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东北大学 硕士学位论文 深井系统可控循环通风的可行性研究 姓名张福群 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师王福成 20031201 东北大学硕士学位论丈摘要 深井系统可控循环通风的可行性研究 摘要 本文首先介绍了目前国内外关于循环通风研究状况，通过对循环通风理论的 分析，并针对矿山的实际特点，提出了系统可控循环通风的新的构想。着重研究 了采用开路可控循环方式的通风系统，利用采空区或湿式震动纤维栅净化系统来 净化循环风流的两种不同方案。在理论分析和现场试验的基础上对其通风系统进 行可行性研究。 文章围绕着系统可控循环通风方案的可行性方面展开了以下几方面的研究。 第一，在传统的受控循环通风理论研究的基础上，结合技术矿山的实际特点，提 出利用旧巷或采空区自然净化污风进行受控循环通风的新型模型，并从理论上建 立起这种通风系统数学模型，最终导出稳态下的循环风量浓度与废弃巷道的长度 的关系表达式，从而为这种受控循环系统的设计提供一定的理论。第二，借鉴国 内外的经验，并结合矿山现有的通风系统状况，通过对红透山现场试验和调查， 确定循环通风系统合理布局，以改善作业环境。包括通风线路、设置地点及控制 装置和应用安全措施等。第三，对第二种方案即湿式纤维栅净化粉尘这一方案在 红透山铜矿一2 2 7 中段进行了现场的应用，对纤维栅性能的测定，取得了良好的效 果。 根据上述红透山铜矿的具体工程实例的分柝可知，在井下通风工程中，尤其 对于深井通风，利用本文所提出的两种系统可控循环通风方案，易于实现循环通 风，解决了深井风量不足的难题。所以这种方法极易推广，有很好的经济效益和 社会效益。 关键词系统可控循环 旧巷或采空区 湿式纤维栅 主扇 东北大学硕士学位论文 摘要 F e a s i b i l i t y R e s e a r c ho nC o n t r o l l e d C i r c u l a t eV e n t i l a t i o ni nD e e pM i n e S y s t e m a b s t r a c t A tf i r s tt h i s p a p e r i n t r o d u c e st h e u p d a t e d d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a i d e v e l o p m e n t s a b o u tc i r c u l a t e v e n t i l a t i o n ，a n dt h r o u g ha n a l y z i n g c i r c u l a t e v e n t i l a t i o nt h e o r i e s ，b a s e do nt h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c s o f H o n g t o um o u n t a i n ，b r i n gu p t h en e wi d e ao fc o n t r o l l e dc i r c u l a t ev e n t i l a t i o ni n d e e pm i n es y s t e m ．P u tg r e a t e m p h a s i so nt h ev e n t i l a t es y s t e mi no p e nc o n t r o l l e dc i r c u l a t i o nw a y , t h ed i f f e r e n t p r o j e c t so f p u r i f y i n g c i r c u l a t ea i rc u r r e n tb yt h ep u r i f y i n gs y s t e m o f e m p t y m i n e da r e a a n dw e tv i b r a t i o nf i b e r 嘶d ．B a s e do nt h et h e o r i e sa n a l y s i sa n ds p o te x p e r i m e n t ， s t u d y t h ef e a s i b i l i t yo f i t sv e n t i l a t es y s t e m ． m o u n dt h ef e a s i b i l i t yo f p r o j e c t so f c o n t r o l l e dc i r c u l a t ev e n t i l a t i o ni nd e e pm i n e s y s t e m ，t h i sp a p e r c a r r i e so u ts e v e r a lr e s e a r c h e s ．A tf i r s t , o nt h eg r o u n do ft r a d i t i o n a l t h e o r yo fc o n t r o l l e dc i r c u l a t eV e n t i l a t i o na n dt h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so fH o n g t o u m o u n t a i n ，p u t f o r w a r dt h en e wm o d e lo f c o n d u c t i n g t h e c o n t r o l l e dc i r c u l a t e V e n t i l a t i o nb yo l dl a n ea n de m p t ym i n e da r e a ．A n dm a d et h en u m e r i c am o l d c lo f t h i s v e n t i l a t es y s t e mi nt h e o r y f r o m ．I nt h ee n d ，t h ee q u a t i o nb e t w e e nc i r c u l a t ea i ra m o u n t s a n dl e n g t ho fo l dr o a d w a yi sg o t ，w h i c hp r o v i d e st h et b e o r i e a ib a s ef o rt h ed e s i g no f t h i ss y s t e m ．I nt h es e c o n d , d r a w i n gl e s s o n sf r o mt h ed o m e s t i ca n di n t c m a t i o n a i e x p e r i e n c e ，c o m b i n e dw i t l lt h ep r e s e n tv e n t i l a t es y s t e m , t h r o u g ht h es p o te x p e r i m e n t a n di n v e s t i g a t i o n ，m a d er e a s o n a b l e l a y o u to fc i r c u l a t ev e n t i l a t es y s t e mt ob e t t e r w o r k i n gc o n d i t i o n s ．t h el a y o u ti n c l u d e sv e n t i l a t el i n e s ，l o c d t i o n , c o n t r o l l i n gd e v i c e s a n da p p l i c a t i o no f s a f e t ym e a s u r e s ．T h et h i r d ，a p p l y o dt h es e c o n dp r o j e c t , n a m e l y p 嘶毋d u s tb yw e tt y p ef i b e rg r i d ，a t - 7 0 7l a y e ro fH o n g t o um o u n t a i nc o p p e rm i n e ． a n dm e a s u r e dt h ef u n c t i o no f f i b e r g r i d ，o b t a i n e d9 0 0 dr e s u l t ． A c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so f t h ef a c t u a le x a m p l e o f H o n g t o um o u n t a i nc o p p e r m i n em e n t i o n e d a b O V e ，ac o n c l u t i o ni sm a d et h a tf o rt h ei t e m so f v e n t i l a t eu n d e rm i n e ． 东北大学硕士学位论文 摘要 p a r t i c u l a r l y u n d e r t h ed e e pm i n e ，t h et w ok i n d so f p r o j e e t so f s y s t e m sc i r c u l a t e m e n t i o n e di nt h ep a p e rO a Re a s i l yr e a l i z ec i r c u l a t ev e n t i l a t i o n , s o l v et h ep r o b l e mo f d e f i c i e n tw i n d q u t i t i a t i o n ．T h e r e f o r et h i sk i n d o f m e t h o dc a nb e e a s i l ye x p a n d e d 。a n d h a v e g o o d e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s ． K e y w o r d s S y s t e m a t i cc o n t r o l l e dc i r c u l a t ev e n t i l a t i o n O l dl a n eo r e m p t y m i n e da r e a W e tf i b e rG r i d M a i n f a n 查些查堂塑 兰竺堡兰』L 翌一 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的，论文取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或者 撰写过的研究成果，也不包括本文为获得其它学位而使用过的材料。 与我一起工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文做了明确的说 明并表示感谢。 本人签名 日期 纵 影。，z ‘ 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 矿井通风是保障矿井安全的最主要技术手段之一。在矿井通风生产过程中。 必须源源不断地经地面把新鲜空气送到井下各个作业地点以供给人员呼吸，并稀 释和排出井下各种有毒、有害气体和粉尘，创造良好的矿内作业环境，保障井下 作业人员的身体健康和劳动安全。这种利用机器通风或自然通风为动力，使地面 新鲜空气进入井下，并在井巷中做定向和定量地流动最后将污风空气排出矿井的 全过程就称为矿井通风【I 】o 据统计资料表明，地下开采的矿山通风费用占总动力费用的1 ／3 以上。随着开 采深度的增大，井下的环境进一步恶化，用常规的方法通风不仅费用增加，而且 对环境的改善甚微。但是，随着资源的逐步短缺，深井开采将是未来的发展趋势， 随之而来的这一切都给我们提出了一个严峻的课题那就是如何进一步提高和完 善通风技术，降低通风安全的成本，安全与经济协调发展，共同促进采矿事业的 进步。 随着矿井开采规模的加大，通风路线加长，通风困难程度随之增加，或者随 着产量的提高，采深的增加，导致原岩的温度增高，需风量随之增加。但不少矿 仅增加风量往往是困难的。何况，随着风量的增加，导致通风阻力加大，而且通 风成本提高，在经济上也是不合理的。特别是矿区边远区域工作面，供给足够风 量十分困难。解决这个问题的传统方法由于在技术或经济上的原因，可能并非最 佳。此外，无论是新建、扩建和正在生产的矿山，还是铁路公路建设中长隧道的 开挖工程都存在大量的独头工作面，长独头工作面的通风问题就是矿井及其他地 下工程的一大难题。为了解决这个问题就要探求新的通风技术，受控循环通风就 是在这种情况下提出来的。 受控循环通风方法在国内外以得到了较深的研究，并被较广泛的采用。在我 国，受控循环通风特别是在系统循环通风方法具有广泛的开发远景和应用前景， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 这是因为矿井不断向下延伸，高温热害矿井相继增加，严寒地区矿井空气预热问 题目趋严重，高原地区地下工程通风系统十分复杂。矿井能耗严重，注重经济效 益，必然要降低成本，提高劳动生产率必然要降低成本，必然要求作业环境的改 善。因此，积极的开展有关受控循环通风方面的研究，不仅可望取得重大经济效 益，而且将会更加丰富有关通风安全理论方面的内容。 1 ．2 研究现状及评述 1 ．2 ．1 研究现状综述 众所周之，同一风流通过同一地点的次数超过一次，就叫循环通风。而受控 循环通风就是人为的控制部分风流，使其多次流过同一用风地点，反复循环的被 使用，籍以增加工作地点的有效风量，从而改善工作地点的环境条件。循环方式 分为开路式和闭路式，闭路式循环通风不需要外界风源，只利用净化后的风流进 行通风。开路式循环通风的作业面有进风道和回风道，在循环过程中，有外界提 供部分新鲜风流与循环风流相结混合，供给作业面。由作业面排出的污风，一部 分循环使用，另一部分排至回风道。 过去人们一直认为，循环风流是污浊风流，它的存在会更进一步的污染井下 作业的环境，可能造成瓦斯或粉尘的聚集，以至一些国家以法规的形式规定，矿 井中严禁使用循环风流。但自从英国的L e a c h s ．和S l a c k ，A ，首先在1 9 6 4 年提出了 “通风工作面污染物的浓度与工作面污染物的产生强度和进入工作面的新鲜风 量有关，而与循环风量的大小无关”这一受控理论通风基本理论以后，人们对循 环风流才有了一个较本质的认识，接着，许多学者也基于此基础上开展了此方面 的大量研究。 1 ．2 ．1 ．1 国外的循环通风的发展现状 1 英国煤矿掘进巷道及采区循环通风的应用[ 2 1 1 9 7 1 年英国在锡汉矿超前回采作业面的入、回风巷进行了循环通风技术的 首次实验 图1 - 1 。该系统属于开路式循环通风系统。新鲜风量为Q 。，超前作业 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 面的循环风量为Q h ，采煤作业面的风量为O 。。在超前入、回风巷安设过滤除尘 风机和风筒。循环风量Q h 为新鲜风量的一半，即Q h I ／2 Q 。。试验取得成功，为 这项技术的丌展打下了基础，并在理论上的到了认同。1 9 7 4 年英国皇家矿山监 察局又批准了五个煤矿做循环通风实验。实验结果表明无论是入风侧还是回风侧 超前巷道中测出的粉尘都比以前显著降低。在赛顿矿，超前作业面入风巷中粉尘 浓度由原来的8 m g ／m 3 , 下降到2 m g ／m 3o 林毕矿超前作业面的回风巷中粉尘的浓度 由原来的6 ．5 m g ／m 3 下降到3 m g ／m 3 。没有出现沼气聚集的现象。W e a r m o u t h 煤矿， 应用受控循环通风，解决了远距离采区的通风问题，在保证采区需风量1 0 0r r t 3 ／s 不变的情况下，使用3 0 m 3 ／s 的循环风，由此可以节省电力9 6 5 K W ，每年节省电 费3 0 万英镑。英国还研究表明，当煤岩层原始温度在3 0 ℃以内时，采用受控循 环通风就能改善采区内的气候条件而当煤岩层原始温度超过4 0 “ C 时在循环横 超前入风巷超前回风巷 图1 ．1 英国循环通风布置图 h 0 t ．f ] h 巷中布嚣一个功率适当的内喷水冷却器，并采取循环通风，就可大大改善采区气 候条件，同时对降尘、降温方面也有很大效果。 z 南非金矿深井通风与降温中循环通风的应用网 南非1 9 8 2 年在劳瑞因金矿进行了受控循环通风方法的大规模现场实验如图 2 - 2 。试验主要对受控循环对金矿的通风和降温，受控循环通风的系统安全性以 东北大学硕士学位论文第一章绪论 及受控循环通风的理论模型的正确性加以验证。现场试验获得很大成功。在一年 的时间旱，循环风系统安全可靠。采区生产能力由原来的月6 0 0 0 吨提高到月 1 5 0 0 0 吨。工人普遍认为，循环风和制冷所产生的降温和提高风速的效果好，没 西北入风巷回风巷 ／{ ．矿 jf } 6 0 水平 南 冈巷 。 H 卜_ _ 一_ 1 ⋯i 』一 f ≤1 3 嘿} 如采{ 垛{ 。黼 i li f f 一一．一。，～_ 、L E 77 k “ 耳E 图12 努瑞因金矿循环通风试验前通风概况 』j 、。 5 7 水平 图1 ．3 循环试验方案 出现不良影响。试验表明 ①采区降温显著降低，这是因为循环风系统使原有的制冷能力得到充分发挥 作用； ②循环风本身不会引起污染浓度有任何普遍提高，也不会导致污染物的逐渐 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 聚集 ③循环风不会延长爆破后工人进入采区的时问，爆破污染物的消散速度主要 取决于入风量大小。 同时，南非还开发了受控循环系统的的计算机专家系统，该专家系统可提供 受控循环的设计方案，其中包括所需的新鲜风量、循环风量、循环风道位置、循 环风机设置地点，以及空气冷却器的功率和位置等。 3 加拿大留顿矿 R u t t a n 循环通风在空气预热中的应用【4 】 加拿大留顿矿位于北部冬季气温位于．3 0 “ C ～．4 0 。C 的寒冷地区。由于气候寒 冷，由地面进入矿井的新鲜风流要求预热。该矿进风量3 3 0m 3 ／s ，采用丙烷燃烧 器加热，每年的加热费用超过1 0 0 万美元。考虑到矿井已延伸到地表以下8 0 0 m 处，可利用循环通风的方案，经过对井下空气污染物全面调查，除爆破期间外， 让1 0 ％的循环风流在与新鲜的风流混合，完全可以保证矿井空气质量符合卫生标 准。试验表明，采用受控循环通风后重复利用其回风流中的热量，从而使空气预 热费用大大降低。而且还能使回风巷中的C o 、C 0 2 和粉尘浓度各下降5 0 ％左右。 4 循环通风与传统通风的经济比较 更进一步的是，澳大利亚昆士兰大学对该校的实习矿井采用传统的通风方法 和循环的通风方法作了经济分析。分析的条件是主扇的风阻为2 ．2 1 N ．S 2 ／m 8 ， 扇风机的效率为7 0 ％，电费O ．1 1 瓜W - h 。用于循环通风的购置费3 7 0 0 5 ，用于监 测与控制的费用7 4 0 0 5 。服务年限1 0 年，年利润1 3 ％。从供风量3 m 3 ／s 算起。 由于初始投资较高，在供风量小时，总费用高于传统通风方案。随供风量的增加， 循环通风费用增加慢，而传统的通风费用上升快，当风量5 m 3 ／s 时，达到两方案 盈亏点。可见，在通风困难地带，需风量大时采用循环通风更有利。 1 ．2 ．I ．2 国内的循环通风的技术应用 在国内于1 9 7 9 年开始有文章介绍这方面的问题，并且得到了许多学者们的 关注，但由于传统的保守思想的束缚，该方法并未引起足够的重视。直到7 0 年 代初，我国锡矿山矿务局在掘进工作面试用了受控循环通风后使工作面通风状况 得到了改善，进一步促进了大家的浓厚兴趣。最为显著的例子是近年义马矿务局 东北大学硕士学位论文第一章绪论 甘豪煤矿运用受控循环解决了1 3 1 8 1 采煤工作面的供风不足问题，获得工作面瓦 斯少、温度低、煤尘浓度降低2 0 ％左右的良好效果，同时少掘进4 0 0 m ，扣除所用 电费、人工费外，为国家节约资金近2 0 万元。 I 青城子选矿厂F 部地下运输系统采用受控循环通风[ 5 1 青城子选矿厂位于寒冷的东北地区，气温低。选厂F 部运输系统，由于排尘 需要风机，从平峒吸入冷空气，并排走热量。给生产和防尘带来许多不利的因素。 采用受控循环通风和除尘净化技术，在除尘巷道中采用三级除尘系统，～级为静 电除尘，二级为旋流处尘，末级为D V 滤料过滤除尘。确定循环风量为4 ．8 8F F l 3 ／s ， 峒外仍有少量冷风进入，但并没有引起危害。解决了冬季防寒与防尘的矛盾。 2 云锡独头巷道掘进循环通风【6 】 云锡独头巷道掘进的布置采用压抽混合通风方式。放炮时，开动抽出式风机， 将炮烟排除。同时开动压入式风机，在压入式风机后装有R D C 一1 型多级复合除 尘除氡子体净化器，排除和净化氡子体和粉尘，很有效。可在l O 分钟内把作业 面含氡子体浓度很高的空气净化成符合卫生标准的空气。 3 桃冲铁矿采场进路循环通风m 桃冲铁矿7 0 年代引进无底柱分段崩落法，作业面多为独头巷道，很难形成 贯串风流。而且放矿溜井多，各分层相通，形成复杂的通风网络。风流交叉污染， 难以获得有效的通风防尘效果。针对这种情况，在进路中安装高效除尘器和扇风 机，将清洗工作面后的污风经除尘器净化后再循环使用。采用这种通风方法，可 降低作业面的粉尘浓度。并可节省风量，减少能耗。目前，国内还有些煤矿也正 在对受控循环通风进行试验研究。 4 9 2 透山主溜井循环通风除尘净化系统[ 1 0 } 红透山铜矿开采深度超过千米，溜井卸矿时，由于矿石下落冲击作用，在下 部溜井口产生强大的冲击气流，大量粉尘溢处。浓度高达4 8m g ／m 3 ，并向巷道中 扩散，对溜井作业区及全矿造成危害。1 9 9 8 年，根据当时国内外除尘技术的发 展状况，开发了平行卸压溜井与湿式振动纤维栅除尘器的循环通风相结合的除尘 净化系统。该系统的除尘效率，高达9 9 ．5 ％。净化后的气流含尘浓度在O ．5m g ／m 3 ， 可作为新鲜风流循环使用。作业区的粉尘浓度在1 ．0m g ／m 3 以下，并可再生1 0 m 3 ／s 的洁净新风供循环利用。这项技术在1 9 9 9 年通过鉴定。2 0 0 0 年获得国家经贸委 东北大学硕士学位论丈第一章绪论 科技进步二等奖。 接着，许多科研单位也纷纷加入了陔种通风方法的理论研究中。其中，东北 大学的研究认为，在采用短压长抽混合式通风的巷道掘进中，利用掺有新鲜风的 受控循环通风系统，能较好的解决排除炮烟、排尘和改善工作面气候条件的问题。 淮南矿业学院的研究认为，采用压入式通风的掘进巷道中，在有循环风的情况下， 只要适当控制循环系数 循环风量与局部通风机风量的比值 在～一定范围内，巷 道风流中的瓦斯浓度的升高是有一定限度的，并不会超限。在采取长压短抽的混 合式通风巷道掘进中，存在循环通风时，仅使工作面与抽出式风机出口断面间的 风流中的瓦斯浓度增高，但升高浓度是有限的。巷道中其余断面一L 的瓦斯浓度与 循环风无关，只取决于压入式风机的风量大小。当压入式风机风量足以使抽出式 风机出口断面处的瓦斯浓度不超限，则通过抽出式风机的风流中的瓦斯浓度就不 会超限。此外，循环风可使巷道中的风量增大，风速提高，对防止顶板瓦斯聚集 反而有利。 最近，山西矿业学院的樊广明等从另一个较新颖的角度对该方法予以研究。 他在研究中提出了敏感度矩阵和当量风阻的概念，采用合理调节风量与应用可控 循环风相结合的指导思想，最后给出了选择调节分支和应用可控循环分支的依据 及循环系数计算方法，并编制了相应的电算程序。但由于研究中完全忽略了通风 总能耗问题，因此该项研究大有必要完善。 此外，人们还根据循环区范围的大小，对受控循环通风系统进行了分类，将 其分为局部性、区域性、和全矿性的受控循环通风系统。目前局部性受控循环通 风系统大多集中于掘进工作面或独头巷道的研究应用中，并得到了明显的效果。 总之，当前众多学者通过理论分析和生产实践都已证明，在利用受控循环通 风的过程中，只要措施得当，不会造成瓦斯聚集和粉尘浓度的明显增加，威胁安 全生产。相反地，会减少和消除瓦斯的聚集，控制粉尘浓度和改善工作区的气候 条件，并使通风费用降低。因此，近年来，人们对此种通风方法的兴趣大增，随 着研究的深入，讵越来越多推动着该项通风技术的深入发展。 1 ．2 ．2 现状评述 东北走学硕士学位论文第一章绪论 1 许多学者在研究循环通风时，目前研究的受控循环通风系统大多集中 于独头巷道的研究应用中。对整个矿i | l 系统包括通风线路、循环1 x L 机的选型及设 置地点、监控系统及控制装置和应用安全措施等研究较少。 2 人们在研究循环通风时，大多忽略了风流的紊流弥散、扩散等重要的 影响，而仅仅从循环风的整体宏观方面予以研究，因此得出的最总结果将很难完 整地反映循环l x l 的流动本质。 3 目前大量研究常常作出“污染物均匀分布在巷道中”的假设来模拟试 验或计算机模拟等对循环通风的研究。本人认为此种假设对于相当长的巷道或体 积较大的空间，还是可以接受的，但是若对于独头工作面特别是污染物产生较短 时间内，是不可能均匀分布的，于是实现相差较大。因此，这种模拟试验往往会 出现一些错误或者不能完全反映实质结论，从而也就大大影响了理论指导实践的 作用。 本章小结 1 ．介绍了受控循环通风的方法的重大意义及其利用前景。 2 ．循环通风方法的研究现状予以了概括性的综述。 3 ．提出了关于受控循环通风方法目前研究中存在的问题。 4 ．提出了一种新型受控循环通风方法系统可控循环通风方法。 东北走学硕士学位论文 第二章循环通风理论 第二章循环通风理论研究 2 ．1 闭路循环通风过程的分析【 独头巷道或峒室。在不供给外界新风的情况下，单靠空气净化器本身的净化 作用进行通风除尘，其通风除尘与净化器的效率密切相关。图2 ．1 是闭路循环通 风示意图。净化器出口的新鲜风流清洗作业面后，将含尘的污浊风流送入到净 ，风流路线i ／l 一。1 一一一1 I 一～ 一～| ＼ 净化器，一送风风筒＼ ． ／／ { i ‘ 、一o _ 1上， ／ l ～] 、≥r } 二一} 一’’ f L 一 二二j 。 『 I 图2 1 闭路循环通风示意图 化器入口，经过净化后，再送到作业面重复使用。如此多次循环，使作业面的粉 尘降低到卫生的标准。设单位时间内作业面生成的粉尘量为Gm g ／s ，在d t 时间 内作业面生成的粉尘量为G d t 。在同一时间内，循环风流带进作业面的粉尘量为 Q C b d t ，其中Q 是循环风量 m 3 ／s C b 是净化器出口的粉尘浓度 m g ／m 3 。在 d t 时间内循环风流从作业面带走的粉尘量为Q C d t ，其中C 是作业面粉尘浓度 m g ／m 3 。该时间内，作业面空间粉尘量的变化为V d c ，其中v 是作业面空间 的体积 m 3 ；d c 是作业面的粉尘浓度的变化量 m g ／m 3 。 根据质量守恒原则，作业面产生的粉尘量加上循环风流带进作业面的粉尘量 与风流作业面带走的粉尘量之差，应等于该空间在d t 时间粉尘的变化量。即 查 垄兰壁主兰堡垒查 苎三兰堡堑璺垦兰垒 G d t 。O C b d t Q C d t V d C 2 ．1 在循环通风情况下，净化器出口的粉尘浓度K C 之间存在如下关系 C b 1 一町 C 2 ．2 式中叩一净化器的效率。 将式 2 ．2 代入式 2 ．1 ，并加以整理后，即可得到闭路循环除尘过程的微分方 程式如下 G d t r l Q C d t V d C 2 ．3 也可以写成； 一d C 里一堡 2 ．4 d tVV 按污染物产生的特点和不同的通风方式，对通风过程中的风量和污染物浓度分别 加以论述 1 连续产尘过程，闭路循环通风系统中有除尘器 在凿岩、连续放矿或耙矿过程中，产生的粉尘是连续的，通风过程也是连续 的。因此，其粉尘浓度是相对稳定的，可以看成粉尘浓度C 不随时间变化，即 d C 一0 ，由式 2 ．4 式可得 d t c 旦 2 ．5 Q 叩 在正常的贯通风流通风时，粉尘浓度c7 与风量的关系为 C ，里 2 ．6 g 将式 2 ．6 代入式 2 ．5 得 C m C ． 2 ．7 町 此式表明，在闭路循环通风条件下，如果风量与贯通风流通风时相同，产尘 强度也相同，其粉尘浓度达到一个稳定的平衡浓度，这个浓度是贯通风流通风时 的％倍如果需保持与正常通风时同样浓度，则循环风量应为正常的通风量的 ％倍。 东北大学硕士学位论文第二章循环通风理论 2 连续严尘过程，刚路循蚪系统甲尢陈尘器 在没有除尘器的闭路循环中，相当于式 2 ．4 式中的除尘效率刀 O ，此时， 式 2 r 4 可简化成如下形式 堕一G 28 d tV 。。 积分上式可得，c c t 矿 4 ，始终A 是积分常数，当t O 时，c c 。，其中c o ；* j 初始浓度，代入式中可求得A C 0 ，则得到 c c 。 可G t 2 ．9 此式说明，在闭路循环系统中，若空气净化效率为零，必然出现作业面粉尘 浓度积聚现象，其浓度随时间的延长直线上升，而与循环风量无关。 3 瞬间不连续产尘过程，系统中有除尘器 爆破后以及集中放矿过程中，瞬间产生大量粉尘的情况下，粉尘的产生是不 连续的，此时，G 0 ，式 2 ．4 可简化成如下此形式 dC一,TQ-C2．10 d t矿 。 当t 0 时，C C 0 ，t t ，C C ，积分上式可得 c c o e x p 芋 2 ．⋯ 并可求得 Q 导- n C c o 眨㈣ 在有贯穿风流通风的情况下，风量的表达式为 9 ，_ z l n C o 2 ．1 3 。tC 、⋯。。 将式 2 ．1 3 代入式 2 一1 4 可得 9 垡 2 ．1 4 此时表明，闭路循环通风时，欲使其达到与贯穿风流通风同样的效果，其供 风量应为贯通风流量的l ／叩倍。粉尘的浓度随时间成指数衰减，由C 。降到安全 东北大学硕士学位论文 第二章循环通风理论 浓度C 。 如果在系统中无空气净化装置或指数为零，由式 21 1 式可得 C C o 2 ．1 5 此式表明，作业面的粉伞浓度将保持初始浓度不变，而与循环风量大小和通 风时间无关。 2 ．2 掺有外界新鲜风的开路循环通风除尘过程的分析 图2 ．2 表示，外界供给新鲜风流，同时在独头巷道或峒室作业面内用空 l，一一一、 IJ、 jr j ] 、 l ＼／风流路线一、{ I } } 1 ／ 、h L J 、 。 【、净化器j 一一一J - 、一- - ●一 一7 ●} 图2 。2 掺有外界新鲜风的开路循环通风示意图 气净化装置对含尘气流进行净化的通风除尘系统。设单位时间作业面的粉尘量为 G ，在d t 时间作业面产生的粉尘量为G d t 。外部供给的新鲜风为Q 。，粉尘的浓度 为C 。，在d t 时间内外赛新鲜风带进作业面的粉尘量为Q 。C 。d t 。循环风量为Q b 循环风流在净化器出口处的粉尘浓度为c b ，循环风流带进作业面的粉尘量为 Q b C b d t ．，在d t 时间内有作业面带走的粉尘量为Q C d t ，其中Q 是混合风量， Q Q b Q c ；c 是作业面的粉尘浓度，k 是风流掺混系数。由于外界新风和循环风 流的稀释作用，使作业面的空间V 内的粉尘浓度发生d C 变化，因此，作业面空 东北大学硕士学位论文 第二章循环通风理论 间粉尘量的变化为V d c 。 根据质量守恒，在d t 时问内，作业面产生的粉尘量，与外界新鲜风带进作 业面的粉尘量及循环风流送入作业面的粉尘量，减去混合风流出作业面带走的粉 尘量，应等于作业面内粉尘的变化量。即存在下列方程 G c l t Q C ，c l t 鲸C b d t Q C d t V d C 2 ．1 6 循环风量Q b 与总的混合风量Q 之比成为循环风量系数“￡ 警，由此可得 Q h 坦，Q 1 一s Q 。在考虑到除尘器的净化效率为7 ，则其出口与入口的 粉尘浓度存在如下关系q 1 一r ／ Q 。将这些关系代入式 2 ．1 6 式加以整理 后的 G d t Q 1 一占 C ．卉一[ 1 一F 1 一r 1 l Q C d t V d C 2 ．1 7 或写成 d C G 1 - s Q C c [ 1 - e 1 - r 1 l Q C d tVVV 上两式即为掺有新鲜风的开路循环通风除尘系统的微分方程。 2 ．1 8 1 连续产尘，系统中有除尘器 在连续产尘、连续通风的情况下，通风过程是稳定的，作业面粉尘浓度C 不随时间变化，即骂0 ，由式 2 ．1 8 式得 【1 一F 1 一玎I 匕 c G 1 一占 0 c c 2 ．1 9 将上式写成作业面粉尘浓度的表达式为 c 正矿G 丽 丽1 - - , g “ C C 2 ．2 。 当外界掺入的新鲜风流的含尘量浓度为零时，即C c 0 ，上式可简化成 c 2 叵；而G 陋 2 - 2 1 在贯穿风流通风的情况下，无循环通风时，相当于s 0 ，此时，作业面的 粉尘浓度以C 表示，则 东北大学硕士学位论文第二章循环通风理论 C ，旦 Q 将这一关系代入式 2 ．2 1 式可得 c 一南c 2 2 2 22 3 此时表明，在开路循环通风情况下，如果混合风量与无循环风流的贯穿风流 通风时的风量相等，它的作业面粉尘浓度C 将是无循环贯穿风流通风时的 l ，立 F 虱两旧。 同理，在开路循环通风情况下，如果要求作业面粉尘浓度C 达到无循环贯 穿风流通风时浓度c ’的水平，其混合风量Q 应符合下式 Q 五南Q o 2 ．2 4 式中Q o 为无循环通风时的风量m 3 ／s 。式 2 ．2 4 式表明- ，混合风量Q 是Q o 的 『二爿} 二丽倍。由此，可以写出循环风量Q b 、掺入的新鲜风量Q c 与Q o 的关系 式 Q 2 南Q o 皱 高与魏 2 ．2 5 2 ．2 6 在不同的循环风量系数s 和不同的空气净化器效率玎的条件下，式 2 ．2 4 、 2 ．2 5 和式‘2 2 6 ’，可计算出风量比％，哆磊，雩磊其数值见表2 ．1 。由表2 ．1 可／皑q／鬯n／Q n 见，当空气净化器效率较高时，适当提高循坏风量，可相应的节省外界新鲜风量， 而达到
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