石乃敏

(廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西 崇左 532200)

1 前言

深井局部巷道通風(fēng)降溫是深井開采井下環(huán)境控制的難題之一。它不再是傳統(tǒng)的以排塵、排煙為目的通風(fēng)，而是將深井排熱通風(fēng)作業(yè)面需風(fēng)量、氣候預(yù)測綜合考慮，對緩解日趨嚴(yán)重的深井井下熱害進(jìn)行調(diào)控。高溫深井局部巷道的通風(fēng)降溫，雖然不能像采掘礦石那樣帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，但不適當(dāng)?shù)耐L(fēng)將會降低勞動生產(chǎn)效率、增加工人對井下環(huán)境的恐懼感和事故率，深井巷道通風(fēng)降溫是深井開采工藝的重要環(huán)節(jié)，它直接影響到深井開采的投資和經(jīng)營效果，是深井環(huán)境控制的一個復(fù)雜難題[1]。

某錫礦山生產(chǎn)規(guī)模為1 000t/d，開采深度近千米，采用機(jī)械化上向水平分層充填法采礦，采用豎井+斜井聯(lián)合開拓。礦山經(jīng)過多年開采建設(shè)，已具有完整的采礦工藝系統(tǒng)，其主要采掘工藝狀況如下。

(1)主提升設(shè)施為探采斜井和深部2#、3#盲斜井組成的三級接力提升系統(tǒng)，提升能力可達(dá)1 100t/d。主提升系統(tǒng)提升形式為單箕斗提升，后卸式固定雙軌卸礦。

(2) 副提升任務(wù)主要由豎井和4#盲斜井完成，豎井服務(wù)至+200m水平，該水平以下的人員、材料、設(shè)備的下放由4#盲斜井承擔(dān)。

(3) 尾礦膠結(jié)充填系統(tǒng)由地面砂漿制備站和井下管道輸送系統(tǒng)組成，充填能力為800m3/d，現(xiàn)已服務(wù)到-50m水平。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

該礦井采用分區(qū)進(jìn)風(fēng)、集中回風(fēng)的對角式通風(fēng)系統(tǒng)，以探采斜井和豎井作為進(jìn)風(fēng)井，以黃瓜洞斜井作為回風(fēng)井。井下-50m中段以上已經(jīng)形成完善的通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮風(fēng)流從主斜井、豎井進(jìn)入，經(jīng)盲斜井、主斜坡道到各工作面，污風(fēng)通過回風(fēng)平巷到回風(fēng)斜井或回風(fēng)天井，經(jīng)250m、450m水平機(jī)站風(fēng)機(jī)排出地表。450m回風(fēng)量為74.96m3/s。

礦井采用多級機(jī)站的通風(fēng)方式，所有機(jī)站均布置在井下，回風(fēng)機(jī)站設(shè)于118m水平處。為了解決增加對風(fēng)流的需求，還開掘-60m～-151m北、-151m北～-200m北兩個通風(fēng)天井及-200m南面～-166m回風(fēng)斜井，深部通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)得到了進(jìn)一步完善，通風(fēng)質(zhì)量有所改善。但-151m、-185m、-200m水平通風(fēng)效果仍較差，高溫?zé)岷栴}突出。

3 井下熱、濕源調(diào)查及分布特征

礦山井下是一個相對封閉的空間，而且在其空間內(nèi)存在連續(xù)大量的生產(chǎn)作業(yè)，破壞了原來地殼內(nèi)的各種平衡，其中新開挖的空間內(nèi)，接收了各種能源的釋放。根據(jù)井下熱濕的現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測，該礦井下熱源主要有：(1)空氣壓縮熱源。它是動態(tài)變化的，隨井深的增加，單位體積內(nèi)的空氣在絕熱的條件下，溫度不斷增加。(2)巖石地?zé)釢駸嵩?。該熱源來自地下巖石的溫升，據(jù)測定該熱源在深度方向?yàn)榫€性的，其線性率在2.5～3℃/100m。(3)裂隙涌水熱源。該熱源在井下零散分布，溫度較高。井下濕源主要有井下濕式作業(yè)機(jī)釋放的水和井下裂隙涌水。井下的熱濕源在井下風(fēng)流的作用下，由于氣體狀態(tài)參數(shù)的變化，通過熱量和質(zhì)量交換進(jìn)入到通風(fēng)風(fēng)流中，使風(fēng)流的溫度和濕度變化[2]。

通過對通風(fēng)路線上主要的水源、圍巖、設(shè)備、作業(yè)情況等熱濕基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量收集。測量數(shù)據(jù)表明，開采最深處-200m水平獨(dú)頭巷道工作面的溫度最高36.5℃，是熱害最為嚴(yán)重點(diǎn)。所以，對于局部通風(fēng)降溫應(yīng)該著眼于獨(dú)頭巷道工作面。

4 深井局部巷道排熱降溫通風(fēng)方案

深井巷道通風(fēng)降溫方案，以距主風(fēng)流巷道0～800m為目標(biāo)。新開挖暴露巖石溫度為35℃，排塵風(fēng)速按《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定，風(fēng)速大于0.15m/s。通風(fēng)降溫?zé)嶝?fù)荷按設(shè)定條件進(jìn)行計(jì)算。選取-200m水平采礦場北面脈外巷作為目標(biāo)通風(fēng)排熱降溫巷道?，F(xiàn)場測量參數(shù)為溫度35℃，相對濕度99%。斷面尺寸3.55m×2.95m的獨(dú)頭探采巷道作為深井局部通風(fēng)降溫巷道計(jì)算的依據(jù)，該巷道的斷面周長為14m，斷面面積為14m2，巷道長度選取200m，空氣密度取1.20kg/m3，井深近似取500m。

根據(jù)上述參數(shù)，可供選擇的排熱降溫通風(fēng)有以下4種方案[3]。

1)深井局部巷道局部通風(fēng)機(jī)壓入式排熱降溫通風(fēng)方案

壓入式通風(fēng)方案是采用局部風(fēng)機(jī)及絕熱送風(fēng)管道，向巷道工作區(qū)送風(fēng)排熱的方式。這是一種經(jīng)典的巷道通風(fēng)方案，具體如圖1所示。它利用了射流原理控制工作區(qū)氣候，壓入式通風(fēng)風(fēng)筒出口風(fēng)速和有效射程均較大，能夠防止污染物層狀積聚，重要的是出口風(fēng)速大可提高散熱效果，可使用柔性風(fēng)筒，安裝簡便、結(jié)構(gòu)簡單，風(fēng)筒內(nèi)氣壓大于巷道內(nèi)氣壓有利于污染物的稀釋。

圖1 壓入式式局部通風(fēng)示意圖

圖2 抽出式局部通風(fēng)示意圖

2)深井局部巷道局部通風(fēng)機(jī)抽出式排熱降溫通風(fēng)方案

抽出式通風(fēng)有效吸程小，在掘進(jìn)中難以工作面在有效吸程內(nèi)，與壓入式通風(fēng)相比，抽出式風(fēng)量小，工作面排污所需時(shí)間長、速度慢，如圖2所示。

3)深井局部巷道局部通風(fēng)機(jī)壓入聯(lián)合抽出式排熱降溫通風(fēng)方案

壓入聯(lián)合抽出式排熱降溫通風(fēng)方案，既是采用局部風(fēng)機(jī)及絕熱送風(fēng)管道向巷道工作區(qū)送風(fēng)，同時(shí)在巷道內(nèi)還設(shè)置抽出風(fēng)機(jī)進(jìn)行排熱降溫。這也是一種經(jīng)典的巷道通風(fēng)方案，具體如圖3所示。它利用了射流原理控制工作區(qū)氣候，并利用抽出風(fēng)機(jī)增加排熱。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，控溫控濕效果較好。

圖3 局部通風(fēng)機(jī)抽壓聯(lián)合排熱降溫通風(fēng)示意圖

4)深井局部巷道自控制冷壓入式排熱降溫方案

該方案基于方案3，考慮風(fēng)源溫度無法達(dá)到28℃時(shí)，使用小型冷水機(jī)組與壓入式通風(fēng)相結(jié)合向采掘區(qū)送風(fēng)排熱，具體如圖4所示。此時(shí)，局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口與空冷器出口相連。

圖4 局部巷道自控制冷壓入式排熱降溫通風(fēng)示意圖

5 通風(fēng)降溫?zé)嶝?fù)荷估算

該礦井下熱害最為嚴(yán)重的是-200m水平的獨(dú)頭探采巷道?；夭晒ぷ髅骘L(fēng)流溫度取安全規(guī)程規(guī)定的28℃，按標(biāo)高±0m水平的氣壓為101.325kPa，則-200m水平的氣壓P=101.325+1.2×9.8×200/1 000=103.68kPa。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，取巖石溫度為35℃。以下以排熱排濕為目標(biāo)計(jì)算熱負(fù)荷。

5.1 設(shè)計(jì)冷負(fù)荷估算

一般來說，深井熱害的來源主要是地?zé)岷涂諝鈮嚎s熱，全礦的熱害治理的絕對放熱量應(yīng)以空氣壓縮放熱、巖石放熱、機(jī)械設(shè)備放熱、人員放熱等熱源估算。而局部的熱害通風(fēng)降溫考慮的是，把局部熱源釋放的熱量排出，進(jìn)而降低局部空間內(nèi)空氣溫度，熱源主要包括巖石表面釋熱、人員放熱量和機(jī)電設(shè)備放熱量[4]。

(1)巖石表面釋熱量為

Q1=K×A×Δt

式中：K——傳熱系數(shù)(取6.1×10-3)；

A——換熱面積；

Δt——換熱溫差。

Q1為18 kW。

(2)人員放熱量(按6人計(jì)，每人按0.156kW考慮)Q2=0.156×n=0.156×6=0.94kW。

(3)機(jī)電設(shè)備放熱量(機(jī)電設(shè)備功率按8kW計(jì))Q3=0.496Ne=0.496×8=3.9kW。

按所需排熱降溫量為∑Q=Q1+Q2+Q3=18+0.94+3.9=22.8kW。

5.2 供風(fēng)風(fēng)量估算

巷道需風(fēng)量應(yīng)按稀釋有毒有害氣體、炮煙以及排塵并使工作面具有適宜的氣溫和風(fēng)速，分別進(jìn)行計(jì)算，然后取其中的最大值。由于該礦巷道無有毒有害氣體，這里只分別計(jì)算排熱、排塵、適宜風(fēng)速以及作業(yè)人員所需風(fēng)量，然后取最大值。

按工作面最低排塵計(jì)算風(fēng)量Qd=0.15×14=2.1m3/s=126m3/min。

按巷道內(nèi)工作人員數(shù)計(jì)算許所需風(fēng)量，每人每分鐘4m3計(jì)，風(fēng)量為Qr=4×6=24m3/min。

按工作面溫度與風(fēng)速對照表，計(jì)算風(fēng)量按巷道溫度與風(fēng)速間關(guān)系，溫度越高示意的風(fēng)速也越大，計(jì)算局部風(fēng)量為Qy=2×14=28m3/s=1 680m3/min。

顯然，如果按該礦井下溫度的實(shí)際情況，按最高風(fēng)溫計(jì)算，要使人體達(dá)到舒適，風(fēng)量達(dá)1 680m3/min比其他送風(fēng)計(jì)算的風(fēng)量要大的多。所以，這里為兼顧送風(fēng)的經(jīng)濟(jì)性，不按這種方法進(jìn)行送風(fēng)量的計(jì)算。

6 巷道局部通風(fēng)機(jī)排熱降溫通風(fēng)方案選擇

不同的送風(fēng)風(fēng)速在獨(dú)頭巷道內(nèi)造成的氣候控制區(qū)域不同，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)和各種情況估算風(fēng)量，然后按巷道風(fēng)速和斷面面積核算風(fēng)量。在巷道送風(fēng)風(fēng)速為1.5m/s、送風(fēng)管上部布置時(shí)，可在14m2斷面獨(dú)頭巷道內(nèi)形成20～50m的氣候控制區(qū)。

考慮局部通風(fēng)機(jī)排熱降溫目標(biāo)，兼顧考慮建設(shè)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等方面的復(fù)雜性，深井高溫局部通風(fēng)排熱方案選擇第4種方案，即局部巷道自控制冷壓入式排熱降溫方案[5-6]。

在進(jìn)風(fēng)起始端安裝局部通風(fēng)機(jī)，送風(fēng)風(fēng)筒鏈接在風(fēng)筒出口端，風(fēng)筒長度隨采掘進(jìn)度的增加而延長，同時(shí)改變風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，具體如圖5所示。

圖5 局部通風(fēng)機(jī)壓入式送風(fēng)排熱降溫示意圖

總壓力損失P=Pi+P0+P空+Pλ=0.1×24.5+0.1×24.5+30+53≈87Pa。

考慮風(fēng)路的漏風(fēng)，風(fēng)量安全系數(shù)取1.5，則風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量應(yīng)是Q機(jī)=1.5×7=630m3/min。

風(fēng)量核算按Q>15A,即Q機(jī)>Q=15×14=210m3/min。

最終風(fēng)機(jī)風(fēng)量按校核的結(jié)果630m3/min選取局部通風(fēng)機(jī)。

選擇局部通風(fēng)機(jī)型號為FDB№6.7/2×37型，風(fēng)量范圍450～680m3/min，全壓1 200～6 000Pa，電機(jī)功率2×37kW。

7 巷道制冷排熱降溫通風(fēng)設(shè)備和主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

按上述方案4以及所選風(fēng)機(jī)和送風(fēng)管，局部自動控制制冷排熱降溫方案所用設(shè)備見表1。

表1 巷道制冷排熱降溫通風(fēng)設(shè)備表

具體實(shí)施上，送風(fēng)風(fēng)筒的進(jìn)口應(yīng)在上風(fēng)向，且距巷道口距離大于10m，為便于排放冷水機(jī)組的冷凝熱，冷水機(jī)組應(yīng)設(shè)置在下風(fēng)向。制冷機(jī)組使用風(fēng)冷模塊機(jī)組，可采用美的風(fēng)冷制冷模塊，該模塊采用風(fēng)冷、制冷劑使用R407C，機(jī)組內(nèi)置多種自動保護(hù)功能，可確保無人值守條件下安全運(yùn)行。風(fēng)冷制冷模塊的冷媒管與空冷器鏈接，由局部通風(fēng)機(jī)壓送的風(fēng)流經(jīng)過空冷器被降溫，降溫后的風(fēng)流經(jīng)絕熱風(fēng)管送到工作面，冷風(fēng)流在工作進(jìn)行熱交換升溫后，由抽風(fēng)管排入回風(fēng)的主風(fēng)流中[7]。使用風(fēng)冷模塊機(jī)組，管路簡單、移動擴(kuò)充便捷，產(chǎn)品成熟。制冷機(jī)組使用時(shí)安裝在臨時(shí)硐室內(nèi)。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，由于實(shí)際掘進(jìn)是獨(dú)頭巷道不斷延長的過程，所制定局部通風(fēng)方案均是按最長獨(dú)頭巷道來選擇風(fēng)機(jī)和制冷設(shè)備，所以當(dāng)獨(dú)頭工作面距離較短時(shí)，局部通風(fēng)機(jī)和制冷功率均有余量，因此最好是采用變頻工作方式。

制冷模塊應(yīng)放置在專門的小型硐室內(nèi)，絕熱送風(fēng)管道沿巷道腰線懸掛，最好使用硬質(zhì)材料管道，出風(fēng)口工作面的距離大于5倍的平方根巷道面積。具體如圖6所示。

圖6 局部自動控制制冷排熱降溫方案圖

8 結(jié)論

(1)深井高溫?zé)岷Φ闹饕蚴蔷麓嬖诟鞣N熱、濕源。其熱源主要來自空氣壓縮熱、巖石地?zé)?、裂隙涌水熱；濕源主要來自井下濕式作業(yè)機(jī)具釋放的水和井下裂隙涌水。

(2)井下熱濕源均為開放性的，巖層溫升和空氣壓縮熱是主要熱源，井下濕度處于飽和狀態(tài)，井下熱害的季節(jié)性變化較弱。

(3)對豎井端，平巷段、斜井端等風(fēng)流參數(shù)進(jìn)行實(shí)測，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明熱害最為嚴(yán)重的是深部的獨(dú)頭巷道工作空間。

(4)對熱害最為嚴(yán)重的獨(dú)頭工作空間的通風(fēng)降溫進(jìn)行了方案研究，設(shè)計(jì)了自控制冷壓入式局部巷道降溫方案。

(5)采用人工制冷送風(fēng)的方式，能夠使高溫獨(dú)頭巷道作業(yè)區(qū)的溫度滿足礦山安全規(guī)程的規(guī)定，是解決高溫?zé)岷Φ挠行Х椒ㄖ弧?/p>