矿井降温风量计算模型研究

2015-03-28谭星宇唐绍辉谢贤平盛建红

金属矿山 2015年7期

谭星宇郭岩唐绍辉谢贤平盛建红

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙410012;2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南长沙410012;3.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明650093;4.国安安全生产监督管理总局，北京100713)

矿井风量计算是矿井通风设计的一个重要环节，是计算矿井通风阻力和选择通风设备的基础和前提［1］。对于部分热害严重的矿井，在通风系统网络优化、控制井下热源散热和改进采矿方法等非机械制冷降温措施的基础上适当增加风量降温，可达到理想的降温效果。该方法切实可行，应用广泛，而矿井降温风量的计算是该方法的关键。

目前，根据风流流过巷道的热交换原理，国内学者建立了采掘工作面风流热力参数预测模型［2-3］，在特定的通风系统下预测采掘工作面的风流温度。而要使增大风量降温效果达到最佳，通常要在通风系统网络优化、控制井下热源散热和改进采矿方法等非机械制冷降温措施的基础上，根据降温的需求重新计算矿井的需风量(称为矿井降温风量)。为此，提出了矿井降温风量计算模型。

1 传统矿井需风量计算概述

金属矿非金属矿山通风设计时一般采用分项计算风量法计算矿井总需风量，然后用井下同时作业人数需风量法、万吨风量比进行验算，确定矿井需风量。分项计算风量法是对不同时间按各类井下作业场所(回采工作面、掘进工作面和硐室等)的生产特点分别计算其需风量，再乘以矿井漏风系数得到矿井总需风量［4］Qr，计算公式为

式中，Qs为回采工作面所需风量，m3/s;Q's为备用回采工作面所需风量，m3/s;Qd为掘进工作面所需风量，m3/s;Qr为硐室所需风量，m3/s;Qh为其他需风点如主溜矿井所需风量，m3/s;K 为矿井风量备用系数，取值为1.20 ～1.45。

2 风流通过井巷热交换的基本规律

风流通过井巷的稳定流过程如图1 所示。

图1 风流沿巷道的稳定流动Fig.1 Steady air flow along the roadway

风流通过井巷可认为是稳态稳流过程，质量流量为G(kg/s)的风量流过一段巷道，风流在巷道入口处的能量为E1(kJ/s)，风流在巷道出口处的能量为E2(kJ/s)，风流通过巷道时风流与巷道的热交换量为Q(kJ/s)，根据热力学第一定律得

风流能量E 由风流内能U=Gu(kJ/s)、风流位能Ew=GgZ(kJ/s)、风流动能Ed=Gv2/2(kJ/s)和流动功Gpν(kJ/s)组成，则式(2)可改写成

式中，u1，u2分别为风流入口、出口的内能，J/kg;p1、p2分别为风流入口、出口的压强，J/kg;ν1，ν2分别为风流入口、出口的比容，m3/kg;Z1、Z2分别为风流入口、出口的标高，m;v1、v2分别为风流入口、出口的风速，m/s;g 为重力加速度，m/s2。

根据焓(i)的定义，i=u+pν，另外v1和v2近似相等，因此，式(3)可整理成

Gg(Z1－Z2)可认为是风流流过有高差的巷道时产生的自压缩热，视为井下热源，可归入总热交换量中，一并记为Q'。则式(4)可写成

风流的焓由显热和潜热2 部分组成，风流流过井巷时，风流与巷道的总热交换量一部分转化成风流的显热，另一部分转化成风流的潜热，则有式(6):

总热交换量目前主要井下热源分析统计的方法计算，在热源分析统计时，只统计计算转化成风流显热部分的总热交换量QZ(kJ/s)，则式(6)可写成(7):

式中，t1、t2分别为井巷风流入口、出口的干球温度，℃;Δt 为干球温度变化量，℃;Δd 为巷道出入口的含湿量变化量，g/kg;cp为空气的质量定压热容，可取1.005 kJ/(kg·℃)。

3 矿井热源调查统计

风流流过井巷的总热交换量可通过热源调查统计方法算得。井下的主要热源有围岩的散热Qgu、风流的自压缩热Qp、机电设备放热Qjd、热水放热Qvt、人员放热Qr等，分别可由文献［5］的相关公式算得(从略)。

4 降温风量计算模型

适当增加高温工作面的风量，可降低单位风量的温升、明显降低工作面温度、改善工人舒适感;但是风量增加到一定程度后，因受围岩温度、进风温度及风流热交换的影响，降温效果将不明显。因此，增加风量降温的关键是降温风量的计算。

4.1 降温风量计算模型设计思路

通常井下热害最严重的工作场所是采掘工作面，降温风量计算模型在传统分项计算风量法的基础上，针对矿井采掘工作面热害严重的特点，在通风系统中选择2 条主要风流路线，一条从主要进风井到回采工作面，另一条从主要进风井到掘进工作面。沿两条主要风流路线，根据风流热交换规律，计算出不同风量下回采工作面和掘进工作面的干球温度，计算过程涉及矿井热源调查统计、风流分配原理等。将计算结果绘成工作面干球温度随风量变化曲线，分析曲线确定回采工作面和掘进工作面的降温风量，从而确定全矿降温风量。

4.2 矿井降温风量计算模型

为清楚地介绍降温风量计算模型，建立如图2 所示矿井通风系统简化模型，简化模型包括了金属非金属矿山通风系统的主要构成部分。图3 为矿井降温风量计算模型图。

图2 矿井通风系统简化模型Fig.2 Simplified model of the mine ventilation system

(1)需风量计算和风量分配。根据井下需风场所的数量，按照传统矿井需风量计算方法计算矿井需风量(Gt)，包括回采工作面风量(Gs0)、备采工作面风量(G's0)、掘进工作面风量(Gd0)、硐室工作面风量(Gr)和其他需风点风量(Gh)。按需风场所的需风量对全矿井进行风量分配，确定主要井巷的通风量。如图2 中，分项计算风量法计算出Gs0、Gd0和Gr，由方程组(8)进行风量分配，确定主要井巷的风量:

式中，G10～G70分别为井巷1 ～井巷7 的质量风量，kg/m3。

图3 矿井降温风量计算模型Fig.3 Calculation model of mine cooling air flow

(2)选择主要风量路线。选择2 条主要风流路线，一条从主要进风井到回采工作面，作为计算分析在矿井热源的影响下回采工作面风流干球温度随风量变化的路线，称为回采工作面主要风流路线;另一条从主要进风井到掘进工作面，作为计算分析在矿井热源的影响下掘进工作面风流干球温度随风量变化的路线，称为掘进工作面主要风流路线。所选风流路线为风量和散热量最大的风流路线，回采工作面主要风流路线和掘进工作面主要风流路线的数据分别用下标i、j 标注。如图2 中，回采工作面、掘进工作面主要风流路线分别为1—2—3—4、1—2—5—6—7。

(3)分析计算井巷热源散热量。在所选2 条主要风流路线上，逐条调查分析井巷热源，逐条计算出井巷各热源放热量，包括井巷i 或j 围岩散热量(Qguin、Qgujn)、空气自压缩散热量(Qpin、Qpjn)、机电设备散热量(Qjdi、Qjjd)、矿矸石散热量(Qkin、Qkjn)、人员散热量(Qri、Qrj)、充填体水化散热量(Qsi、Qsj)等。如图2 中，计算风流路线1—2—3—4 和1—2—5—6—7 中每条井巷各热源的散热量。

(4)计算采掘工作面干球温度。根据井巷热源散热量计算结果，沿主要风流路线逐条井巷列出热平衡方程，计算出井巷出口风流干球温度(tinc)，上条井巷出口风流干球温度即下条井巷风流入口干球温度(t(i+1)nr)，最后计算出回采工作面和掘进工作面的干球温度。本步骤与步骤3 是嵌套的，循环进行计算，循环通过i=i+1 和j=j+1 完成，i=i+1 和j=j+1 的意义为主要风流路线上完成1 条井巷的计算后进入下井巷的计算。如图2 中，回采工作面主要风流路线(1—2—3—4)可列出热平衡方程组(9)，掘进工作面主要风流路线(1—2—5—6—7)可列出热平衡方程组(10)，计算出回采工作面干球温度(t4nc)、掘进工作面干球温度(t7nc):

(5)计算分析采掘工作面干球温度随风量的变化情况。在步骤(1)计算出回采工作面和掘进工作面需风量的基础上，按一定步长s(可取0.1、0.2 或0.5 m3/s)增加其需风量，重新进行风量分配，重复步骤(3)和步骤(4)，计算出回采工作面和掘进工作面不同风量情况下的干球温度，绘出干球温度随风量增加的变化曲线。

(6)确定矿井降温风量。《GB16423—2006 金属非金属矿山安全规程》(以下简称“规程”)对采掘作业地点气象条件作了规定(如表1)［6］。通常干球温度随风量增加而减小，风量增加一定范围内，干球温度减小较明显，降温效果明显;风量增加到一定程度后，干球温度降低将不明显，降温效果差。分析回采工作面和掘进工作面干球温度随风量增加的变化曲线，若风量增加在降温效果明显的区域内风温达到“规程”规定，判断可通过增加风量治理热害，并确定回采工作面和掘进工作的降温风量，再由分项计算风量法计算全矿降温风量;反之，则认为仅通过增加风量不能达到降温的要求。

表1 采掘作业地点气象条件规定Table 1 Rules of meteorological conditions at mining location

5 降温风量计算模型在湖南某锑矿的应用

该锑矿采用平硐+斜井联合开拓，设计生产能力为6.6 万t/a。通风系统采用多级机站(三级)通风系统，进风段、需风段和回风段各设置有一级机站。东西分区进风统一回风，西部主要由明斜井进风，新鲜风流通过XJ3 斜井和XJ5 斜井进入各中段运输大巷，由各中段运输大巷至各工作面;东部主要由+150 m 平硐和+226 m 平硐进风，新鲜风流通过XJ1 斜井、XJ2 斜井、XJ4 斜井进入各中段运输大巷，由各中段运输大巷至各工作面。东、西部各中段工作面污风经回风天井在15 平汇合，再由集中回风斜井排出地表。矿井通风系统示意图如图4 所示。

图4 湖南某锑矿通风系统示意Fig.4 Ventilation system＇s schematic diagram of an antimony mine in Hunan

该矿井井下热害严重，据现场测定，部分采场温度达到33.7 ℃、掘进工作面温度达到34.5 ℃、机电硐室温度超过35 ℃，超过“规程”对采掘作业地点气象条件的规定，矿井需进行热害治理。在矿井通风系统网络优化、控制井下热源散热和改进采矿方法等非机械制冷降温措施的基础上，将降温风量计算模型应用于该矿山，计算矿井的降温风量。

5.1 矿井概况及需风量计算

该锑矿需风场所和数量如表2 所示。按矿井传统需风量计算法计算矿井需风量，结果如表2，矿井的总需风量为53.92 m3/s。

表2 湖南某锑矿需风量计算结果Table 2 The calculation results of demanded air flow of a certain antimony ore in Hunan

5.2 矿井降温风量计算

该矿山东、西两翼设计生产能力相同，需风场所数量基本相同，两翼需风量相同。西部开采深度更深，热害更严重，主要风流路线选择西部的主要风流路线。回采工作面主要风流路线:明斜井—XJ3 斜井—XJ5 斜井(1)—XJ5 斜井(2)—22 平运输巷—22平采场。掘进工作面主要风流路线:明斜井—XJ3 斜井—XJ5 斜井(1)—XJ5 斜井(2)—XJ5 斜井(3)—23平运输巷—23 平掘进工作面。

沿以上2 条主要风流路线逐条分析井巷热源，计算出各条井巷各热源放热量;逐条井巷列出热平衡方程，计算出回采工作面和掘进工作面的干球温度;按步长s=0.1 m3/s 增加其需风量(后两步的部长为0.5 m3/s)，重复计算出回采工作面和掘进工作面不同风量情况下的干球温度，计算结果绘制成曲线如图5、图6。

图5 回采工作面干球温度随风量增加的变化曲线Fig.5 The Variation curve of dry bulb temperature at working face with air flow increase

图6 掘进工作面干球温度随风量增加的变化曲线Fig.6 The Variation curve of dry bulb temperature at tunneling with air flow increase

可知:干球温度随风量增加而减小，一定范围内，降温效果明显，风量增加到一定程度后，降温效果差。回采工作面计算11 步后(风量大于2.48 m3/s)，风流干球温度低于28 ℃，掘进工作面计算12 步后(风量大于2.65 m3/s)，风流干球温度低于28 ℃，且都在增加风量降温效果明显范围内。因此，该矿可以通过适当增加风量达到降温的效果，回采工作面和掘进工作面降温风量取第12 步的风量，分别为Gs=2.58 m3/s、Gd=2.65 m3/s。由分项计算风量法计算得全矿降温风量Gt=78.88 m3/s。