金属矿山受控循环通风风量计算.pdf

Series No. 256 October 1997 金 属 矿 山 METAL MINE 总第 256期 1997年第 10 期 祝启坤, 武汉化工学院资源工程系, 讲师, 硕士, 430073 湖北省 武汉市武昌鲁巷。 安全与环保 金属矿山受控循环通风风量计算 祝启坤 武汉化工学院 叶镇杰 中南工业大学 摘 要 受控循环通风中新鲜风量与循环风量的控制是保证井下通风安全性和经济性的关键, 为 此, 探讨了金属矿山受控循环通风风量计算方法, 提出了受控循环通风风量计算公式。 关键词 循环通风 风量计算 风量参数 Air Quantity Calculation of the Controlled Recirculation Ventilation in Metal Mines Zhu Qikun Wuhan Chemical Engineering Institute Ye Zhenjie Central South University of Technology Abstract The fresh air quantity and recirculated air quantity in controlled recirculation ventilation are the key point in guaranteering the safety and economy of underground ventilation. T herefore, the air quantity calculation of the controlled recirculation ventilation is discussed and a calculation ula is put for ward. Keywords Recirculation ventilation, Air quantity calculation, Parameters of air quantity 受控循环通风技术是一项新技术。多年 来, 国内外学者从理论上进行了受控循环通风 技术的研究, 并进行了工业试验, 取得了令人满 意的效果。但由于该项技术目前还没有一套完 整的风量计算方法, 因而在一定程度上制约了 该通风方法的推广应用与发展。为此, 本文通 过比较常规通风和受控循环通风的风流结构, 首次提出了全面表征受控循环通风工作面风量 特征的三个基本参数 Qi、 Qr和 及其确定的 基本原则, 并从安全、 有效和经济角度, 给出了 这三个相互关联和影响的基本风量参数实用计 算方法和公式, 从设计的角度解决了该通风方 法风量的合理确定问题。 1 风量确定的基本原则 比较图 1和图 2 所示的常规通风和受控循 环通风的风流结构可知, 在常规通风方法中, 工 作面的总风量 Q 等于外来新风量Qi, 工作面的 风量参数只有一个, 其大小是按照工作面排烟 和排尘通风要求分别进行计算, 然后取其中较 大者作为工作面的风量值; 而在受控循环通风 方法中, 工作面的总风量 Q 等于外来新风量Qi 和循环风量 Qr之和, 而且循环风量 Qr是从工 作面返回的污风, 它再次进入工作面重复通风 时的含尘浓度 nr取决于循环风路中除尘器的 除尘效率 , 也就是说, 在受控循环通风中, 工 作面的污染物控制是在外来新风量、 循环风量 和具有一定净化效率的除尘器三者共同作用下 完成的, 对于具体的通风工作面, 其中任意一个 参数发生变化, 必将引起通风结果的改变, 因 此,受控循环通风工作面风量的基本参数有 3 个, 即 Qi、 Qr和, 这3 个风量参数确定的合理 35 与否, 直接影响着受控循环通风方法使用的安 全性、 有效性和经济性。 图 1 常用通风风流结构 图 2 受控循环通风风流结构 在受控循环通风中, 从减少矿井总风量, 节 约通风能耗的角度出发, 一方面应尽可能充分 地利用井下不受主扇风压控制的循环风流通 风, 特别是对那些开采深度较深、 送风距离较长 的工作面更是如此, 但另一方面, 受当前技术经 济条件的限制, 还不能从循环风流中净化分离 所有的有毒有害物质 如爆破产生的炮烟 , 还 必须供给工作面所必须的最小外来新鲜风流 量, 以保证工作面各项通风技术指标都满足 安 全规程规定标准, 因此, 对一般的金属矿山 以 排烟和排尘通风为设计依据 , 受控循环通风各 风量参数确定的基本原则是 按照工作面对排 烟通风要求和 安全规程对工作面 O2、 CO2浓 度要求确定最小外来新风量 Qi, 按照工作面对 排尘要求确定循环风量 Qr和除尘效率。 2 受控循环通风风量计算 21 按工作面排烟及对 O2、 CO2含量要求计 算外来新风量 Qi 由于目前在受控循环通风中所采用的净化 装置对炮烟基本无净化效果, 工作面爆破后产 生的炮烟只能借助外来新鲜风流进行稀释和排 除, 其通风原理与常规通风方法相同, 因此, 可 采用常规通风中的排烟风量计算公式来计算受 控循环通风中所需的外来新风量 Qi。 对于掘进工作面, 就目前所采用的单扇或 双扇两种实用的受控循环风布置形式, 若不考 虑循环风流的影响, 其排烟通风过程类似于常 规通风方法中的抽出式通风, 因此, 可采用常规 抽出式局部通风的风量计算公式来计算掘进工 作面受控循环通风的外来新风量 Qi, 即 Qi 18 t ASlo, 1 式中t ∀∀∀ 通风时间, s; A∀∀∀ 一次爆破的炸药消耗量, kg; S∀∀∀ 巷道断面积, m2; lo∀∀∀ 炮烟抛掷长度, m。 对于浅眼崩矿的巷道型和硐室型回采工作 面可分别采用公式 2 和 3 计算受控循环通风 的外来新风量, 即 Qi 25. 5 t ALoS ,2 Qi 2. 3 V kttlg 500A V 3 式中Lo∀∀∀ 巷道型采场长度的一半, m; V∀∀∀ 硐室型采场体积, m3; Kt∀∀∀ 硐室型采场紊流扩散系数; 其它符号同前。 在受控循环通风中, 当循环风流在通风空 间以内运行时, 按上述公式确定的排烟风量, 笔 者认为可能偏大, 这是因为尽管目前所采用的 净化装置对炮烟无净化效果, 但循环风流的存 在, 增大了工作面的风速, 提高了风流的紊流程 度, 从而可避免或减轻 炮烟滞区∃及 通风死 角∃的出现, 有利于工作面炮烟的稀释和排除, 其影响程度有待进一步研究确定, 在目前缺乏 试验资料的情况下, 建议仍采用上述公式计算, 以确保其通风的安全性; 当循环风流在通风空 间以外运行时, 则可能会由于循环风流中炮烟 浓度的 滞后效应∃而出现相反的结果, 因为这 种情况下, 循环风流进入通风空间时的平均炮 36 总第 256 期 金 属 矿 山 1997 年第 10 期 烟浓度总是高于该时刻通风空间内的平均炮烟 浓度, 二者相差的程度则取决于循环风流在通 风空间以外运行时间的长短, 时间越长, 相差越 大, 在实际应用中应避免这种情况。 按照上述公式确定的受控循环通风工作面 的外来新风量 Qi, 一般情况下能够满足工作 面对 O2及 CO2浓度要求, 但对于无爆破或只 有少量二次爆破的排尘通风工作面以及采用两 种通风制度的采掘工作面的排尘通风, 尚需根 据工作面对 O2及 CO2浓度要求确定最小外来 新风量 Qi, 这是因为井下风流的反复循环使 用, 会引起空气中 O2及 CO2含量的变化, 根据 在某时间内由新鲜风流 Qi带进通风空间的 O2 量不得少于通风空间内的耗氧量以及回风流中 O2的基底值 20 的 安全规程标准, 可得工 作面所需的最小外来新风量 Qi Qi KP G - 0. 2 , 4 式中 ∀∀ ∀ 新鲜风流中 O2的初始浓度, ; K ∀∀ ∀ 通风空间内同时工作的最多人 数, 人; P ∀∀ ∀ 每人每秒钟需氧量, m3/ s人 ; G ∀∀ ∀ 通风空间内其它因素耗氧量, 如 矿石、 坑木氧化, m3/ s。 同理, 根据在某时间内由新鲜风流 Qi带进 通风空间的 CO2量和通风空间内 CO2的产生 量之和不得超过 安全规程标准 05 , 可得 工作面按 CO2含量要求所需的最小外来新风 量 Qi Qi KR E 0. 005- , 5 式中 ∀∀∀ 新鲜风流中 CO2的初始浓 度, ; K ∀∀∀ 同 4 式; R ∀∀∀ 每人每秒钟呼出 CO2量, m3/ s人 ; E ∀∀∀ 通风空间内其它因素 CO2产 生量, m3/ s。 取 4 式和 5 式中较大者作为排尘通风时 工作面所需的最小外来新风量。 对于工作面存在其它在目前技术经济条件 下尚不能进行净化处理的有毒有害物质, 可按 同样的方法确定工作面所需的最小新风量。 22 按工作面排尘风速与定额计算循环风量 Qr 按照工作面对排烟及 O2和 CO2含量要求 确定了受控循环通风工作面所需的最小外来新 风量 Qi后, 可进一步根据工作面对排尘风速与 排尘定额要求确定受控循环通风中的另外两个 风量参数 Qr及。 首先按排尘风速计算循环风量 Qr, 即 Qr S V - Qi,6 式中S ∀∀ ∀ 工作面过风断面积, m2; V ∀∀∀ 工作面的风速要求, m/ s。对一 般掘进工作面, V 0. 15 0. 25 m/ s; 巷道型 回采工作面, V 0. 15 0. 50 m/ s; 硐室型回 采工作面, 当 S 30 40 m2时, V 0. 15 m/ s, 当 S 3040 m2时,V 耙矿 巷道, V 0. 50 m/ s。 在受控循环通风中, 由于循环风量 Qr是 从工作面返回的含尘污风, 因此, 仅使工作面满 足排尘风速要求是不够的, 还必须依据所选除 尘器除尘效率 的大小使工作面同时满足排 尘定额要求。 如图 2 所示, 根据在某时间间隔 t t ∋ 0 内, 通风空间内粉尘的变化量应等于进入该 空间的粉尘总量与从该空间排出的粉尘总量之 差, 可得下列微分方程 V dn Fdt Qinidt Qrnrdt - KnQdt , 7 式中F ∀ ∀∀ 工作面粉尘产生强度, kg/ s; K ∀∀ ∀ 风流紊流系数, 取 K 1; ni、 nr、 n ∀∀ ∀ 分别为外来新风流 Qi的 初始含尘浓度、 循环风流 Qr经除尘器除尘后的 含尘浓度及工作面的粉尘浓度, kg/ m 3; 其它符 号同前。 考虑到 Q Qi Qr, nr 1- n, 将 37 祝启坤等 金属矿山受控循环通风风量计算 1997 年第 10 期 Q、 nr代入7 式并解此一阶微分方程可求得 在通风过程趋于稳定时, 工作面粉尘的动态平 衡浓度值 nb nb F niQi Qi Qr , 8 令 nb等于 安全规程 规定的工作面粉尘标准 浓度 na, 则可得受控循环通风中按工作面排尘 定额确定的循环风量 Qr Qr F - na- ni Qi na . 9 对于具体的通风工作面 F、 ni、 na为定 值 , 当按工作面对排烟及 O2和 CO2含量要求 确定了最小外来新风量 Qi后, 由9 式可知, 按排尘定额确定的循环风量 Qr与循环风路中 所采用的除尘器效率 成反比, 越大, Qr越 小, 因此, 在受控循环通风中, 可通过调整循环 风量或除尘器效率的大小来实施对工作面粉尘 浓度的控制, 这正是受控循环风能够有效地解 决井下工作面粉尘超标问题的原理所在。 3 计算实例 某金属矿山年产量 70 万 t, 开采深度 850 m, 矿体厚度 8 12 m, 采矿方法为中深孔留矿 法, 采场沿走向布置, 长 50 m, 阶段高 40 m, 采 场一次爆破最大炸药量 200 kg, 通风时间 50 min, 采用两翼对角式通风系统, 扇风机在两翼 作抽出式工作, 经实测进入采场新风流粉尘的 初始含尘浓度为 0. 2 10- 6kg/ m3, 采场产尘 强度为 9 10- 6kg/ s。该矿目前处于开采后 期, 矿井入风量相对不足, 导致某些采矿工作面 粉尘浓度严重超标, 而此时扇风机已接近满负 荷运转, 没有多大容量可以调节, 且更换主扇在 经济上不合理。现拟采用受控循环通风技术解 决采场工作面粉尘超标问题, 试确定受控循环 通风中各风量参数。 根据采矿方法与开采条件知 该采场为硐 室型回采工作面, 因此, 按公式 3 计算得排烟 通风所需的新风量 Qi 2. 1 m3/ s, 其中 A 200 kg; t 50 60 3 000 s;V 50 12 2. 5 1 500 m3; Kt取 1。 若通风工作面只有工作人员呼吸耗 O2和 呼出 CO2, 此新风量足以满足工作面对 O2和 CO2含量要求。 取除尘效率 80 , 然后按公式 6 和 9 确定循环风量 Qr Qr SV - Qi 2. 4 m3/ s, 其中 S 12 2. 5 30 m2, 取采场排尘风速 V 0. 15 m/ s; Qr F - na- ni Qi na 3. 3 m3/ s, 其中 F 9 10- 6kg/ s; ni 0. 2 10- 6kg/ m3; 0. 8; 安全规程规定的粉尘标准浓度 na 2 10- 6kg/ m3; 取其中较大者作为工作面的循环风量值, 则该受控循环通风工作面的风量参数为 Qi 2. 1 m3/ s, Qr 3. 3 m3/ s, 80 , 工作面的 总风量 Q Qi Qr 5. 4 m3/ s。 由计算可知 对于给定的工作面, 受控循环 通风的风量参数不是唯一的, 当按排烟要求确 定了外来新风量 Qi后, 循环风量 Qr的大小则 主要取决于所采用的除尘器效率 的高低。 由计算可见, 按常规通风计算, 工作面所需 的新风量为 4. 5 m3/ s, 而受控循环通风仅需 2. 1 m3/ s, 新风量节约率为 51 , 因此, 受控循环 通风在一定条件下具有良好的节能效果。 4 结 语 受控循环通风是一项新的通风技术, 目前尚 没有一个完整的风量计算办法,本文在分析了受 控循环通风工作面的风流结构之后, 提出了能够 全面表示工作面风量特征的三个基本风量参数, 并从安全、 有效、 经济的角度出发, 阐述了这三个 基本风量参数确定的基本原则,建立了受控循环 通风方法的风量计算公式, 旨在进一步推动该通 风方法在我国矿山的广泛应用, 实现其标准化、 规范化设计, 由于该通风方法目前在我国矿山现 场使用经验不足, 因此, 本文建立的风量计算公 式有待在实践中进一步检验与完善。 收稿日期 1997- 05- 28 38 总第 256 期 金 属 矿 山 1997 年第 10 期