文 興

(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410083;2.長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

某礦山通風(fēng)系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)

文 興1,2

(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410083;2.長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

從通風(fēng)井的布置、通風(fēng)方式的選擇、礦井風(fēng)量和風(fēng)阻計(jì)算以及通風(fēng)設(shè)備選型等多個(gè)方面全面論述了某礦山通風(fēng)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì),對(duì)類似礦山的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、改造或自然通風(fēng)向機(jī)械通風(fēng)轉(zhuǎn)型有較好的參考價(jià)值。

礦井通風(fēng);風(fēng)量計(jì)算;設(shè)備選型;系統(tǒng)優(yōu)化

某礦山屬于小型礦山,在礦井淺部開采過(guò)程中,雖然自然通風(fēng)起了十分重要的作用,但由于自然風(fēng)壓是由自然大氣因素作用而形成的,其大小和方向受地面氣溫的影響很大,一年四季,甚至?xí)円怪g風(fēng)壓都有明顯的變化。隨著礦山開采中段下降,礦山進(jìn)、回風(fēng)井之間風(fēng)壓降低、風(fēng)量減小,井下出現(xiàn)供氧不足、溫度高、濕度大、通風(fēng)系統(tǒng)紊亂、漏風(fēng)等安全隱患,通風(fēng)問(wèn)題日益突出。優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng),對(duì)于本礦山的安全生產(chǎn)和礦井的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 通風(fēng)井的布置

礦山現(xiàn)有 4個(gè)坑口,深部斜井和淺部斜井為進(jìn)風(fēng)井,六廟坑口和三岔河坑口為回風(fēng)井。4個(gè)坑口運(yùn)輸、人行頻繁,淺部斜井、三岔河坑口、六廟坑口與許多井巷、采空區(qū)及地表溝通,漏風(fēng)不易阻止,風(fēng)流難以控制,并且許多中段巷道受地壓破壞漏風(fēng)嚴(yán)重。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查和論證,設(shè)計(jì)新鮮風(fēng)流由深部斜井、淺部斜井和三岔河坑口三通風(fēng)井進(jìn)入礦井,六廟坑口通風(fēng)井作回風(fēng)井。新風(fēng)進(jìn)入各中段位置后,往兩翼分送,需風(fēng)段風(fēng)壓高、風(fēng)量足、風(fēng)質(zhì)好,清洗完工作面后由邊界回風(fēng)天井回到 120中段,再匯集到六廟坑口多級(jí)盲斜井排出。

建立礦山新的通風(fēng)系統(tǒng)不需要增加太多通風(fēng)工程和構(gòu)筑物,只須將六廟斜井與 120中段貫通 40 m左右,同時(shí)對(duì)六廟工區(qū)和三岔河工區(qū)相通的坑道進(jìn)行密閉,防止進(jìn)風(fēng)段和回風(fēng)段之間產(chǎn)生風(fēng)流短路或漏風(fēng)。礦山通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 礦山通風(fēng)系統(tǒng)示意

2 通風(fēng)方式的選擇

針對(duì)礦山開拓巷道的布置狀況,提出了 3種通風(fēng)方案進(jìn)行分析對(duì)比,3種通風(fēng)方式的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項(xiàng)見表1。

通過(guò)表1比較分析,并結(jié)合礦山實(shí)際情況,確定采用抽出式通風(fēng)方式,即由深部斜井、淺部斜井、三岔河坑口進(jìn)風(fēng),由六廟坑口回風(fēng)。

表1 3種通風(fēng)方式比較

3 礦井風(fēng)量、風(fēng)阻計(jì)算

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程規(guī)程》要求,礦井需風(fēng)量按下列要求分別計(jì)算,并取其中最大值。

(1)按井下同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算,每人供給風(fēng)量不得少于 4 m3/min。

(2)按分項(xiàng)計(jì)算風(fēng)量法進(jìn)行計(jì)算。

3.1 礦井需風(fēng)量的計(jì)算

(1)回采工作面風(fēng)量計(jì)算。按通風(fēng)排塵風(fēng)量、排塵風(fēng)速 (峒室型采場(chǎng)最低風(fēng)速不應(yīng)小于 0.15 m/s,采場(chǎng)和掘進(jìn)巷道不應(yīng)小于 0.25 m/s)、排除炮煙計(jì)算,取其最大值作為回采工作面風(fēng)量,每個(gè)回采工作面風(fēng)量為 2.5 m3/s。

(2)備用工作面風(fēng)量計(jì)算?？紤]礦山生產(chǎn)管理的具體情況,并結(jié)合井下采場(chǎng)布置,備用工作面不設(shè)計(jì)臨時(shí)密閉措施,故每個(gè)備用工作面風(fēng)量設(shè)計(jì)取1.5 m3/s。

(3)掘進(jìn)工作面風(fēng)量計(jì)算。掘進(jìn)工作面的分布和數(shù)量由礦井采掘比大致確定。按現(xiàn)有開拓采準(zhǔn)巷道斷面,每個(gè)掘進(jìn)工作面風(fēng)量設(shè)計(jì)取 1.5 m3/s。

(4)硐室風(fēng)量。硐室不單獨(dú)占用風(fēng)量,與礦井進(jìn)風(fēng)巷道串聯(lián),對(duì)主風(fēng)流無(wú)污染,不計(jì)入全礦井風(fēng)量。

(5) 分項(xiàng)計(jì)算總風(fēng)量:Q=K(∑ n采q采+∑ n備q備+∑ n掘q掘+ ∑ n硐q硐+ ∑ n其他q其他)

式中:K——礦井漏風(fēng)系數(shù),考慮比較難以控制漏風(fēng),取 K=1.2;

n采——同時(shí)工作的回采工作面數(shù)量,取 6個(gè);q采——回采工作面的計(jì)算風(fēng)量,m3/s;

n備——回采工作面的備用數(shù)量,取 2個(gè);

q備——備用工作面的計(jì)算風(fēng)量,m3/s;

n掘——同時(shí)工作的掘進(jìn)工作面數(shù)量,取 6個(gè);

q掘——掘進(jìn)工作面的計(jì)算風(fēng)量,m3/s;

n硐——硐室的數(shù)量,取 0個(gè);

q硐——硐室的計(jì)算風(fēng)量,m3/s;

n其他——其他需風(fēng)點(diǎn)的數(shù)量;

q其他——其他需風(fēng)點(diǎn)的計(jì)算風(fēng)量 ,m3/s。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上述計(jì)算式,得礦井風(fēng)量為:Q=32.4 m3/s。

(6)按井下同時(shí)工作最多人數(shù) 300人計(jì)算,需風(fēng)量為:Q=20 m3/s。

(7)全礦井總風(fēng)量取上述計(jì)算最大值,則全礦井風(fēng)量為:Q=32.4 m3/s。

3.2 礦井通風(fēng)阻力計(jì)算

在主扇的服務(wù)期內(nèi),隨著采掘工作面及中段接替的變化,通風(fēng)系統(tǒng)的總阻力也將隨之變化。為了使主扇在整個(gè)服務(wù)期限都能滿足需要,而且有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)效率,按照礦井開拓布局和采掘工作面接替安排,對(duì)主扇服務(wù)期內(nèi)不同時(shí)期的系統(tǒng)總阻力的變化進(jìn)行分析,將礦井通風(fēng)劃分為 2個(gè)時(shí)期:通風(fēng)容易時(shí)期和困難時(shí)期。然后,根據(jù)風(fēng)量和巷道參數(shù)計(jì)算出最大總阻力。沿著通風(fēng)容易和困難時(shí)期的風(fēng)流路線,依次計(jì)算各段摩擦阻力,然后分別累計(jì)得出容易和困難時(shí)期的總摩擦阻力[1]。

通風(fēng)容易時(shí)期的總阻力:

通風(fēng)困難時(shí)期的總阻力:

礦井通風(fēng)容易時(shí)期和困難時(shí)期的阻力 h1、h2分別為 1585.25 Pa和 2045.03 Pa。

4 礦井通風(fēng)設(shè)備的選型

4.1 主風(fēng)扇的選型[2]

(1)計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)量 Qf:

式中:Qf——主要風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量,m3/s;

Qm——礦井需風(fēng)量,m3/s;

k——漏風(fēng)損失系數(shù) ,取 k=1.1。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得:Qf=35.64 m3/s。

(2)計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)壓:

容易時(shí)期:Htd=hm+hd-HN

困難時(shí)期:Htd=hm+hd+HN

式中:Htd——風(fēng)機(jī)全壓,Pa;

HN——礦井自然風(fēng)壓,Pa;

hm——礦井通風(fēng)系統(tǒng)的總阻力,Pa;

hd——通風(fēng)機(jī)附屬裝置的阻力,Pa;

hvd——擴(kuò)散器出口動(dòng)能損失,Pa。

對(duì)于軸流式風(fēng)機(jī),將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得風(fēng)機(jī)的最小、最大風(fēng)壓為:

(3)風(fēng)機(jī)初選。根據(jù)目前礦山風(fēng)機(jī)使用的情況,綜合考慮所選風(fēng)機(jī)應(yīng)滿足安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)良好等特點(diǎn),選取對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)。根據(jù)計(jì)算的礦井通風(fēng)容易時(shí)期通風(fēng)機(jī)的 Qf、Hsdmin和礦井通風(fēng)困難時(shí)期通風(fēng)機(jī)的 Qf、Hsdmax,在通風(fēng)機(jī)特性曲線上 (見圖2),選出滿足礦井通風(fēng)要求的通風(fēng)機(jī)為 DK62― No16。

圖2 DK62-No16性能曲線(n=960 r/m i n)

(4)通風(fēng)機(jī)的實(shí)際工況點(diǎn)。根據(jù) Qf、Hsdmin和Qf、Hsdmax確定的工況點(diǎn)都不在所選擇通風(fēng)機(jī)的特性曲線上。因此,必須根據(jù)通風(fēng)機(jī)的工作阻力,確定其實(shí)際工況點(diǎn)。通風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)阻為:

在通風(fēng)機(jī)特性曲線圖中作通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)阻曲線 ,與風(fēng)壓曲線的交點(diǎn) M′容易、M′困難2點(diǎn) ,即為實(shí)際工況點(diǎn) (如圖2所示)。

(5)確定通風(fēng)機(jī)的型號(hào)和轉(zhuǎn)速。根據(jù)通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)參數(shù)對(duì)初選的通風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全性比較,最后確定通風(fēng)機(jī)的型號(hào)為 DK62-No16,轉(zhuǎn)速為 n=960 r/min。

4.2 電動(dòng)機(jī)選型[3]

(1)按通風(fēng)容易及困難時(shí)期,分別計(jì)算通風(fēng)機(jī)所需輸入功率 Nmin、Nmax:

式中:ηs——通風(fēng)機(jī)靜壓效率,80%。

計(jì)算得到:Nmin=77 kW,Nmax=108 kW。

(2)電動(dòng)機(jī)的臺(tái)數(shù)及種類?？紤]到風(fēng)機(jī)動(dòng)壓的損失 (漏風(fēng)等損失),取動(dòng)壓系數(shù)為 1.05。

式中:K——電機(jī)功率貯備系數(shù),一般情況下取 1.1～1.20,現(xiàn)取 K=1.10;

ηs——風(fēng)機(jī)靜壓效率,取ηs=0.75;

N——所需 2臺(tái)電機(jī)的總功率。

(3)設(shè)計(jì)選型。根據(jù)通風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)要求及礦井無(wú)爆炸性氣體、粉塵,設(shè)計(jì)選取普通型電機(jī),見表2。

表2 電機(jī)技術(shù)參數(shù)

5 結(jié) 論

礦井通風(fēng)的目的是為礦井各用風(fēng)場(chǎng)所提供足夠的新鮮風(fēng)量,保證作業(yè)空間良好的氣候條件,沖淡或稀釋有毒有害氣體和礦塵等。礦井通風(fēng)狀況的好壞,在很大程度上直接影響到礦井的安全生產(chǎn)、礦井的經(jīng)濟(jì)效益、礦井的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)及礦井災(zāi)害時(shí)期的應(yīng)變能力等。

本設(shè)計(jì)方案實(shí)施后,礦井通風(fēng)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均將達(dá)到《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》的要求,礦井主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,風(fēng)量、風(fēng)壓能滿足井下各用風(fēng)點(diǎn)的需風(fēng)要求,井下各風(fēng)支風(fēng)流穩(wěn)定,風(fēng)流質(zhì)量較高,風(fēng)量分配合理,井下作業(yè)人員將告別通風(fēng)改造前的那種惡劣的作業(yè)環(huán)境。

[1] 吳 超,等.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2008,10.

[2] 王海寧,等.礦井風(fēng)流流動(dòng)與控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007,1.

[3] 蔡永樂(lè),等.礦井通風(fēng)與安全 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007,8.

2010-09-14)

文 興 (1981-),男,甘肅慶陽(yáng)人,在讀工程碩士,工程師,主要從事礦山安全、巖土工程監(jiān)測(cè)等方面科研工作,Email:wenxing0618@163.com。