深井可控循环风水浴丝网净化降温技术研究

周英烈

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院；2.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室)

深井可控循环风水浴丝网净化降温技术研究

周英烈1,2

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院；2.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室)

在分析了深井主要热源的基础上，基于可控循环风理论，提出了深井可控循环风水浴丝网净化降温技术。该技术应用喷射水幕、纤维栅栏、喷淋湿式纤维栅和活性碳等净化降温装置，采用迷宫式布置，其中水雾喷淋装置对污风做截面喷淋，纤维栅网使污风在水平上做S型流动，喷淋湿式纤维网进行巷道全断面净化处理，碳式吸附网使污风在竖向上做S型流动，最终使通过循环巷道的循环风既能净化有毒有害气体和粉尘，又能得到降温。将该技术应用于红透山矿井下循环风系统建设，达到了预期的净化及降温效果，取得了良好的经济效益和社会效益，为解决深井通风困难提供了一种技术上可行、安全上可靠、综合效益好的途径。

深井通风 可控循环风 水浴丝网 净化降温

由于不断地开采挖掘，我国矿产资源量不断减少，对深部矿产资源的规模化开采已成为未来我国矿业发展的趋势。然而，随着矿山开采深度的增加，井下温度越来越高，已成为影响深井正常生产和安全作业的主要灾害。我国《地下矿山安全规程》规定，地下矿山作业环境温度不能高于28 ℃。目前，深井降温技术已经成为了采矿技术研究中的一个重要领域。上世纪80年代，英国提出了可控循环风技术，并通过试验论证了该技术的合理性和可行性，自此，国外诸多矿山的深井通风工程中逐渐应用了这一技术[1]。在国内，也已经有矿山开始使用可控循环风技术，并取得初步效果，如二道沟矿、红透山矿等[2]。本文旨在将水浴丝网净化降温技术应用于深井循环风技术中，以达到净化、降温的双重目的。

1 深井热源分析

地下矿山井下热源主要有：地热、空气压缩热、氧化反应放热、爆破放热、生产放热等[3]。

1.1 地 热

地热是深井岩层放出的热量，约占到整个井下放热量的48%，是最主要的深井热源。地热以围岩传热的形式进行散热，根据热量程度及变化规律，将整个地下岩层划分为变温带、恒温带和增温带。增温带岩石温度的增加规律可以用增温率来表述：

tr=t0+Gt(Z-Z0) ,

(1)

式中，tr为计算点岩石温度；t0为地表温度；Gt为地热梯度；Z为计算点与地表间高差；Z0为恒温带深度。

岩石的温度最终会传给井下空气，传热规律计算如下：

(2)

式中,A为巷道截面面积：t为巷道通风时间：tr为围岩的初始温度；ta为计算点空气温度；K为围岩热导率；α为围岩热扩散系数。

1.2 空气压缩放热

地面空气在矿井内受到了井筒空气柱的压力进行绝热压缩，在井下时压缩空气势能转化为热能，这部分热能(空气的绝热压缩放热)约占到井下热量的20%。研究表明：空气每下降100 m，温度升高0.4～0.5 ℃。根据能量守恒定律，井下空气绝热压缩过程热量变化规律计算如下：

t2-t1=0.009 76(Z2-Z1) ,

(3)

式中，t2、t1分别为计算位置与初始位置空气温度；Z2、Z1分别为计算位置与初始位置标高。

1.3 矿石氧化生热

根据谢尔班研究，计算矿石的氧化生热：

(4)

式中，ty为矿石氧化增加矿井空气温度；S为矿石暴露面积;q0为单位暴露面积矿石氧化放热量；GB为计算点风量；GP为空气定压比热容。

1.4 爆破放热

井下炸药爆炸会有一部分热量释放到空气及围岩中，增加了矿井空气温度。井下炸药爆炸放热通常有两种形式：①在爆破瞬间快速地向空气及围岩释放热量，形成了一个局部热源；②传到围岩中的热量会以围岩放热的形式，在一个较长的时期内缓慢地向矿井空气中释放。经计算，1 kg 2#岩石炸药的爆热为3 676.24 kJ。

1.5 井下生产放热

在井下生产过程中，提升机械、机电设备、采掘机械、运输设备、通风设备、排水设备等运行时，会将部分电能或机械能转化为热能，散发到井下空气中，使井下空气温度升高。

2 深井可控循环风技术研究

2.1 可控循环风的含义及其发展

可控循环风技术是通过安装循环风机等方式，将回风巷道的部分风流通过净化处理，达到井下风质要求后再引入到进风巷道，与进入的新鲜空气混合，以达到循环使用回风风流的目的，是一种新型通风技术[4]。上世纪40年代，可控循环风技术试验在英国锡汉矿成功试行，此后，欧美及南非一些国家也相继进行了理论分析和现场试验，诸多试验及实践证实该技术切实可行且经济合理。应用可控循环风技术能够达到两个目的：①减少了主辅扇的供风压力，间接降低了矿山在通风系统上的运营成本；②在保证了风质的前提下，满足了矿山井下局部作业对风量的需求。另外，若是对巷道的循环风风流进行相应的冷却降温处理，则能有效治理井下的热害问题，大大降低井下通风风流的制冷降温成本。

2.2 可控循环风的技术原理

可控循环风技术的技术原理见图1。

图1 可控循环风技术原理

由图1可知：

(5)

式中，Q1为进风井供给用风区的新鲜风量；Q2为循环风机供给的循环风量；Q3为供给用风区的总进风量；Q4为用风区的回风量；Q5为整个局部通风系统的回风量。

通过布置在循环横巷的循环风机，将部分用风区的回风量引入到进风巷道，与进风井的供给风量混合，增加了用风区的风量，与直接通过加大主风机供给风量而言，大大减少了通风成本[5-6]。

2.3 应用可控循环风对用风区的降温分析

可控循环风技术对区域的降温效果有两个方面：①在不增加进风井进风量的前提下增加了局部用风区的有效风量，提高了有效风速，高风速能够带走作业区部分热量；②对进入作业区的可控循环风进行净化和冷却处理，冷却的循环风混入作业区能够降低作业区的空气温度。

3 水浴丝网净化降温技术研究

采取机械方式对流入作业区的可控循环风降温处理，会提高降温成本，而且在巷道中安装降温设备，会妨碍矿山运输设备的正常运行。水浴丝网装置既能大大减少净化降温成本，又不影响运输设备的正常运行。另外，由于水浴的用水量及用水特性是可控的，因而最终的降温效果也是可以预计的。

3.1 水浴丝网净化降温装置

水浴丝网净化降温装置包括喷射水幕、纤维栅栏、喷淋湿式纤维栅、活性碳吸附装置。

净化装置迷宫式布置：水雾喷淋装置从顶板对污风做截面喷淋；纤维栅网采取左右交替布置，并间隔5 m左右，使污风在水平上做S型流动；喷淋湿式纤维网对巷道全断面净化处理；碳式吸附网采取上下交错布置，使污风在竖向上做S型流动。

现场安装见图2。

图2 水浴丝网净化降温装置安装

3.2 净化装置的空间迷宫式分布

在充分发挥采空区自净能力的基础上，采取水浴丝碳式净化方式，进一步改善空气质量。净化装置在循环风回风巷道中呈迷宫式分布，即净化设施在循环风净化巷道内左右交替分布或上下交替分布，使粉尘粒子、有害气体等在通过净化巷道时，风流产生碰撞、反射等，以易于被吸附、吸收。

3.3 循环风全时段远程监控系统

当循环区域内有污染物大量涌出时(如火灾、大规模爆破)，净化效果往往达不到正常要求，此时继续使用循环风就会把高浓度污染物再次带入工作面污染新风流，对工作面构成威胁。风质的可控是循环风可控性的具体体现之一，为了给循环风净化系统提供数据支持，构建全流程的实时数据监控系统。在对循环风监测的基础上实现控制或预警，即在污染物浓度超过设定值时，监控系统封堵循环风路。

3.4 净化效果分析

(1)粉尘在经过大面积空区时可在自重作用下净化，特别是在潮湿的空气中。

(2)除一氧化碳外，硫化氢、二氧化氮、二氧化硫等气体都溶于水，可以通过潮湿空气，喷淋水幕吸收。

(3)一氧化碳气体为中性，常温下难以发生反应，不易溶于水，要采用活性碳吸附装置进行吸附。

3.5 降温效果分析

在可控循环风系统的应用中，依据循环率的大小，工作面会有部分热量返回循环通风巷道，此时，水雾首先被加热至无相变状态。之后水雾转化为能够吸热的水蒸汽。当水处于无相变的水雾状态时，循环风流中的热量使得水雾中水分温度升高，假设水雾使温度t1变为t2，则此过程水雾吸收热量为Cs(t2-t1);当水处于水蒸气状态时，水蒸气开始吸收循环风中的热量，假设此时吸收的热量为r。设整个过程作用时间为T，则单位水分的总吸热量为：

QT= Cs(t2-t1)+r .

(6)

对于使用高压水浴降温的可控循环风系统，可以通过控制水浴温度有效控制循环风的温度。另外，在水浴与循环风的热交换过程中，蒸发的水分能够一定程度地提高空气湿度，有利于增加井下作业人员的作业舒适度。

4 应用实例

辽宁红透山矿目前已经进入深部开采，随着开采深度的增加，井下热害严重，矿山通风系统不合理，通风线路长、阻力大，受自然风压影响较大，总风量存在供求矛盾等一系列问题。为此，矿山进行了深井循环风水浴丝网净化降温技术的研究与应用，通风系统见图3所示[8]。

图3 红透山矿循环通风系统示意

红透山矿循环风净化巷道为-287 m中段的水平巷道，水雾喷淋装置从顶板喷淋而下，对污风做截面喷淋；纤维栅网采取左右间隔5 m交替布置，使污风在水平上做S型流动；喷淋湿式纤维网对巷道全断面净化处理；碳式吸附网采取上下交错布置，使污风在竖向上做S型流动，矿山构建一套立体式全流程“循环风水浴丝碳式净化系统”。 安装使用后，测定-287 m中段循环风,风质合格,放出风量可达32.08 m3/s进入风源参与循环。整个通风系统风量由原来约94 m3/s增加至126 m3/s，增幅达34.1%[9]。

5 结 论

(1)矿山开采进入深部开采以后，由于地下岩石放热、矿井空气压缩热、矿石氧化反应等热源因素的影响，热害问题开始逐渐显现。

(2)增加通风系统供风量能够有效解决深井作业区的高温热害问题，然而风量的增加必然导致能耗的增加，因此，在深井局部作业区应用可控循环风，能够在不增加系统能耗的前提下大幅度提高用风区有效风量，是一种经济合理的通风方法。

(3)水浴丝网净化降温技术既能对循环风进行有效净化，达到用风区的循环风风质要求，又能起到冷却循环风作用，从而改善井下作业环境，提高工人的劳动效率。

[1] 王启晋.矿井可控循环通风[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1996.

[2] 严 鹏,赵国彦.多级机站可控循环通风系统试验研究[J].黄金，2012, 33(12)：23-26.

[3] 郝秀强.深井矿山热源分析及降温技术探讨[J].中国矿山工程，2010,39(3)：52-55.

[4] 张福群， 刘冰心，吴 静，等.可控循环通风技术的研究与应用[J].金属矿山，2006，365(11)：8-11.

[5] 金 淦.矿井通风新技术—受控循环通风[J].科技情报与开发经济，2005(15)：290-291.

[6] 艾幼孙，熊跃辉，郭家能.高温矿井用蓄冰球受控循环风降温技术的研究[J].湖南有色金属，2013,29(3)：1-5.

[7] 李锦峰，谢贤平，纪承子.受控循环通风技术降温理论分析及应用探讨[J].有色金属：矿山部分，2013,65(1)：83-86.

[8] 吴富刚，宫 锐，石长岩.可控循环通风技术在红透山矿井中的应用[J].有色金属：矿山部分，2011，63(3)：51-53.

[9] 袁梅芳，石长岩，李志超，等.红透山矿深井开采通风系统循环风研究与应用[J].金属矿山，2012，438(12)：91-94.

Research on the Deep Well Controlled Circulation Wind Purify Cooling Technology with Water Bath and Silk Screen

Zhou Yinglie1,2

(1. Hunan Labor Protection Institute of Nonferrous Metals; 2. Hunan Province Key Laboratory of Metal and Non-metal Mine Ventilation and Dust Prevention)

Based on analyzing the main heat source of deep well, the deep well controlled circulation wind purify cooling technology with water bath and silk screen based on the theory of controlled circulation wind is proposed. The purify cooling devices of the technology are including the injection water curtain, fibre fence, purifying wet type fiber grating and activated carbon, they are arranged into a labyrinth. The dirty wind's section is sprayed by the water mist spraying device, and it is made to flow with S-type by the fiber reseau. The spray wet type of fibers are basically belongs to the roadway purification treatment method with whole section, the carbon adsorption type network makes the dirty wind flow with S-type. The poisonous-harmful gas and dust are purified by the circulation wind of the circular roadway, and the cooling purposes can also be achieved. The cooling technology proposed in this paper is applied in the construction of underground wind circulation system in Hongtoushan mine. The application results show that the the desired cooling and purification purposes are achieved, and good economic and social benefits are obtained, the cooling technology proposed in this paper can provide a technically feasible, safe and reliable,comprehensive benefit method to solve the problem of deep well ventilation.

Deep well ventilation, Controlled circulation wind, Water bath and silk screen, Purify cooling

2015-04-22)

周英烈(1987—)，男，工程师，硕士，410083 湖南省长沙市雨花区香樟路601号。