某锡矿山深井局部巷道排热降温通风优化方案

石乃敏

(广西理工职业技术学院， 广西 崇左 532200)

1 前言

深井局部巷道通风降温是深井开采井下环境控制的难题之一。它不再是传统的以排尘、排烟为目的通风，而是将深井排热通风作业面需风量、气候预测综合考虑，对缓解日趋严重的深井井下热害进行调控。高温深井局部巷道的通风降温，虽然不能像采掘矿石那样带来直接的经济效益，但不适当的通风将会降低劳动生产效率、增加工人对井下环境的恐惧感和事故率，深井巷道通风降温是深井开采工艺的重要环节，它直接影响到深井开采的投资和经营效果，是深井环境控制的一个复杂难题[1]。

某锡矿山生产规模为1 000t/d，开采深度近千米，采用机械化上向水平分层充填法采矿，采用竖井+斜井联合开拓。矿山经过多年开采建设，已具有完整的采矿工艺系统，其主要采掘工艺状况如下。

(1)主提升设施为探采斜井和深部2#、3#盲斜井组成的三级接力提升系统，提升能力可达1 100t/d。主提升系统提升形式为单箕斗提升，后卸式固定双轨卸矿。

(2) 副提升任务主要由竖井和4#盲斜井完成，竖井服务至+200m水平，该水平以下的人员、材料、设备的下放由4#盲斜井承担。

(3) 尾矿胶结充填系统由地面砂浆制备站和井下管道输送系统组成，充填能力为800m3/d，现已服务到-50m水平。

2 矿井通风系统现状

该矿井采用分区进风、集中回风的对角式通风系统，以探采斜井和竖井作为进风井，以黄瓜洞斜井作为回风井。井下-50m中段以上已经形成完善的通风系统，新鲜风流从主斜井、竖井进入，经盲斜井、主斜坡道到各工作面，污风通过回风平巷到回风斜井或回风天井，经250m、450m水平机站风机排出地表。450m回风量为74.96m3/s。

矿井采用多级机站的通风方式，所有机站均布置在井下，回风机站设于118m水平处。为了解决增加对风流的需求，还开掘-60m～-151m北、-151m北～-200m北两个通风天井及-200m南面～-166m回风斜井，深部通风网络得到了进一步完善，通风质量有所改善。但-151m、-185m、-200m水平通风效果仍较差，高温热害问题突出。

3 井下热、湿源调查及分布特征

矿山井下是一个相对封闭的空间，而且在其空间内存在连续大量的生产作业，破坏了原来地壳内的各种平衡，其中新开挖的空间内，接收了各种能源的释放。根据井下热湿的现场跟踪监测，该矿井下热源主要有：(1)空气压缩热源。它是动态变化的，随井深的增加，单位体积内的空气在绝热的条件下，温度不断增加。(2)岩石地热湿热源。该热源来自地下岩石的温升，据测定该热源在深度方向为线性的，其线性率在2.5～3℃/100m。(3)裂隙涌水热源。该热源在井下零散分布，温度较高。井下湿源主要有井下湿式作业机释放的水和井下裂隙涌水。井下的热湿源在井下风流的作用下，由于气体状态参数的变化，通过热量和质量交换进入到通风风流中，使风流的温度和湿度变化[2]。

通过对通风路线上主要的水源、围岩、设备、作业情况等热湿基础数据进行测量收集。测量数据表明，开采最深处-200m水平独头巷道工作面的温度最高36.5℃，是热害最为严重点。所以，对于局部通风降温应该着眼于独头巷道工作面。

4 深井局部巷道排热降温通风方案

深井巷道通风降温方案，以距主风流巷道0～800m为目标。新开挖暴露岩石温度为35℃，排尘风速按《金属非金属矿山安全规程》规定，风速大于0.15m/s。通风降温热负荷按设定条件进行计算。选取-200m水平采矿场北面脉外巷作为目标通风排热降温巷道。现场测量参数为温度35℃，相对湿度99%。断面尺寸3.55m×2.95m的独头探采巷道作为深井局部通风降温巷道计算的依据，该巷道的断面周长为14m，断面面积为14m2，巷道长度选取200m，空气密度取1.20kg/m3，井深近似取500m。

根据上述参数，可供选择的排热降温通风有以下4种方案[3]。

1)深井局部巷道局部通风机压入式排热降温通风方案

压入式通风方案是采用局部风机及绝热送风管道，向巷道工作区送风排热的方式。这是一种经典的巷道通风方案，具体如图1所示。它利用了射流原理控制工作区气候，压入式通风风筒出口风速和有效射程均较大，能够防止污染物层状积聚，重要的是出口风速大可提高散热效果，可使用柔性风筒，安装简便、结构简单，风筒内气压大于巷道内气压有利于污染物的稀释。

图1 压入式式局部通风示意图

图2 抽出式局部通风示意图

2)深井局部巷道局部通风机抽出式排热降温通风方案

抽出式通风有效吸程小，在掘进中难以工作面在有效吸程内，与压入式通风相比，抽出式风量小，工作面排污所需时间长、速度慢，如图2所示。

3)深井局部巷道局部通风机压入联合抽出式排热降温通风方案

压入联合抽出式排热降温通风方案，既是采用局部风机及绝热送风管道向巷道工作区送风，同时在巷道内还设置抽出风机进行排热降温。这也是一种经典的巷道通风方案，具体如图3所示。它利用了射流原理控制工作区气候，并利用抽出风机增加排热。特点是结构简单，控温控湿效果较好。

图3 局部通风机抽压联合排热降温通风示意图

4)深井局部巷道自控制冷压入式排热降温方案

该方案基于方案3，考虑风源温度无法达到28℃时，使用小型冷水机组与压入式通风相结合向采掘区送风排热，具体如图4所示。此时，局部通风机进风口与空冷器出口相连。

图4 局部巷道自控制冷压入式排热降温通风示意图

5 通风降温热负荷估算

该矿井下热害最为严重的是-200m水平的独头探采巷道。回采工作面风流温度取安全规程规定的28℃，按标高±0m水平的气压为101.325kPa，则-200m水平的气压P=101.325+1.2×9.8×200/1 000=103.68kPa。根据现场实测结果，取岩石温度为35℃。以下以排热排湿为目标计算热负荷。

5.1 设计冷负荷估算

一般来说，深井热害的来源主要是地热和空气压缩热，全矿的热害治理的绝对放热量应以空气压缩放热、岩石放热、机械设备放热、人员放热等热源估算。而局部的热害通风降温考虑的是，把局部热源释放的热量排出，进而降低局部空间内空气温度，热源主要包括岩石表面释热、人员放热量和机电设备放热量[4]。

(1)岩石表面释热量为

Q1=K×A×Δt

式中：K——传热系数(取6.1×10-3)；

A——换热面积；

Δt——换热温差。

Q1为18 kW。

(2)人员放热量(按6人计，每人按0.156kW考虑)Q2=0.156×n=0.156×6=0.94kW。

(3)机电设备放热量(机电设备功率按8kW计)Q3=0.496Ne=0.496×8=3.9kW。

按所需排热降温量为∑Q=Q1+Q2+Q3=18+0.94+3.9=22.8kW。

5.2 供风风量估算

巷道需风量应按稀释有毒有害气体、炮烟以及排尘并使工作面具有适宜的气温和风速，分别进行计算，然后取其中的最大值。由于该矿巷道无有毒有害气体，这里只分别计算排热、排尘、适宜风速以及作业人员所需风量，然后取最大值。

按工作面最低排尘计算风量Qd=0.15×14=2.1m3/s=126m3/min。

按巷道内工作人员数计算许所需风量，每人每分钟4m3计，风量为Qr=4×6=24m3/min。

按工作面温度与风速对照表，计算风量按巷道温度与风速间关系，温度越高示意的风速也越大，计算局部风量为Qy=2×14=28m3/s=1 680m3/min。

显然，如果按该矿井下温度的实际情况，按最高风温计算，要使人体达到舒适，风量达1 680m3/min比其他送风计算的风量要大的多。所以，这里为兼顾送风的经济性，不按这种方法进行送风量的计算。

6 巷道局部通风机排热降温通风方案选择

不同的送风风速在独头巷道内造成的气候控制区域不同，根据实测数据和各种情况估算风量，然后按巷道风速和断面面积核算风量。在巷道送风风速为1.5m/s、送风管上部布置时，可在14m2断面独头巷道内形成20～50m的气候控制区。

考虑局部通风机排热降温目标，兼顾考虑建设、安装、运行、维护等方面的复杂性，深井高温局部通风排热方案选择第4种方案，即局部巷道自控制冷压入式排热降温方案[5-6]。

在进风起始端安装局部通风机，送风风筒链接在风筒出口端，风筒长度随采掘进度的增加而延长，同时改变风机的送风量，具体如图5所示。

图5 局部通风机压入式送风排热降温示意图

总压力损失P=Pi+P0+P空+Pλ=0.1×24.5+0.1×24.5+30+53≈87Pa。

考虑风路的漏风，风量安全系数取1.5，则风机额定风量应是Q机=1.5×7=630m3/min。

风量核算按Q>15A,即Q机>Q=15×14=210m3/min。

最终风机风量按校核的结果630m3/min选取局部通风机。

选择局部通风机型号为FDB№6.7/2×37型，风量范围450～680m3/min，全压1 200～6 000Pa，电机功率2×37kW。

7 巷道制冷排热降温通风设备和主要经济指标

按上述方案4以及所选风机和送风管，局部自动控制制冷排热降温方案所用设备见表1。

表1 巷道制冷排热降温通风设备表

具体实施上，送风风筒的进口应在上风向，且距巷道口距离大于10m，为便于排放冷水机组的冷凝热，冷水机组应设置在下风向。制冷机组使用风冷模块机组，可采用美的风冷制冷模块，该模块采用风冷、制冷剂使用R407C，机组内置多种自动保护功能，可确保无人值守条件下安全运行。风冷制冷模块的冷媒管与空冷器链接，由局部通风机压送的风流经过空冷器被降温，降温后的风流经绝热风管送到工作面，冷风流在工作进行热交换升温后，由抽风管排入回风的主风流中[7]。使用风冷模块机组，管路简单、移动扩充便捷，产品成熟。制冷机组使用时安装在临时硐室内。结合生产实际，由于实际掘进是独头巷道不断延长的过程，所制定局部通风方案均是按最长独头巷道来选择风机和制冷设备，所以当独头工作面距离较短时，局部通风机和制冷功率均有余量，因此最好是采用变频工作方式。

制冷模块应放置在专门的小型硐室内，绝热送风管道沿巷道腰线悬挂，最好使用硬质材料管道，出风口工作面的距离大于5倍的平方根巷道面积。具体如图6所示。

图6 局部自动控制制冷排热降温方案图

8 结论

(1)深井高温热害的主要原因是井下存在各种热、湿源。其热源主要来自空气压缩热、岩石地热、裂隙涌水热；湿源主要来自井下湿式作业机具释放的水和井下裂隙涌水。

(2)井下热湿源均为开放性的，岩层温升和空气压缩热是主要热源，井下湿度处于饱和状态，井下热害的季节性变化较弱。

(3)对竖井端，平巷段、斜井端等风流参数进行实测，数据分析结果表明热害最为严重的是深部的独头巷道工作空间。

(4)对热害最为严重的独头工作空间的通风降温进行了方案研究，设计了自控制冷压入式局部巷道降温方案。

(5)采用人工制冷送风的方式，能够使高温独头巷道作业区的温度满足矿山安全规程的规定，是解决高温热害的有效方法之一。