高海拔礦井風(fēng)機通風(fēng)降效特征的研究

王瑜敏 黃玉誠

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京100083）

隨著我國中東部地區(qū)礦產(chǎn)資源的長期開發(fā)，資源儲量越來越少。而西部地區(qū)地域廣闊、資源豐富，必將在未來的國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用。西部多為高海拔地區(qū)，海拔1 000 m以上的土地面積占全國陸地面積的60%左右，海拔2 000 m以上的面積約占33%，3 000 m以上面積約占26%［1-2］。高海拔地區(qū)，大氣壓力低、空氣稀薄缺氧、氣候干燥寒冷，這種惡劣的地理氣候環(huán)境極大地影響和制約著高海拔礦山地下開采的正常生產(chǎn)，給礦產(chǎn)資源的開發(fā)造成了很大的困擾［3-7］。特別是低壓低氧環(huán)境使得井下通風(fēng)管理難度加大，通風(fēng)效果嚴(yán)重下降，更加惡化了井下作業(yè)環(huán)境。本研究主要結(jié)合某高海拔礦井局部通風(fēng)實際條件探討高海拔條件下礦井風(fēng)機通風(fēng)的降效特征。

1 海拔高度對大氣壓力和空氣密度的影響

1.1 大氣壓力隨海拔的變化

一般情況下，大氣壓力隨海拔高度的增加而減小。大氣壓力與海拔高度的關(guān)系［8］為

式中，P為當(dāng)?shù)仄骄髿鈮海琍a；P0為海平面處的大氣壓，取101 325 Pa；h為當(dāng)?shù)睾０胃叨龋琺；M為空氣的摩爾質(zhì)量，取29 kg/kmol；g為自由落體加速度；R0為通用氣體常數(shù)，取8 314 J/（kmol·K）；T為空氣溫度，取293 K。

1.2 空氣密度和氧含量隨大氣壓力的變化

1.2.1 空氣密度

礦井空氣的密度與溫度、壓力和濕度等因素有關(guān)。在礦井通風(fēng)中，相對濕度一般變化不大（70%～100%），它對空氣密度的影響極小。一般可按照下式近似測算礦井空氣密度［8-9］:

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；t為空氣溫度，℃。

1.2.2 空氣氧含量

隨著海拔高度變化，空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變（20.95%）。但由于大氣壓力隨海拔升高而減小，空氣密度變小，單位體積所含氧氣的質(zhì)量則相應(yīng)減少。空氣中氧含量=空氣密度×空氣中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。為了便于氧含量對比，本文基于標(biāo)準(zhǔn)礦井空氣條件下（P0=101 325 Pa，t=20℃，相對濕度φ =60%）的氧含量［8］，定義：

由式（1）～式（3）分析得到t=20℃時不同海拔處的空氣壓力、密度、氧含量及氧含量百分比見表1。

2 高海拔條件下風(fēng)機通風(fēng)參數(shù)的變化

2.1 風(fēng)機特征參數(shù)隨空氣密度的變化規(guī)律

目前，礦用風(fēng)機均以標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)的環(huán)境參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計與制造，風(fēng)機制造企業(yè)所提供的風(fēng)機性能曲線也是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下所作的模型試驗資料繪制而成［10-12］。當(dāng)風(fēng)機應(yīng)用于高海拔礦井時，根據(jù)通風(fēng)機比例定律，在風(fēng)機轉(zhuǎn)速不變的條件下，空氣密度不同引起的風(fēng)機特性參數(shù)的變化［12-13］，可表達(dá)為：

式中，ρI、ρII為不同空氣密度；QI、QII分別為空氣密度為 ρI、ρII時的風(fēng)機風(fēng)量；HI、HII分別為空氣密度為 ρI、ρII時的風(fēng)機風(fēng)壓；NI、NII分別為空氣密度為ρI、ρII時的風(fēng)機功率；ηI、ηII分別為空氣密度為ρI、ρII時的風(fēng)機效率。

由式（4）可以看出，同一型號的風(fēng)機應(yīng)用于不同海拔地區(qū)時，風(fēng)機的風(fēng)量、效率相同，風(fēng)壓和功率與環(huán)境的空氣密度成正比。

為便于后文分析空氣密度變化對風(fēng)機通風(fēng)特征的影響，定義比例系數(shù)：C0/h=表示標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)與海拔h處的空氣密度比值，Ch1/h=表示海拔h1處與海拔為h處的空氣密度比值。

2.2 不同海拔條件下風(fēng)機通風(fēng)參數(shù)對比分析

某高海拔礦井位于海拔高度3 700 m（空氣密度為0.782 kg/m3），空氣質(zhì)量氧含量僅為標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)的64.94%。該礦的一處采場目前采用K40-6-NO15型輔扇進(jìn)行通風(fēng)，風(fēng)機進(jìn)風(fēng)量Q=20 m3s，實際風(fēng)壓206 Pa，比例系數(shù)機樣本風(fēng)壓Hf=1.541×206=317.4 Pa，風(fēng)機輸出功率

研究表明，海拔2 700 m對應(yīng)的環(huán)境為人體適宜工作的上限［14-15］。若該礦位于海拔2 700 m（空氣密度為0.879 kg/m3），空氣質(zhì)量氧含量為標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)的72.98%。選用和上述同一型號的風(fēng)機，風(fēng)機進(jìn)風(fēng)量Q=20m3/s，比例系數(shù)則風(fēng)機實際風(fēng)壓H=1.124×206=231.5Pa，風(fēng)機輸出功率看出，和海拔高度3 700 m相比，由于海拔的下降，在風(fēng)機輸出功率增加較少的情況下，風(fēng)流中的空氣氧含量提高了8.04%。同理可分析得到，若該礦井位于海拔0 m、3 200 m、3 400 m和3 500 m時風(fēng)機通風(fēng)參數(shù)，見表2。

3 高海拔礦井風(fēng)機通風(fēng)效能變化特征

根據(jù)表1，高海拔礦井由于空氣密度低，大氣氧含量明顯低于平原地區(qū)，而空氣中的氧含量低是導(dǎo)致人員和某些設(shè)備降效的根本原因。提高氧含量的方法主要有2種途徑［16-19］：①對工作地點進(jìn)行增阻加壓，以提高氣流密度從而提高氧含量；②采用增氧設(shè)備對工作地點進(jìn)行人工增氧。

為了對比風(fēng)機通風(fēng)效能的變化，下文分析增阻加壓方式達(dá)到相同氧含量條件下的風(fēng)機通風(fēng)參數(shù)變化及高海拔引起的風(fēng)機效能下降特征。

3.1 高海拔礦井通風(fēng)增阻加壓技術(shù)原理

在高海拔礦井通風(fēng)中通過增阻加壓提高井下空氣壓力，可以達(dá)到增加氧分壓和氧含量的效果，其技術(shù)原理如圖1所示：增阻加壓前風(fēng)機出口處氣壓為p1，井巷末端氣壓為p2；增阻加壓后風(fēng)機出口處氣壓為，需要在井巷末端通過增設(shè)風(fēng)窗等方式增阻hc=-p1，并選用合適的高壓風(fēng)機進(jìn)行加壓，增阻加壓段的空氣密度和氧含量隨之提高，從而實現(xiàn)加壓增氧的目標(biāo)［19-20］。

3.2 加壓增氧的風(fēng)機通風(fēng)參數(shù)變化規(guī)律

假設(shè)某高海拔礦井位于海拔h處，大氣壓力為P，空氣密度ρ。其局部井巷段加壓前的狀態(tài)如圖1（a）所示，風(fēng)機出口處氣壓為p1，井巷出口處氣壓為p2，風(fēng)機進(jìn)風(fēng)量為Q，風(fēng)壓為H，則有：風(fēng)機樣本風(fēng)壓Hf=C0/hH，輸出功率N=QH。

若該礦井位于海拔h1（h1＜h）處，大氣壓力為P1，空氣密度p1，風(fēng)機進(jìn)風(fēng)量為Q1=Q，則風(fēng)壓H1=Ch1/hH，樣本風(fēng)壓Hf1=C0/h1H1=C0/hH，輸出功率N1=Q1H1=Ch1/hQH。

為了提高氧含量，現(xiàn)通過圖1（b）的方式進(jìn)行增阻加壓，將位于海拔h處的井巷氧含量水平提高到海拔h1處礦井氧含量水平，此時需要的風(fēng)機進(jìn)風(fēng)量Q'=Ch1/hQ，需要增阻hc=P1-P，需要達(dá)到的實際風(fēng)壓H'=P1-P+H1=P1-P+Ch1/hH，風(fēng)機樣本風(fēng)壓=C0/hH'=C0/h(P1-P+Ch1/hH)， 輸 出 功 率N'=Q'H'=Ch1/hQ(P1-P+Ch1/hH)。

為便于對比相互之間的變化規(guī)律，將增阻加壓前后的風(fēng)機通風(fēng)參數(shù)計算式列于表3。

3.3 加壓增氧的風(fēng)機效能對比分析

對于前文2.2中所述海拔3 700 m礦井某采場，當(dāng)前通風(fēng)風(fēng)流中的質(zhì)量氧含量僅為標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)的64.94%。若按照圖1（b）增阻加壓的方法將其提升至海拔2 700 m氣壓水平，根據(jù)表3所列的風(fēng)機通風(fēng)參數(shù)計算式可分析得到增阻加壓后的各項通風(fēng)參數(shù)如下（此時h=3 700 m，h1=2 700 m）：

同理可以分析得到，通過增阻加壓方式將海拔3 700 m低氣壓提升至海拔0 m、3 200 m、3 400 m和3 500 m氣壓水平時的風(fēng)機通風(fēng)參數(shù)如表4。

表2所列是礦井位于海拔0 m、2 700 m、3 200 m、3 400 m和3 500 m時風(fēng)機通風(fēng)參數(shù)，表4所列為將海拔3 700 m低壓低氧狀態(tài)通過增阻加壓方式提升到海拔0 m、2 700 m、3 200 m、3 400 m和3 500 m對應(yīng)的氣壓和氧含量狀態(tài)所需的風(fēng)機通風(fēng)參數(shù)。對比表2和表4可以看出：

（1）同樣的氣壓和氧含量水平，若礦井本身位于海拔2 700 m處，風(fēng)機風(fēng)壓232 Pa，風(fēng)機輸出功率為4.63 kW；若礦井位于海拔3 700 m處經(jīng)過增阻加壓提高到海拔2 700 m氣壓和氧含量水平，需要達(dá)到的風(fēng)機風(fēng)壓高達(dá)8 375 Pa，風(fēng)機輸出功率高達(dá)188 kW，技術(shù)參數(shù)和通風(fēng)能耗相差巨大。

（2）從風(fēng)機選型和通風(fēng)能耗的角度來看，海拔3 700 m處經(jīng)過增阻加壓提高到2 700 m氣壓和氧含量水平，加壓風(fēng)機的樣本風(fēng)壓高達(dá)12 906 Pa，風(fēng)機輸出功率188 kW，技術(shù)上難以實現(xiàn)，作為局部地點的通風(fēng)，也是相當(dāng)耗能與不經(jīng)濟的。

（3）加壓增阻能耗隨著目標(biāo)海拔的降低而急劇增大，基干技術(shù)可行和經(jīng)濟合理綜合考慮，對于3 700 m的高海拔礦井，作業(yè)地點進(jìn)行局部增阻加壓提高氧含量3%左右（即將海拔3 700 m處氧含量提高到3 300 m左右氧含量水平）是可行的，但提高氧含量4%以上難度很大。

（4）在井下人員工作地點，為了進(jìn)一步提高空氣氧含量，可結(jié)合實際采用加壓增阻提氧和人工增氧的聯(lián)合方式。

4 結(jié)論

（1）高海拔地區(qū)氣壓低，空氣密度和大氣氧含量明顯低于平原地區(qū)，低壓缺氧是導(dǎo)致高海拔礦井作業(yè)人員和某些設(shè)備降效的根本原因。

（2）和低海拔相比，高海拔礦井在風(fēng)機風(fēng)量相同的條件下，風(fēng)機實際輸出功率相差不大，但通風(fēng)氣流密度和氧含量水平下降較多，通風(fēng)環(huán)境明顯惡化。

（3）海拔3 700 m的礦井，經(jīng)過增阻加壓提高到2 700 m氣壓和氧含量水平，風(fēng)機需要很高的風(fēng)壓和功率，技術(shù)上難以實現(xiàn)，也是相當(dāng)耗能與不經(jīng)濟的。

（4）基于技術(shù)可行和經(jīng)濟合理綜合考慮，對于3 700 m的高海拔礦井，作業(yè)地點進(jìn)行局部增阻提高氧含量3%左右是可行的，但加壓提高氧含量4%以上難度很大。

（5）在井下人員工作地點，為了進(jìn)一步提高通過空氣氧含量，可結(jié)合實際采用加壓增阻提氧和人工增氧的聯(lián)合方式。