高海拔矿井风机通风降效特征的研究_王瑜敏.pdf

收稿日期2019-12-25 项目基金国家重点研发计划项目 （编号 2018YFC0808404） 。 作者简介王瑜敏1996 ， 女， 硕士研究生。通讯作者黄玉诚1966， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 524 期 2020 年第 2 期 金属矿山 METAL MINE 高海拔矿井风机通风降效特征的研究 王瑜敏黄玉诚 1 （中国矿业大学 （北京） 能源与矿业学院， 北京100083） 摘要高海拔地区低压缺氧是导致高海拔矿井作业人员和某些设备降效的根本原因。基于矿井通风学原 理， 对比分析了不同海拔条件下的风机通风参数变化规律。针对高海拔矿井风机通风降效的本质， 研究了采用增 阻加压方式达到相同氧含量条件下的风机通风参数变化及通风降效特征。研究结果表明 和低海拔相比， 高海拔 矿井在风机风量相同的条件下， 风机实际输出功率变化不大， 但通风气流密度和氧含量下降较多， 通风环境明显恶 化； 通过增阻加压方式达到目标海拔相同氧含量， 所需的风机风压和功率大幅提高， 通风效能水平显著降低。 关键词高海拔矿井风机降效特征增阻加压 中图分类号TD722文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -02-194-05 DOI10.19614/ki.jsks.202002033 Research on Characteristics of Ventilation Effects Reduction of Fan in High Altitude Mines Wang YuminHuang Yucheng1 （School of Energy and Mining Engineering， China University of Mining TechnologyBeijing， Beijing 100083， China） AbstractLower pressure and less oxygen in high-altitude mines are the root cause for efficiency reduction of operators and some equipment. Based on the principle of mine ventilation， the variation law of ventilation parameters under different al- titude conditions is compared and analyzed. In view of the essence of ventilation effects reduction of fan in high-altitude mines，the variation of ventilation parameters and the characteristics of ventilation effects reduction under the same oxygen content obtained by increasing resistance and pressure are studied. The research shows that，under the same air volume，the actual output power of the fan in the high altitude mine changes less，compared with that in the low altitude. But the air den- sity and oxygen content of the ventilation are decreased rapidly，which lead to serious deterioration of the ventilation environ- ment；By increasing resistance and pressure to achieve the same oxygen content at the target altitude，can greatly improve the required air pressure and power of the fan， with the ventilation efficiency significantly reduced. KeywordsHigh-altitude mines， Fan， Ventilation effects reduction， Resistance and pressure increase Series No. 524 February 2020 随着我国中东部地区矿产资源的长期开发， 资 源储量越来越少。而西部地区地域广阔、 资源丰富， 必将在未来的国民经济发展中发挥越来越重要的作 用。西部多为高海拔地区， 海拔1 000 m以上的土地 面积占全国陆地面积的60左右， 海拔2 000 m以上 的面积约占33， 3 000 m以上面积约占26 ［1-2］。高 海拔地区， 大气压力低、 空气稀薄缺氧、 气候干燥寒 冷， 这种恶劣的地理气候环境极大地影响和制约着 高海拔矿山地下开采的正常生产， 给矿产资源的开 发造成了很大的困扰 ［3-7］。特别是低压低氧环境使得 井下通风管理难度加大， 通风效果严重下降， 更加恶 化了井下作业环境。本研究主要结合某高海拔矿井 局部通风实际条件探讨高海拔条件下矿井风机通风 的降效特征。 1海拔高度对大气压力和空气密度的影响 1. 1大气压力随海拔的变化 一般情况下， 大气压力随海拔高度的增加而减 小。大气压力与海拔高度的关系 ［8］为 P P0exp - Mgh R0T ，（1） 式中，P为当地平均大气压， Pa；P0为海平面处的大气 压， 取101 325 Pa；h为当地海拔高度， m；M为空气的 摩尔质量， 取29 kg/kmol；g为自由落体加速度；R0为 通用气体常数， 取8 314 J/ （kmol K） ；T为空气温度， 194 ChaoXing 取293 K。 1. 2空气密度和氧含量随大气压力的变化 1. 2. 1空气密度 矿井空气的密度与温度、 压力和湿度等因素有 关。在矿井通风中， 相对湿度一般变化不大 （70～ 100） ， 它对空气密度的影响极小。一般可按照下式 近似测算矿井空气密度 ［8-9］ ρ 0.003 484 P 273 t ，（2） 式中，ρ为空气密度， kg/m3；t为空气温度， ℃。 1. 2. 2空气氧含量 随着海拔高度变化， 空气中氧气体积分数和质 量分数基本不变 （20.95） 。但由于大气压力随海拔 升高而减小， 空气密度变小， 单位体积所含氧气的质 量则相应减少。空气中氧含量空气密度空气中 氧气质量分数。为了便于氧含量对比， 本文基于标 准矿井空气条件下 （P0101 325 Pa， t20 ℃， 相对湿 度φ 60） 的氧含量 ［8］， 定义 海拔h处空气氧含量百分比 海拔h处空气氧含量 标准空气条件氧含量 100. ，（3） 由式 （1） ～式 （3） 分析得到t20 ℃时不同海拔处 的空气压力、 密度、 氧含量及氧含量百分比见表1。 2高海拔条件下风机通风参数的变化 2. 1风机特征参数随空气密度的变化规律 目前， 矿用风机均以标准地区的环境参数为基 础进行设计与制造， 风机制造企业所提供的风机性 能曲线也是根据标准气象条件下所作的模型试验资 料绘制而成 ［10-12］。当风机应用于高海拔矿井时， 根据 通风机比例定律， 在风机转速不变的条件下， 空气密 度不同引起的风机特性参数的变化 ［12-13］， 可表达为 QI QII, HI HII ρI ρII, NI NII ρI ρII,η I ηII，（4） 式中，ρI、ρII为不同空气密度；QI、QII分别为空气密度 为ρI、ρII时的风机风量；HI、HII分别为空气密度为ρI、 ρII时的风机风压；NI、NII分别为空气密度为ρI、ρII时的 风机功率；ηI、ηII分别为空气密度为ρI、ρII时的风机效 率。 由式 （4） 可以看出， 同一型号的风机应用于不同 海拔地区时， 风机的风量、 效率相同， 风压和功率与 环境的空气密度成正比。 为便于后文分析空气密度变化对风机通风特征 的影响， 定义比例系数C0/h ρ0 ρh 表示标准地区与海 拔h处的空气密度比值，Ch1/h ρh1 ρh 表示海拔h1处与 海拔为h处的空气密度比值。 2. 2不同海拔条件下风机通风参数对比分析 某高海拔矿井位于海拔高度3 700 m （空气密度 为 0.782 kg/m3） ， 空气质量氧含量仅为标准地区的 64.94。该矿的一处采场目前采用K40-6-NO15型 辅扇进行通风， 风机进风量Q 20 m 3 s， 实际风压 206 Pa， 比例系数C0/3 700 ρ0 ρ3 700 1.205 0.782 1.541， 风 机样本风压Hf 1.541 206 317.4 Pa， 风机输出 功率N QH 1 000 20 206 1 000 4.12 kW。 研究表明， 海拔2 700 m对应的环境为人体适宜 工作的上限 ［14-15］。若该矿位于海拔2 700 m （空气密度 为 0.879 kg/m3）， 空气质量氧含量为标准地区的 72.98。选用和上述同一型号的风机， 风机进风量 Q 20m3/s， 比例系数C2700/3700 ρ2700 ρ3700 0.879 0.782 1.124， 则风机实际风压H 1.124 206 231.5Pa， 风机 输出功率N QH 1 000 20 231.5 1 000 4.63 kW。可以 看出， 和海拔高度3 700 m相比， 由于海拔的下降， 在 风机输出功率增加较少的情况下， 风流中的空气氧 含量提高了8.04。同理可分析得到， 若该矿井位于 海拔0 m、 3 200 m、 3 400 m和3 500 m时风机通风参 数， 见表2。 2020年第2期王瑜敏等 高海拔矿井风机通风降效特征的研究 195 ChaoXing 3高海拔矿井风机通风效能变化特征 根据表1， 高海拔矿井由于空气密度低， 大气氧 含量明显低于平原地区， 而空气中的氧含量低是导 致人员和某些设备降效的根本原因。提高氧含量的 方法主要有2种途径 ［16-19］ ①对工作地点进行增阻加 压， 以提高气流密度从而提高氧含量； ②采用增氧设 备对工作地点进行人工增氧。 为了对比风机通风效能的变化， 下文分析增阻 加压方式达到相同氧含量条件下的风机通风参数变 化及高海拔引起的风机效能下降特征。 3. 1高海拔矿井通风增阻加压技术原理 在高海拔矿井通风中通过增阻加压提高井下空 气压力， 可以达到增加氧分压和氧含量的效果， 其技 术原理如图 1所示 增阻加压前风机出口处气压为 p1， 井巷末端气压为p2； 增阻加压后风机出口处气压 为p 1， 需要在井巷末端通过增设风窗等方式增阻 hc p1- p1， 并选用合适的高压风机进行加压， 增阻 加压段的空气密度和氧含量随之提高， 从而实现加 压增氧的目标 ［19-20］。 3. 2加压增氧的风机通风参数变化规律 假设某高海拔矿井位于海拔 h 处， 大气压力为 P， 空气密度 ρ。其局部井巷段加压前的状态如图 1 （a） 所示， 风机出口处气压为p1， 井巷出口处气压为 p2， 风机进风量为 Q， 风压为 H， 则有 风机样本风压 Hf C0/hH， 输出功率N QH。 若该矿井位于海拔h1（h1＜ h） 处， 大气压力为P1， 空 气 密 度p1，风 机 进 风 量 为Q1 Q，则 风 压 H1 Ch1/hH， 样本风压Hf1 C0/h1H1 C0/hH， 输出功率 N1 Q1H1 Ch1/hQH。 为了提高氧含量， 现通过图 1 （b） 的方式进行 增阻加压， 将位于海拔h处的井巷氧含量水平提高 到海拔h1处矿井氧含量水平， 此时需要的风机进风 量Q Ch1/hQ， 需要增阻hc P1- P， 需要达到的实 际风压H P1-P H1 P1-P Ch1/hH， 风机样本风 压 H f C0/hHC0/h P1 -P Ch1/hH ， 输 出 功 率 N QH Ch1/hQ P1-P Ch1/hH 。 为便于对比相互之间的变化规律， 将增阻加压 前后的风机通风参数计算式列于表3。 3. 3加压增氧的风机效能对比分析 对于前文2.2中所述海拔3 700 m矿井某采场， 当 前 通 风 风 流 中 的 质 量 氧 含 量 仅 为 标 准 地 区 的 64.94。若按照图1 （b） 增阻加压的方法将其提升至 海拔2 700 m气压水平， 根据表3所列的风机通风参 数计算式可分析得到增阻加压后的各项通风参数如 下 （此时h3 700 m，h12 700 m） Q C2 700/3 700Q 1.124 20 22.5 m3/s， hc P1- P 73 946 - 65 803 8 143 Pa， H P - P C2 700/3 700H 73 946 - 65 803 → ← 1.124 206 8 375 Pa , H f C0/3 700H 1.541 8 375 12 906 Pa， N QH 1 000 22.5 8 375 1 000 188 kW. 同理可以分析得到， 通过增阻加压方式将海拔 3 700 m低气压提升至海拔 0 m、 3 200 m、 3 400 m和 3 500 m气压水平时的风机通风参数如表4。 表2所列是矿井位于海拔0 m、 2 700 m、 3 200 m、 3 400 m和3 500 m时风机通风参数， 表4所列为将海 拔3 700 m低压低氧状态通过增阻加压方式提升到海 拔0 m、 2 700 m、 3 200 m、 3 400 m和3 500 m对应的气 压和氧含量状态所需的风机通风参数。对比表2和 表4可以看出 （1） 同样的气压和氧含量水平， 若矿井本身位于 海拔 2 700 m 处， 风机风压 232 Pa， 风机输出功率为 4.63 kW； 若矿井位于海拔3 700 m处经过增阻加压提 高到海拔2 700 m气压和氧含量水平， 需要达到的风 机风压高达8 375 Pa， 风机输出功率高达188 kW， 技 术参数和通风能耗相差巨大。 （2） 从风机选型和通风能耗的角度来看， 海拔 3 700 m处经过增阻加压提高到2 700 m气压和氧含 量水平， 加压风机的样本风压高达12 906 Pa， 风机输 金属矿山2020年第2期总第524期 196 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ 出功率188 kW， 技术上难以实现， 作为局部地点的通 风， 也是相当耗能与不经济的。 （3） 加压增阻能耗随着目标海拔的降低而急剧增 大， 基干技术可行和经济合理综合考虑， 对于3 700 m 的高海拔矿井， 作业地点进行局部增阻加压提高 氧含量 3 左右 （即将海拔 3 700 m 处氧含量提高 到 3 300 m左右氧含量水平） 是可行的， 但提高氧含 量4以上难度很大。 （4） 在井下人员工作地点， 为了进一步提高空气 氧含量， 可结合实际采用加压增阻提氧和人工增氧 的联合方式。 4结论 （1） 高海拔地区气压低， 空气密度和大气氧含量 明显低于平原地区， 低压缺氧是导致高海拔矿井作 业人员和某些设备降效的根本原因。 （2） 和低海拔相比， 高海拔矿井在风机风量相同 的条件下， 风机实际输出功率相差不大， 但通风气流 密度和氧含量水平下降较多， 通风环境明显恶化。 （3） 海拔 3 700 m 的矿井， 经过增阻加压提高到 2 700 m气压和氧含量水平， 风机需要很高的风压和 功率， 技术上难以实现， 也是相当耗能与不经济的。 （4） 基于技术可行和经济合理综合考虑， 对于 3 700 m的高海拔矿井， 作业地点进行局部增阻提高 氧含量3左右是可行的， 但加压提高氧含量4以 上难度很大。 （5） 在井下人员工作地点， 为了进一步提高通过 空气氧含量， 可结合实际采用加压增阻提氧和人工 增氧的联合方式。 参 考 文 献 赵梓成.高山矿井的通风 ［J］ .昆明工学院学报， 1982 （2） 25-38. 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