礦井空氣環境安全與通風動力聯動綜合技術研究

姚銀佩,劉偉強,王 志,李印洪,袁梅芳

(1．湖南有色冶金勞動保護研究院, 湖南 長沙 410014;2．非煤礦山通風防塵湖南省重點實驗室, 湖南 長沙 410014)

0 引 言

我國有2000多座大中型地下開采金屬礦山,其礦井通風系統普遍存在一些共性難題,而且在我國礦井通風技術幾十年發展過程中一直存在著,如礦井同時開采中段多、作業面多、污染源多、網路復雜、井巷斷面小、風路長、阻力大、寒冷季節進風溫度低、采礦工藝雜、設備落后,從而使礦井通風系統調控困難、檢測不準、管理復雜,進而造成礦井通風能耗高、死角多、污風多,使礦山傷亡多、中毒多、職業病多、產能低等。以金屬礦井空氣環境安全與通風動力聯動為關鍵核心,進而開發出與之配套和相互支撐的四項創新技術,能夠有效解決我國礦井通風存在的安全問題[1]。

1 礦井空氣品質指數與通風聯動節能技術

該技術由多個有毒有害氣體及粉塵指標關聯模型、礦井空氣品質綜合指數表達數學模型[2]、有毒物遠程實時在線檢測與調控、風機變頻與節能管理聯動技術等組成,以井下作業區(或主要作業中段)檢測有毒氣體和粉塵濃度為指標,同時結合我國法律法規的允許限值,得出礦井作業區空氣品質綜合指數,再以空氣品質綜合指數與通風系統主、輔扇進行節能聯動控制[3]。該技術在實驗室和遼寧紅透山銅礦井下應用,使礦井通風綜合節能率達到15%以上,空氣品質合格率提高約16．4%。

(1)金屬礦山井下空氣品質綜合指數模型。通過選定礦井空氣中最常見和對安全威脅最大的5種有毒有害物質作為評價因子,并建立數學模型關聯為礦井空氣品質綜合指數。該指數與目前大氣空氣污染指數的表達模式相統一,可以對礦井空氣品質進行評價,充分反映作業區的作業環境狀況。

(2)礦井作業區有毒有害物質實時在線檢測與遠程控制。在井下作業區域(或主要作業中段)安裝相應的有毒有害物質探測傳感器,以氣體和粉塵濃度為指標進行24 h在線檢測,見圖1,將傳感器檢測到的有毒有害物質濃度轉為微弱的模擬電流(m A)或電壓(m V)信號,把模擬信號傳送到可編程控制器(PLC),經A/D轉換成數字信號,傳送至工控機。

圖1 礦井空氣品質在線檢測與遠程控制界面

(3)礦井通風系統主輔扇節能聯動技術,實現了安全通風節能和科學管理。由工控機對各作業區傳送過來的數字信號進行儲存、分析、運算、顯示,并產生控制信號,驅動變頻器對通風系統主、輔扇進行轉速控制。從而達到節約電能的目的。當主、輔扇供電不正常而引起故障時,作業區的空氣品質綜合指數超標情況將在中心調度室得到反映并報警,恢復供電后在中心調度室對主、輔扇開停進行遠程控制,不需管理人員到深部井下機房操作,避免中毒事故的發生,提高了礦山通風的安全控制能力,實現通風安全科學管理。

2 地能預熱冷風與溫控聯動防凍井技術

該技術由廢舊井巷或空區預熱冷風流精算技術、導風板引導調控風流技術、風溫調控與導風板智能聯動技術等組成,主要針對我國北方礦山寒冷季節5個月(11月至次年3月)凍井現象而研究的防凍進風系統。寒冷季節時由預熱風機將入風流冷空氣抽入礦山淺部井巷或采空區,進行巖溫預熱和凈化處理,與提升進風豎井連通形成預熱系統[4],如圖2所示。在豎井口安設溫度傳感器與預熱風機的變頻系統形成聯動,控制井口冬季溫度保持＋2℃以上。通過在河北峪耳崖金礦現場應用,使礦井通風綜合節能率達到15%以上。

圖2 地能預熱入風流和風溫聯控系統

(1)我國地下金屬礦山開采一般是從上往下開采,則上部存在巷道和采空區,充分利用井下增溫巖層的升溫效應與新鮮冷空氣發生熱量交換,即上部的已有巷道和采空區巖體的散熱作用,對寒冷季節新鮮入風流進行預熱,為了保證進風源空氣質量,將空區預熱的風流采取噴淋水霧等凈化措施后,由預熱風機送至提升豎井,一部分從豎井口排出防止凍井,另一部分經豎井進入各生產中段的作業面。

(2)利用導風板靈活控制風流方向及風量大小,在預熱巷道與豎井連通處安設可調節上下角度的弧形導風板,既可調節預熱風量從豎井排出的大小,又減少預熱風機的電能消耗。

(3)豎井口溫度調控和預熱風機及導風板聯動技術,當冬季豎井井口溫度低于＋2℃時,預熱風機通過變頻增大風機轉速同時增大導風板與巷道底板之間的夾角,增加井口導風量,使豎井井口溫度上升并達到防止結冰的要求溫度。當井口溫度超過＋2℃,可降低風機轉速同時減小導風板與巷道底板之間的夾角,使大部分風流通過豎井進入深部作業中段,保證井下通風。這樣既可減少預熱風機的裝機容量,節約電能,又可保證礦山寒冷季節進風豎井的安全生產。

3 風流凈化與局部循環風安全監控聯動技術

該技術由化學抑塵技術、大采空區污風初級自凈技術、循環風水浴絲碳式凈化技術、循環風監控聯動技術、定時爆破集中污風管理模式等組成。通過采空區低速自凈作用及化學抑塵劑、水浴絲碳式凈化井下污風風流,再利用探測系統在線監控凈化風流品質,將合格風流循環送入井下,達到礦井通風系統風流受控循環和風質控制的目的,實現礦山節能減排,改善井下環境的目標,如圖3所示。該技術在遼寧紅透山銅礦深部開采應用,使得通風系統風量增幅達34．1%,有效風量率提高約16%。

圖3 空區＋凈化技術及循環風利用

(1)充分利用大采空區的自凈功能和構建空間立體式全流程“循環風水浴絲碳式凈化系統”,有害物質首先通過紊流擴散、彌散、以及自由沉降、吸收、碰撞等機理進行自然凈化,然后在進行人工凈化系統[5],即水浴絲碳式凈化系統,其包括4種類型:噴霧水幕、纖維柵網、濕式噴淋纖維柵、活性碳。

(2)運用清洗礦井大氣飄塵復合濕潤劑技術,其濕潤效率更高,且成本低。該抑塵劑對鉛鋅礦粉塵的濕潤時間可縮短幾倍甚至幾十倍,而且沒有毒副作用。

(3)充分利用“定時爆破”作業時段,集中排出污風,保障通風安全。非集中爆破作業時段,也恰好是作業人員最多、需風量最大的時段。首先充分利用非集中爆破的有利時段,實現“人員集中作業時段內”系統循環通風[6],使得通風系統運行有充分安全保障,并具有良好的調整余地。

(4)基于以太網實時監控系統,優化循環風利用率,在線檢測自動調控。系統可按照各自的權限查看實時數據、歷史數據、報表、曲線、圖形和按照程序控制井下設備運轉情況等操作,實現連續監控、數據記錄,同時在循環風路上安裝人工和遠程控制電動風門,對循環風量利用率進行實時調控,以保證通風系統的運行安全可靠。

4 分區通風降阻與主輔扇匹配聯動技術

該技術由礦山深部開采隔離式通風降阻方案、通風系統網絡解算技術、主輔扇匹配通風聯動技術等組成。構建隔離層而形成上部匯風中段,匯集下部作業中段污風,再通過上部已有的井巷工程和采空區進行區域式回風,從而大大增加了回風斷面積,有效降低回風阻力[7]。采用主、輔扇匹配技術優化風機聯合工況[8],達到扇風機的高效節能運轉。通過在河北石湖金礦中深部開采現場應用,使得礦山通風綜合節能率達到15%以上,漏風率降低約18%。

(1)中深部開采隔離式降阻通風技術。結合實際提出隔離式降阻通風技術,即利用已開采殆盡的上部中段巷道和采空區,新建風門、風墻等相關通風構筑物,及封堵與下部中段各個通道,構建區域的通風隔離層,將用風區與廢風區隔離開來,避免污風與新鮮風串聯,同時也減少了自然風壓對深部通風系統的影響;利用施工相關的回風巷道、上部已有采空區和巷道,將主扇抽出的深部生產區域的污風進行分流,形成多路并聯回風網路,最大程度地降低回風系統的通風阻力,既解決了通風的技術難題,又降低了通風能耗。

(2)深部主扇通風與上部單翼輔扇回風匹配技術。根據礦山實際情況,設立多翼回風線路,主扇風機安裝于主采中段的上部中段,負擔下部主要生產開采區域的回風,通過在上部單翼安裝輔扇風機,實現風流的引導、解決上部殘采通風的目的,采用非線性數學算法及三維數值軟件,對主扇與單翼風機進行合理優化匹配,以實現最大程度通風效率的目的。

5 結 論

(1)礦井空氣環境安全與通風動力聯動綜合技術解決了我國2000多座大中型金屬礦山的礦井通風系統幾十年普遍存在的共性技術問題,提高礦井通風綜合節能率15%以上,提升礦井空氣品質合格率約16．4%,增加有效風量率約16%,降低漏風率約18%。

(2)在環境安全、勞動保護、節能降耗、推廣應用和國際競爭力等方面具有顯著的社會效益。既提高了礦山生產安全性,又改善了井下作業環境條件,保證了勞動者的身心健康,可以降低我國200多萬井下礦工由于炮煙、粉塵等通風不良情況帶來的生命風險和塵肺等嚴重職業病危害。降低了通風系統運行成本,節約了大量電能,減少了能源浪費,符合當前我國節能減排相關政策。利用風流凈化措施與循環風安全監控聯動技術,拓展了受控循環風的應用范圍,利用地能預熱冷風與溫控聯動防凍井技術,解決北方地區礦山寒冷季節凍井難題,具有推廣應用價值。