矿井通风系统节能减阻研究_李晓刚.pdf

矿井通风系统节能减阻研究 李晓刚 1， 2 王湘桂 1， 2 胡永泉 1， 2 （1. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司， 安徽 马鞍山 243000； 2. 金属矿山安全与健康国家重点实验室， 安徽 马鞍山 243000） 摘要随着采矿设备的快速发展， 矿井机械化程度越来越高， 矿山年用电量也在不断增加。根据生产系统特 点， 用电环节主要包括提升、 排水、 通风、 压风自救等系统。统计资料表明， 矿井通风系统耗电量约占全矿总用电量 的1/3左右。风机的输入功率主要消耗于总进风线路、 采区网路、 总回风线路中。所以， 做好矿井通风系统节能减 阻， 应从以上三个方面综合考虑。针对某矿通风系统阻力分布特点， 以经济断面法为研究手段， 通过经济技术比较、 计算验证， 提出了某矿山总回风线路最优通风断面参数， 较好地实现了节能减租的目的。经过计算， 某矿山回风巷 道在保持井巷通过风量不变的前提下， 采用最优通风断面后， 一次性增加了1 177.9万元掘砌费用， 而在服务年限7 a 内可减少通风费用8 827.98万元， 节能减阻经济效益十分明显。 关键词矿井通风系统节能减阻总回风线路断面优化 中图分类号TD724文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -04-185-04 DOI10.19614/ki.jsks.201904034 Research on Energy Saving and Drag Reduction in Mine Ventilation System Li Xiaogang1， 2Wang Xianggui1， 2Hu Yongquan1， 22 （1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Maanshan 243000， China； 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines， Maanshan 243000， China） AbstractWith the rapid development of mining equipment，the degree of mine mechanization is getting higher and higher，and the annual electricity consumption of mine is also increasing. According to the characteristics of the production system， the power consumption links mainly include lifting， drainage， ventilation， pressure self-help and other systems. Sta- tistical data show that the electricity consumption of mine ventilation system accounts for about 1/3 of the total electricity con- sumption of the whole mine. The power of the fan is mainly consumed in the total air intake line， network in mining ar- ea and total return air line. Therefore， energy saving and drag reduction of mine ventilation system should be considered from the three aspects above. Aiming at the resistance distribution characteristics of the ventilation system in a mine，and by means of economic section ， the optimal ventilation section parameters of total return air line in a mine are put forward through economic and technological comparison and calculation verification， and the purpose of energy saving and rent reduc- tion is easily realized. After calculation，under the premise of keeping the air flow and adopting the optimal ventilation sec- tion，the excavation and construction cost of return air tunnel in a mine was increased by 11.779 million yuan at one time， while the ventilation cost could be reduced by 88.279 8 million yuan within seven years of service with considerable economic benefits of energy saving and drag reduction. KeywordsMine ventilation system， Energy saving and drag reduction， Total return air line， Section optimization. 收稿日期2019-02-20 作者简介李晓刚 （1984） ， 男， 工程师， 硕士。 矿井通风系统耗电量约占全矿总用电量的1/3 左右 ［1］， 降低矿井通风阻力， 对保证安全生产和提高 经济效益都有重要意义。应强调的是， 矿井通风系 统阻力等于该系统最大阻力线上各分支摩擦阻力以 及局部阻力之和 ［2］， 因此， 降阻前须确定最大阻力路 线， 通过测定调查其阻力分布， 找出超常分支， 对其 实施降阻措施 ［3］。需要指出的是， 不在最大阻力路线 上的降阻是无效的， 甚至是有害的。 矿井通风网络是一个关联程度很高的复杂系 统， 单条分支的风量可能通过在多条分支中安设条 总第 514 期 2019 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 514 April 2019 185 ChaoXing 件设施而改变 ［4］。也就是说， 一条巷道参数的改变， 会对所有巷道通风效果产生影响。为保证节能减阻 工作顺利进行， 需在必要时候采取一定简化措施， 保 证通风网路某一分支的改变对整个通风系统产生较 好的效果， 或者产生的负面影响处于企业可接受的 范围之内。 1某矿井通风系统节能减阻研究 根据通风理论知识， 巷道通风摩擦阻力计算公 式如下 hfαLU S3 Q2，（1） 式中，hf为通风负压， Pa； α为摩擦阻力系数； U为巷道 周长， m； L为巷道长度， m； Q为风量， m/s； S为巷道净 断面， m。 为简化计算， 以UC S代入式 （1） ， 得到 hf αC SLQ2 S3 αCLQ2 S2.5 .（2） 系数C依断面形状而不同， 按表1取值。 通过式 （1） 或式 （2） 可看出， 在保持风量Q不变的 前提下， 通风阻力随着巷道面积S的增加急剧减小。 但是， 增大断面将增大基建投资， 还要同时考虑长期 经济节能经济效益。那么必然存在一个最佳通风断 面， 使得基建投资和通风费用之和为最小。 1. 1某矿山通风系统介绍 某矿山设计规模为500万t/a， 采用两翼对角式 通风， 1副井、 进风井进风， 南、 北回风井回风， 上下盘 对采场形成贯穿风流。井下划分为凿岩水平、 出矿 水平、 运输水平、 溜破系统4个通风区， 其中凿岩水平 服务年限为7 a。凿岩水平新鲜风流经1副井和进风 井的石门巷道进入该水平下盘联络巷， 由盘区或采 场联络巷进入采场， 冲洗工作面后的污风经盘区或 采场回风巷到上盘回风巷， 经同水平南、 北回风井石 门、 南、 北回风井排出地表。该矿凿岩水平为其通风 系统最大阻力路线通过水平， 凿岩水平通风系统如图 1所示， 最大阻力路线风阻初步计算见表2。 1. 2矿山通风系统特点分析 从图1、 表2可以看出， 矿山凿岩水平通风系统风 流路线可以分为3个部分。 （1） 总进风部分。风流路线为 副井→井底车场 金属矿山2019年第4期总第514期 186 ChaoXing →石门→下盘沿脉巷道。总进风路线巷道内包含副 井井筒装备、 井底车场相关设施、 铺轨、 通行矿车等， 人流量、 车流量大且频繁， 在研究中予以简化， 不宜 进行节能减阻分析。另一方面， 进风巷道过大还会 降低采区风速， 不利于采区通风降温。 （2） 采区巷道通风部分。采区巷道风流路线为 下盘沿脉→穿脉 （多条） →工作面 （若干） →上盘沿脉 →总回风巷。采区巷道是矿井通风网路最复杂的区 域， 很难确定最大阻力路线。由于采矿位置随回采 推进而不断变动， 最大阻力路线也是不确定的， 在此 亦做简化处理。 （3） 总回风部分。风流路线为 南、 北总回风巷 →南、 北回风井→地表。该路线巷道内的南、 北总回 风巷不需要安装设备， 也不是各类生产活动集中的 区域， 总长度达到1 115 m （表2 北回风巷670 m南 回风巷445 m） ， 是节能减阻研究对象， 详细计算见1.3 节。 根据统计数据， 矿井通风阻力分布为总进风、 采 区和总回风各占1/3 ［5］。 1. 3矿井通风系统节能减阻费用分析 （1） 掘砌费用。假设南、 北回风巷掘砌费用一 致， 则2条巷道的掘砌费用为 AKLS，（3） 式中， A 为巷道掘砌费用， 元； K 为巷道掘砌单价， 元/m。 （2） 维护费用。巷道在服务期间总维护费用为 VYTLS，（4） 式中，V为服务年限内巷道总维护费用， 元；Y为巷道 年维护费用， 元/m； T为巷道的服务年限， a。 （3） 通风费用。风机的功率计算式为 N Qhf 102ηη1η2， （5） 式中，η为风机效率， 取0.6；η1为电动机效率， 取0.95； η2为变压器与线路的效率， 取0.95。将式 （2） 代入式 （5） ， 得风机的功率为 N αCLQ3 102ηη1η2S2.5. （6） 服务期间的通风费用 W 24365αCLrQ3 102ηη1η2S2.5 ，（7） 式中， W为通风费用， 元； r为电价， 元/ （kW h） 。 由式 （3） 、 式 （4） 、 式 （7） 相加可得巷道断面S的函 数方程式 f S KLSYTLS 24365αCLTrQ3 102ηη1η2S2.5 .（8） 上述方程式对S求导 f ′ S KLYTL-2.524365αCLTrQ 3 102ηη1η2S3.5 .（9） 当导函数f ′ S为零时， 其解就是函数的极值方程 S 2.524365αCTrQ3 KYT102ηη1η2 3.5 .（10） 2计算验证 （1） 静态分析。结合该矿山资料， 回风巷断面为 三心拱 （系数C取3.81） ， 设计断面积11.79 m， 采用锚 喷混凝土支护。巷道总长L1 115 m， 通过风量Q 120 m/s， 巷道内无设备。以掘砌费用K500元/m， 电费r0.70元/ （kW h） ， 维护费用Y忽略， 根据这3个 条件进行计算， 某矿山吨矿电耗为3.9 kW h。 在上述费用条件不变的前提下， 以最优断面参 数进行计算， 该矿山吨矿电耗则降低为0.29 kW h， 计算结果见表3。 进一步以凿岩水平服务年限7 a计算， 分别比较 最优断面与设计断面的掘砌费用及通风费用。可以 看出， 最优断面在增加1 177.9万元掘砌费用的基础 上， 可减少通风费用8 827.98万元， 最优断面节能经 济效益十分明显。 （2） 动态分析。采用最优巷道断面， 其掘砌费用 多出1 177.8万元， 若从银行贷款， 年利率为5， 到7 a后将本利全部还完， 再以每年应偿还钱数目和每年 节约的通风费用相比较。 RP i1in 1in-1， （9） 式中， R为每年年末应偿还之贷款， 元； P为货币的现 值， 1 177.8万元； i为年利率， 5； n为偿还年数， 7 a。 将各参数值代入式 （9） ， 得R203.56万元， 即每 年偿还 203.56 万元， 7 a 后可把货款的本利全部还 清。而最优断面每年节约的通风电力费为1 261.14 万元， 支付贷款后， 每年尚可结余1 057.58万元。 3结论 （1） 矿井通风网络可简化为总进风线路、 采区网 路以及总回风线路。其中总进风路线巷道内设备设 施较多、 生产活动频繁， 不宜进行节能减阻研究； 采 区巷道是矿井通风网路最复杂的区域， 很难确定最 大阻力路线， 节能减阻研究可能会带来负面影响； 总 李晓刚等 矿井通风系统节能减阻研究2019年第4期 187 ChaoXing 回风线路内不需要安装设备， 也不是各类生产活动 集中的区域， 是节能减阻研究的最佳对象。 （2） 矿山企业为减少前期基建投资， 普遍采用面 积较小的巷道， 这一举措在无形中大幅增加了矿井 通风年电耗， 给企业自身带来了很大的经济负担。 矿山企业应转变思维， 从长期节能经济效益出发， 在 可承受的范围内扩大部分巷道面积， 或者在矿井投 产后适当时机， 对其断面进行刷大， 以达到降低通风 阻力、 节省通风年电耗的目的。 （3） 通过计算验证， 某矿井回风巷道采用最优断 面后， 一次性增加1 177.9万元掘砌费用， 共减少通风 费用8 827.98万元， 节能减阻经济效益十分明显。动 态分析结果表明， 以年利率5贷款1 177.9万元， 每 年需偿还203.56万元， 7 a后可把货款的本利全部还 清， 支付贷款后， 每年依然可结余1 057.58万元。 （4） 采用经济通风巷道断面， 导致巷道面积和掘 砌费用较原设计都有很大增幅。因此， 在实际生产 过程中， 矿山企业应根据自身情况， 适当扩大回风道 断面， 以保证在自身承受能力范围内获得较大的经 济效益。 参 考 文 献 周志杨.大型复杂改扩建矿井通风系统优化研究 ［D］ .赣州 江西 理工大学， 2016 31-32. 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