某礦山通風系統(tǒng)改造的設計

文 興

(1.中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

某礦山通風系統(tǒng)改造的設計

文 興1,2

(1.中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

從通風井的布置、通風方式的選擇、礦井風量和風阻計算以及通風設備選型等多個方面全面論述了某礦山通風系統(tǒng)的改造設計,對類似礦山的通風系統(tǒng)優(yōu)化、改造或自然通風向機械通風轉型有較好的參考價值。

礦井通風;風量計算;設備選型;系統(tǒng)優(yōu)化

某礦山屬于小型礦山,在礦井淺部開采過程中,雖然自然通風起了十分重要的作用,但由于自然風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,甚至晝夜之間風壓都有明顯的變化。隨著礦山開采中段下降,礦山進、回風井之間風壓降低、風量減小,井下出現(xiàn)供氧不足、溫度高、濕度大、通風系統(tǒng)紊亂、漏風等安全隱患,通風問題日益突出。優(yōu)化礦井通風系統(tǒng),實現(xiàn)機械通風,對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 通風井的布置

礦山現(xiàn)有 4個坑口,深部斜井和淺部斜井為進風井,六廟坑口和三岔河坑口為回風井。4個坑口運輸、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,漏風不易阻止,風流難以控制,并且許多中段巷道受地壓破壞漏風嚴重。經(jīng)現(xiàn)場勘查和論證,設計新鮮風流由深部斜井、淺部斜井和三岔河坑口三通風井進入礦井,六廟坑口通風井作回風井。新風進入各中段位置后,往兩翼分送,需風段風壓高、風量足、風質好,清洗完工作面后由邊界回風天井回到 120中段,再匯集到六廟坑口多級盲斜井排出。

建立礦山新的通風系統(tǒng)不需要增加太多通風工程和構筑物,只須將六廟斜井與 120中段貫通 40 m左右,同時對六廟工區(qū)和三岔河工區(qū)相通的坑道進行密閉,防止進風段和回風段之間產(chǎn)生風流短路或漏風。礦山通風系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 礦山通風系統(tǒng)示意

2 通風方式的選擇

針對礦山開拓巷道的布置狀況,提出了 3種通風方案進行分析對比,3種通風方式的特點、優(yōu)缺點及注意事項見表1。

通過表1比較分析,并結合礦山實際情況,確定采用抽出式通風方式,即由深部斜井、淺部斜井、三岔河坑口進風,由六廟坑口回風。

表1 3種通風方式比較

3 礦井風量、風阻計算

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

(1)按井下同時工作的最多人數(shù)計算,每人供給風量不得少于 4 m3/min。

(2)按分項計算風量法進行計算。

3.1 礦井需風量的計算

(1)回采工作面風量計算。按通風排塵風量、排塵風速 (峒室型采場最低風速不應小于 0.15 m/s,采場和掘進巷道不應小于 0.25 m/s)、排除炮煙計算,取其最大值作為回采工作面風量,每個回采工作面風量為 2.5 m3/s。

(2)備用工作面風量計算?？紤]礦山生產(chǎn)管理的具體情況,并結合井下采場布置,備用工作面不設計臨時密閉措施,故每個備用工作面風量設計取1.5 m3/s。

(3)掘進工作面風量計算。掘進工作面的分布和數(shù)量由礦井采掘比大致確定。按現(xiàn)有開拓采準巷道斷面,每個掘進工作面風量設計取 1.5 m3/s。

(4)硐室風量。硐室不單獨占用風量,與礦井進風巷道串聯(lián),對主風流無污染,不計入全礦井風量。

(5) 分項計算總風量: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——礦井漏風系數(shù),考慮比較難以控制漏風,取 K=1.2;

n采——同時工作的回采工作面數(shù)量,取 6個;q采——回采工作面的計算風量,m3/s;

n備——回采工作面的備用數(shù)量,取 2個;

q備——備用工作面的計算風量,m3/s;

n掘——同時工作的掘進工作面數(shù)量,取 6個;

q掘——掘進工作面的計算風量,m3/s;

n硐——硐室的數(shù)量,取 0個;

q硐——硐室的計算風量,m3/s;

n其他——其他需風點的數(shù)量;

q其他——其他需風點的計算風量 ,m3/s。

將有關數(shù)據(jù)代入上述計算式,得礦井風量為:Q=32.4 m3/s。

(6)按井下同時工作最多人數(shù) 300人計算,需風量為:Q=20 m3/s。

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

3.2 礦井通風阻力計算

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

通風容易時期的總阻力:

通風困難時期的總阻力:

礦井通風容易時期和困難時期的阻力 h1、h2分別為 1585.25 Pa和 2045.03 Pa。

4 礦井通風設備的選型

4.1 主風扇的選型[2]

(1)計算風機風量 Qf:

式中:Qf——主要風機的工作風量,m3/s;

Qm——礦井需風量,m3/s;

k——漏風損失系數(shù) ,取 k=1.1。

將有關數(shù)據(jù)代入得:Qf=35.64 m3/s。

(2)計算風機風壓:

容易時期:Htd=hm+hd-HN

困難時期:Htd=hm+hd+HN

式中:Htd——風機全壓,Pa;

HN——礦井自然風壓,Pa;

hm——礦井通風系統(tǒng)的總阻力,Pa;

hd——通風機附屬裝置的阻力,Pa;

hvd——擴散器出口動能損失,Pa。

對于軸流式風機,將有關數(shù)據(jù)代入得風機的最小、最大風壓為:

(3)風機初選。根據(jù)目前礦山風機使用的情況,綜合考慮所選風機應滿足安全可靠、技術先進、經(jīng)濟技術指標良好等特點,選取對旋式軸流風機。根據(jù)計算的礦井通風容易時期通風機的 Qf、Hsdmin和礦井通風困難時期通風機的 Qf、Hsdmax,在通風機特性曲線上 (見圖2),選出滿足礦井通風要求的通風機為 DK62― No16。

圖2 DK62-No16性能曲線(n=960 r/m i n)

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

在通風機特性曲線圖中作通風機工作風阻曲線 ,與風壓曲線的交點 M′容易、M′困難2點 ,即為實際工況點 (如圖2所示)。

(5)確定通風機的型號和轉速。根據(jù)通風機的工況點參數(shù)對初選的通風機進行技術、經(jīng)濟和安全性比較,最后確定通風機的型號為 DK62-No16,轉速為 n=960 r/min。

4.2 電動機選型[3]

(1)按通風容易及困難時期,分別計算通風機所需輸入功率 Nmin、Nmax:

式中:ηs——通風機靜壓效率,80%。

計算得到:Nmin=77 kW,Nmax=108 kW。

(2)電動機的臺數(shù)及種類。考慮到風機動壓的損失 (漏風等損失),取動壓系數(shù)為 1.05。

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

ηs——風機靜壓效率,取ηs=0.75;

N——所需 2臺電機的總功率。

(3)設計選型。根據(jù)通風機技術參數(shù)要求及礦井無爆炸性氣體、粉塵,設計選取普通型電機,見表2。

表2 電機技術參數(shù)

5 結 論

礦井通風的目的是為礦井各用風場所提供足夠的新鮮風量,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)濟效益、礦井的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)及礦井災害時期的應變能力等。

本設計方案實施后,礦井通風系統(tǒng)的各項指標均將達到《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》的要求,礦井主通風機運行穩(wěn)定,風量、風壓能滿足井下各用風點的需風要求,井下各風支風流穩(wěn)定,風流質量較高,風量分配合理,井下作業(yè)人員將告別通風改造前的那種惡劣的作業(yè)環(huán)境。

[1] 吳 超,等.礦井通風與空氣調節(jié)[M].長沙:中南大學出版社,2008,10.

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

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

2010-09-14)

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