m時，則采用2臺局扇進行壓抽混合式通風。局部通風的風筒與工作面的距離：壓入式通風不得大于10 m；抽出式通風不得大于5 m；混合式通風時，壓入風筒不得超過10 m，抽出風筒應滯后壓入風筒5 m。按照采場進路斷面20 m2、排塵風速0.5 m/s和30%的漏風系數，每個工作面的需風量為13 m3/s；新鮮風由局扇從沿脈巷道抽取，送風距離為200～400 m，根據生產、掘進計劃，回采和掘進工作面為20～22個。由于送風距離長、需風量大、工作面多，按1臺局扇供應2個工作面，采用φ1.2 m風筒送風，需要功率55 kW，型號DJK50-3局扇15臺。

3.3.3通風構筑物

為了更好地管理風流，在各中段回風巷以及安全井聯絡道中安裝調節風門，對各中段用風量進行控制。當中段回采結束后，應在適當位置設置擋風墻，阻斷風流。如圖5所示。

圖5　通風構筑物

風窗及門的尺寸已確定，其他尺寸根據巷道實際尺寸進行調整。風窗、門的頂板需另加鋼梁，風窗采用槽鋼形式，木板可以放置于上下槽鋼里開控制風窗面積，人行門必須是活動的來滿足人員進出，門的方向是順風自動關閉。磚墻采用水泥空心磚，磚墻厚度為水泥磚的長度，磚墻與巷道壁厚度為水泥磚的長度，磚墻與巷道壁銜接外需灌水泥漿，墻面進行抹灰，防止漏風。

通過風量實際測定，表明所測數據與模擬數據的誤差在 10% 以內。圖 6 所示為模擬風量與實測風量的比較，因此運用通風模擬軟件 Ventsim 對于利用快速調節通風構筑物來優化通風參數、合理分配風量，與無軌設備靈活性想匹配，大大改善了井下通風環境。

圖6　模擬風量與實測風量的比較

4　結　論

(1)柴油無軌設備排放的尾氣包括有毒氣體和顆粒物質，它們對人體健康的危害可用計算空氣質量指數AQI衡量:AQI≤3時為可容許的指數范圍。

(2)考慮礦山無軌設備運行的耗氣量及人員工作環境，設計礦山坑下通風風量計算時按無軌柴油設備所需風量計算考慮了20%的漏風，按最小排塵風速計算時所采用的最小排塵風速為0.5 m/s，確定井下總風量。

(3)運用Ventsim 通風模擬軟件對礦井通風進行模擬，根據工作面數量及無軌設備主要的工作地點，有針對性地調節井下各通風構筑物，并通過局扇直接對回采進路及掘進進路進行供風，可保證進風質量和工作面所需風量，達到更快而合理地分配風量，適應無軌設備靈活性的特點。

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(責任編輯徐志宏)

Optimization of Ventilation System in Large-scale Mechanized Metal Mine

Gong Kaifu1,2Li Xibing1Li Guoyuan2Shi Zenghui2
(1.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China；2.NFCAfricaMiningPlc.,Kitwe22592,Zambia；3.GuizhouJinfengMiningLtd.,Guiyang530002,China)

In order to improve the underground ventilation effect in the large-scale trackless mechanized mine,the air volume required by trackless equipment in running was analyzed.Compared with the minimum dusting air speed in working face,and the air volume as maximum personals working at the same time,the minimum underground air-supply volume was determined; Ventilation network graph for underground mine was constructed based on Vensim software,and the wind flow path,fan parameters and structures were dynamically adjusted to realize more air volume for more trackless equipment,so as to achieve the purpose of optimizing the mine ventilation system.The ventilation effect in a large-scale trackless mechanized mine in Guizhou showed that the trackless equipment needs most of air volume,which are considered as the minimum ventilation volume of underground mine; In combination with Vensim ventilation network diagram,the positions of the fan and the structures were determined,and the air door opening and fan speed were dynamically adjusted to optimize the wind flow path and air volume; The rigid duct can greatly reduce the ventilation resistance.The optimization from several aspects above can improve ventilation effect of the large mechanized underground metal mine.

Large-scale mechanized,Metal mine,Ventilation system,Optimization

2014-10-27

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(編號：2010CB732004)。

龔開福(1983—)，男，工程師。

TG142.71

A

1001-1250(2015)-01-122-06