某錫礦山深井局部巷道排熱降溫通風優化方案

石乃敏

(廣西理工職業技術學院， 廣西 崇左 532200)

1 前言

深井局部巷道通風降溫是深井開采井下環境控制的難題之一。它不再是傳統的以排塵、排煙為目的通風，而是將深井排熱通風作業面需風量、氣候預測綜合考慮，對緩解日趨嚴重的深井井下熱害進行調控。高溫深井局部巷道的通風降溫，雖然不能像采掘礦石那樣帶來直接的經濟效益，但不適當的通風將會降低勞動生產效率、增加工人對井下環境的恐懼感和事故率，深井巷道通風降溫是深井開采工藝的重要環節，它直接影響到深井開采的投資和經營效果，是深井環境控制的一個復雜難題[1]。

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

(1)主提升設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，提升能力可達1 100t/d。主提升系統提升形式為單箕斗提升，后卸式固定雙軌卸礦。

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

(3) 尾礦膠結充填系統由地面砂漿制備站和井下管道輸送系統組成，充填能力為800m3/d，現已服務到-50m水平。

2 礦井通風系統現狀

該礦井采用分區進風、集中回風的對角式通風系統，以探采斜井和豎井作為進風井，以黃瓜洞斜井作為回風井。井下-50m中段以上已經形成完善的通風系統，新鮮風流從主斜井、豎井進入，經盲斜井、主斜坡道到各工作面，污風通過回風平巷到回風斜井或回風天井，經250m、450m水平機站風機排出地表。450m回風量為74.96m3/s。

礦井采用多級機站的通風方式，所有機站均布置在井下，回風機站設于118m水平處。為了解決增加對風流的需求，還開掘-60m～-151m北、-151m北～-200m北兩個通風天井及-200m南面～-166m回風斜井，深部通風網絡得到了進一步完善，通風質量有所改善。但-151m、-185m、-200m水平通風效果仍較差，高溫熱害問題突出。

3 井下熱、濕源調查及分布特征

礦山井下是一個相對封閉的空間，而且在其空間內存在連續大量的生產作業，破壞了原來地殼內的各種平衡，其中新開挖的空間內，接收了各種能源的釋放。根據井下熱濕的現場跟蹤監測，該礦井下熱源主要有：(1)空氣壓縮熱源。它是動態變化的，隨井深的增加，單位體積內的空氣在絕熱的條件下，溫度不斷增加。(2)巖石地熱濕熱源。該熱源來自地下巖石的溫升，據測定該熱源在深度方向為線性的，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機釋放的水和井下裂隙涌水。井下的熱濕源在井下風流的作用下，由于氣體狀態參數的變化，通過熱量和質量交換進入到通風風流中，使風流的溫度和濕度變化[2]。

通過對通風路線上主要的水源、圍巖、設備、作業情況等熱濕基礎數據進行測量收集。測量數據表明，開采最深處-200m水平獨頭巷道工作面的溫度最高36.5℃，是熱害最為嚴重點。所以，對于局部通風降溫應該著眼于獨頭巷道工作面。

4 深井局部巷道排熱降溫通風方案

深井巷道通風降溫方案，以距主風流巷道0～800m為目標。新開挖暴露巖石溫度為35℃，排塵風速按《金屬非金屬礦山安全規程》規定，風速大于0.15m/s。通風降溫熱負荷按設定條件進行計算。選取-200m水平采礦場北面脈外巷作為目標通風排熱降溫巷道。現場測量參數為溫度35℃，相對濕度99%。斷面尺寸3.55m×2.95m的獨頭探采巷道作為深井局部通風降溫巷道計算的依據，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。

根據上述參數，可供選擇的排熱降溫通風有以下4種方案[3]。

1)深井局部巷道局部通風機壓入式排熱降溫通風方案

壓入式通風方案是采用局部風機及絕熱送風管道，向巷道工作區送風排熱的方式。這是一種經典的巷道通風方案，具體如圖1所示。它利用了射流原理控制工作區氣候，壓入式通風風筒出口風速和有效射程均較大，能夠防止污染物層狀積聚，重要的是出口風速大可提高散熱效果，可使用柔性風筒，安裝簡便、結構簡單，風筒內氣壓大于巷道內氣壓有利于污染物的稀釋。

圖1 壓入式式局部通風示意圖

圖2 抽出式局部通風示意圖

2)深井局部巷道局部通風機抽出式排熱降溫通風方案

抽出式通風有效吸程小，在掘進中難以工作面在有效吸程內，與壓入式通風相比，抽出式風量小，工作面排污所需時間長、速度慢，如圖2所示。

3)深井局部巷道局部通風機壓入聯合抽出式排熱降溫通風方案

壓入聯合抽出式排熱降溫通風方案，既是采用局部風機及絕熱送風管道向巷道工作區送風，同時在巷道內還設置抽出風機進行排熱降溫。這也是一種經典的巷道通風方案，具體如圖3所示。它利用了射流原理控制工作區氣候，并利用抽出風機增加排熱。特點是結構簡單，控溫控濕效果較好。

圖3 局部通風機抽壓聯合排熱降溫通風示意圖

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，考慮風源溫度無法達到28℃時，使用小型冷水機組與壓入式通風相結合向采掘區送風排熱，具體如圖4所示。此時，局部通風機進風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示意圖

5 通風降溫熱負荷估算

該礦井下熱害最為嚴重的是-200m水平的獨頭探采巷道。回采工作面風流溫度取安全規程規定的28℃，按標高±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。根據現場實測結果，取巖石溫度為35℃。以下以排熱排濕為目標計算熱負荷。

5.1 設計冷負荷估算

一般來說，深井熱害的來源主要是地熱和空氣壓縮熱，全礦的熱害治理的絕對放熱量應以空氣壓縮放熱、巖石放熱、機械設備放熱、人員放熱等熱源估算。而局部的熱害通風降溫考慮的是，把局部熱源釋放的熱量排出，進而降低局部空間內空氣溫度，熱源主要包括巖石表面釋熱、人員放熱量和機電設備放熱量[4]。

(1)巖石表面釋熱量為

Q1=K×A×Δt

式中：K——傳熱系數(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，每人按0.156kW考慮)Q2=0.156×n=0.156×6=0.94kW。

(3)機電設備放熱量(機電設備功率按8kW計)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 供風風量估算

巷道需風量應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速，分別進行計算，然后取其中的最大值。由于該礦巷道無有毒有害氣體，這里只分別計算排熱、排塵、適宜風速以及作業人員所需風量，然后取最大值。

按工作面最低排塵計算風量Qd=0.15×14=2.1m3/s=126m3/min。

按巷道內工作人員數計算許所需風量，每人每分鐘4m3計，風量為Qr=4×6=24m3/min。

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

顯然，如果按該礦井下溫度的實際情況，按最高風溫計算，要使人體達到舒適，風量達1 680m3/min比其他送風計算的風量要大的多。所以，這里為兼顧送風的經濟性，不按這種方法進行送風量的計算。

6 巷道局部通風機排熱降溫通風方案選擇

不同的送風風速在獨頭巷道內造成的氣候控制區域不同，根據實測數據和各種情況估算風量，然后按巷道風速和斷面面積核算風量。在巷道送風風速為1.5m/s、送風管上部布置時，可在14m2斷面獨頭巷道內形成20～50m的氣候控制區。

考慮局部通風機排熱降溫目標，兼顧考慮建設、安裝、運行、維護等方面的復雜性，深井高溫局部通風排熱方案選擇第4種方案，即局部巷道自控制冷壓入式排熱降溫方案[5-6]。

在進風起始端安裝局部通風機，送風風筒鏈接在風筒出口端，風筒長度隨采掘進度的增加而延長，同時改變風機的送風量，具體如圖5所示。

圖5 局部通風機壓入式送風排熱降溫示意圖

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

考慮風路的漏風，風量安全系數取1.5，則風機額定風量應是Q機=1.5×7=630m3/min。

風量核算按Q>15A,即Q機>Q=15×14=210m3/min。

最終風機風量按校核的結果630m3/min選取局部通風機。

選擇局部通風機型號為FDB№6.7/2×37型，風量范圍450～680m3/min，全壓1 200～6 000Pa，電機功率2×37kW。

7 巷道制冷排熱降溫通風設備和主要經濟指標

按上述方案4以及所選風機和送風管，局部自動控制制冷排熱降溫方案所用設備見表1。

表1 巷道制冷排熱降溫通風設備表

具體實施上，送風風筒的進口應在上風向，且距巷道口距離大于10m，為便于排放冷水機組的冷凝熱，冷水機組應設置在下風向。制冷機組使用風冷模塊機組，可采用美的風冷制冷模塊，該模塊采用風冷、制冷劑使用R407C，機組內置多種自動保護功能，可確保無人值守條件下安全運行。風冷制冷模塊的冷媒管與空冷器鏈接，由局部通風機壓送的風流經過空冷器被降溫，降溫后的風流經絕熱風管送到工作面，冷風流在工作進行熱交換升溫后，由抽風管排入回風的主風流中[7]。使用風冷模塊機組，管路簡單、移動擴充便捷，產品成熟。制冷機組使用時安裝在臨時硐室內。結合生產實際，由于實際掘進是獨頭巷道不斷延長的過程，所制定局部通風方案均是按最長獨頭巷道來選擇風機和制冷設備，所以當獨頭工作面距離較短時，局部通風機和制冷功率均有余量，因此最好是采用變頻工作方式。

制冷模塊應放置在專門的小型硐室內，絕熱送風管道沿巷道腰線懸掛，最好使用硬質材料管道，出風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 結論

(1)深井高溫熱害的主要原因是井下存在各種熱、濕源。其熱源主要來自空氣壓縮熱、巖石地熱、裂隙涌水熱；濕源主要來自井下濕式作業機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，井下熱害的季節性變化較弱。

(3)對豎井端，平巷段、斜井端等風流參數進行實測，數據分析結果表明熱害最為嚴重的是深部的獨頭巷道工作空間。

(4)對熱害最為嚴重的獨頭工作空間的通風降溫進行了方案研究，設計了自控制冷壓入式局部巷道降溫方案。

(5)采用人工制冷送風的方式，能夠使高溫獨頭巷道作業區的溫度滿足礦山安全規程的規定，是解決高溫熱害的有效方法之一。