劉曉培 宮 銳 常德強(qiáng) 曲元龍 柳靜獻(xiàn)

(1.沈陽(yáng)有色冶金設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003；2.中國(guó)有色集團(tuán)撫順紅透山礦業(yè)有限公司，遼寧 撫順 113321；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004；4.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

·安全與環(huán)保·

金屬礦山可控循環(huán)風(fēng)利用與節(jié)能

劉曉培1宮 銳2常德強(qiáng)3,4曲元龍2柳靜獻(xiàn)3,4

(1.沈陽(yáng)有色冶金設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003；2.中國(guó)有色集團(tuán)撫順紅透山礦業(yè)有限公司，遼寧 撫順 113321；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004；4.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

隨著我國(guó)礦山開采深度的不斷增加，礦井通風(fēng)系統(tǒng)所需耗能更是不斷增加。如何經(jīng)濟(jì)合理地向深部礦井送風(fēng)，已是礦山深部開采所面臨的重要問題之一。針對(duì)這種深部開采，采用可控循環(huán)風(fēng)技術(shù)，可解決深部礦井的節(jié)能送風(fēng)問題。以遼寧撫順紅透山礦為例，在回風(fēng)氣流有害氣體凈化實(shí)驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，在-287 m中段設(shè)置以水凈化為主的循環(huán)風(fēng)凈化裝置、有害氣體監(jiān)測(cè)監(jiān)控裝置，同時(shí)采取相應(yīng)的密閉措施及安裝遠(yuǎn)程操作電控風(fēng)門，形成礦山的循環(huán)風(fēng)可控利用。通過對(duì)紅透山氣流質(zhì)量監(jiān)測(cè)表明，混合入風(fēng)的風(fēng)流質(zhì)量完全符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定。根據(jù)循環(huán)風(fēng)的摻混比例及礦山耗能的理論計(jì)算，紅透山礦利用可控循環(huán)風(fēng)后，最低可節(jié)約能耗32.1%。在冬季利用循環(huán)風(fēng)對(duì)新入空氣進(jìn)行預(yù)熱，也可防止冬季凍井并節(jié)能。

金屬礦山 深部開采 礦井通風(fēng) 可控循環(huán)風(fēng) 循環(huán)風(fēng)凈化

當(dāng)?shù)V山開采深度很大時(shí)，由于巷道延長(zhǎng)帶來的摩擦阻力損失所致的通風(fēng)成本十分高昂。循環(huán)風(fēng)是在工作區(qū)域內(nèi)，利用凈化后的循環(huán)風(fēng)流與新鮮入風(fēng)按照一定比例混合，在保證混合后的空氣質(zhì)量滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，將其直接送至工作面。該方法可以節(jié)省從地面直接送入井下工作面的一部分風(fēng)量，因此通風(fēng)成本降低[1-2]?？煽匮h(huán)風(fēng)是指井下循環(huán)風(fēng)可以受人工控制，控制后的循環(huán)風(fēng)可使工作面的各項(xiàng)通風(fēng)指標(biāo)滿足礦井通風(fēng)安全規(guī)程的要求。以前由于技術(shù)條件和理論知識(shí)的限制，人們對(duì)循環(huán)風(fēng)的利用并不認(rèn)可，以致一些國(guó)家以法規(guī)的形式規(guī)定井下禁止使用循環(huán)風(fēng)。隨著對(duì)循環(huán)風(fēng)理論研究的延伸以及電子技術(shù)設(shè)備的發(fā)展，對(duì)循環(huán)風(fēng)合理控制后，進(jìn)行有目的利用，循環(huán)風(fēng)的存在不但不會(huì)惡化環(huán)境，而且還會(huì)大大地改善環(huán)境，產(chǎn)生一系列的通風(fēng)好處。近年來，可控循環(huán)風(fēng)通風(fēng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展，并且成功地應(yīng)用于礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的通風(fēng)技術(shù)相比，可控循環(huán)風(fēng)具有投資少、見效快，節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

紅透山礦自1958年開坑以來，至今已開采了50余a。目前，已開拓到-827 m，深度已達(dá)1 300多m。由于開采深度大、風(fēng)路長(zhǎng)，而且在淺部回風(fēng)系統(tǒng)還存在明顯的排風(fēng)能力瓶頸，導(dǎo)致單純依靠增加設(shè)備能力的傳統(tǒng)方式難以明顯改善通風(fēng)條件，并且這種傳統(tǒng)的方法投入產(chǎn)出比嚴(yán)重不合理、能耗高，原有的技改路線已經(jīng)不適應(yīng)紅透山的深采礦井[5-6]。因此，本研究以紅透山礦為例，詳述可控循環(huán)風(fēng)的應(yīng)用效果。

1 有害氣體凈化技術(shù)

金屬礦山井下常見的對(duì)安全生產(chǎn)威脅最大的有毒有害氣體主要有CO2、NO2、SO2、H2S等。

1.1 實(shí)驗(yàn)室中對(duì)有害氣體吸收的研究

針對(duì)回風(fēng)氣流中的NO2、SO2、CO等有害氣體，在實(shí)驗(yàn)室中，采用化學(xué)吸收的方法對(duì)回風(fēng)氣進(jìn)行凈化。

此方案的凈化系統(tǒng)中，凈化試劑主要是氨水+少量CuCl的混合溶液。在凈化過程中，氨水可以吸收部分有毒氣體(主要為CO和NO2、SO2等)，氨水和氯化亞銅混合后產(chǎn)生的[Cu(NH3)2]+，能更有效地增加吸收效果，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)有毒氣體的多重凈化，凈化效果更直接、更有效，使凈化后的氣體安全可靠，為氣體的重復(fù)使用提供了保證。在該過程中，可能會(huì)有部分氨氣從氨水中逸出，利用氨氣易溶于水的特性，在裝置后部分設(shè)計(jì)了絲網(wǎng)噴水吸收，可以較好地吸收逸出的氨氣，并對(duì)一些易溶于水的有毒氣體(如NO2、H2S、SO2等)進(jìn)行再一次吸收，從而達(dá)到更有效的效果。

1.2 紅透山礦風(fēng)流質(zhì)量檢測(cè)

可控循環(huán)風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需要根據(jù)紅透山礦本身的實(shí)際情況來設(shè)計(jì)方案，并付諸實(shí)施。為此，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)新鮮風(fēng)流及回風(fēng)的組分檢測(cè)，包括O2、CO2、NO、NO2、SO2、CO等氣體的濃度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 新鮮風(fēng)及回風(fēng)的風(fēng)流質(zhì)量

從表1可見，回風(fēng)與新鮮風(fēng)流相比，含氧量降低了2.4%，CO2含量升高了7.8%，而SO2的含量降低比較明顯，在回風(fēng)中基本上檢測(cè)不到SO2的存在，這是由于回風(fēng)中的濕度很高，可達(dá)99.9%，SO2已被回風(fēng)中的水分吸收；并且回風(fēng)中NOx和CO的濃度也非常低，這是由于紅透山礦在正常的工人作業(yè)時(shí)段，不進(jìn)行放炮作業(yè)，一般是在工人下班后進(jìn)行爆破。結(jié)合前面實(shí)驗(yàn)室中對(duì)有害氣體的化學(xué)吸收實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，可以考慮集中使用水凈化裝置。

2 紅透山礦可控循環(huán)風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及監(jiān)測(cè)

2.1 紅透山礦可控循環(huán)風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

紅透山礦的循環(huán)風(fēng)循環(huán)凈化系統(tǒng)設(shè)在-287 m中段，在循環(huán)風(fēng)路的初始段(-467 m中段)和末段(-287 m中段)，充分利用長(zhǎng)距離的封閉巷道和采空區(qū)，在-287 m中段集中安設(shè)了長(zhǎng)達(dá)120 m的水噴淋裝置，所需水都來源于井下，對(duì)井下水進(jìn)行了充分利用，降低了成本，并且增設(shè)吸附措施，實(shí)現(xiàn)污風(fēng)的全流程多重凈化[7-9]。如圖1所示。

圖1 -287 m中段凈化裝置示意

下部中段的污風(fēng)通過循環(huán)風(fēng)井進(jìn)入到-287 m中段之后，進(jìn)入到凈化系統(tǒng)，該凈化裝置為噴水裝置、折流板和噴水過濾網(wǎng)交替設(shè)置，使污風(fēng)得到充分凈化。為了能時(shí)刻了解循環(huán)風(fēng)的風(fēng)流質(zhì)量，沿循環(huán)風(fēng)-287 m中段的凈化路線先后設(shè)置5組可以遠(yuǎn)程監(jiān)控有毒有害氣體的探測(cè)器，包括SO2、H2S、CO、NO2等4種氣體的探測(cè)器，對(duì)循環(huán)風(fēng)氣流進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)[10-14]。為了確保對(duì)循環(huán)風(fēng)風(fēng)量的控制更加安全可靠，在-287 m中段防風(fēng)口巷道上修建1道混凝土密閉墻(配套設(shè)置風(fēng)門和風(fēng)窗)，在此基礎(chǔ)上，又增設(shè)了1道可以遠(yuǎn)程操作的電控風(fēng)門，至此形成了較為完善的可控循環(huán)風(fēng)的應(yīng)用系統(tǒng)。

2.2 凈化風(fēng)與新風(fēng)摻混后風(fēng)流質(zhì)量監(jiān)測(cè)

可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)建成后，需要對(duì)其進(jìn)行風(fēng)流質(zhì)量的監(jiān)測(cè)及計(jì)算，判斷是否符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定。

首先，要了解凈化前風(fēng)流質(zhì)量。利用檢測(cè)裝置記錄凈化前的風(fēng)流質(zhì)量在1 d(24 h)之內(nèi)的變化情況，如圖2所示。

圖2 凈化前風(fēng)流質(zhì)量

從圖2中可以看出，在正常的工作時(shí)段，有害氣體的濃度比較穩(wěn)定，且維持在一個(gè)較低的水平，在放炮后，也是在非作業(yè)時(shí)段，一般是凌晨零點(diǎn)后，SO2、CO等有害氣體的濃度急劇升高。

圖3是在同一天凈化后的風(fēng)流質(zhì)量?？梢姡?jīng)過凈化后，各種有害氣體的濃度變化基本穩(wěn)定，并且有害氣體的濃度不高，CO氣體的濃度最高，但24 h中不超過1.1 mg/m3。

圖3 凈化后風(fēng)流質(zhì)量

以24 h的平均值作為計(jì)算的基礎(chǔ)，可以計(jì)算出可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)對(duì)各種有害氣體的過濾效率，如表2所示。

表2 有害氣體凈化效率

從表2可以看出，循環(huán)風(fēng)凈化系統(tǒng)對(duì)CO、SO2的凈化效率比較高，對(duì)H2S的凈化效率最低，這也與風(fēng)流中H2S氣體本身含量低也有關(guān)。

循環(huán)風(fēng)經(jīng)過進(jìn)化后，通過2條路徑與新鮮風(fēng)流匯合，1條是進(jìn)入到一段大豎井中，另1條是進(jìn)入到二段小豎井中。為了能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到進(jìn)入作業(yè)中段風(fēng)流的質(zhì)量，在這2個(gè)井口附近分別安裝了有害氣體的檢測(cè)探頭。圖4是24 h中一段大豎井井口附近風(fēng)流質(zhì)量情況，有害氣體濃度都不超過1.1 mg/m3。圖5是二段小豎井井口附近的風(fēng)流質(zhì)量情況，有害氣體濃度不超過1.4 mg/m3。

圖4 大豎井附近風(fēng)流質(zhì)量

圖5 小豎井附近風(fēng)流質(zhì)量

根據(jù)《GBZ2—2007 工業(yè)場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值化學(xué)有害因素》中規(guī)定，井下作業(yè)地點(diǎn)的空氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度，CO不超過30 mg/m3，NOx的濃度不超過5 mg/m3，SO2不超過15 mg/m3，H2S不超過10 mg/m3。因此，一段大豎井附近和二段小豎井附近的風(fēng)流質(zhì)量完全符合國(guó)家規(guī)定。

3 可控循環(huán)風(fēng)摻混控制與節(jié)能分析

3.1 可控循環(huán)風(fēng)摻混控制

紅透山礦循環(huán)系統(tǒng)，是在循環(huán)區(qū)加入部分新鮮風(fēng)流，同時(shí)使用凈化設(shè)施對(duì)循環(huán)風(fēng)加以凈化處理，這種循環(huán)稱為開路循環(huán)。其原理圖如圖6所示。

圖6 循環(huán)風(fēng)凈化原理

圖6中，Qi為入風(fēng)量，m3/s；Qr為循環(huán)風(fēng)量，m3/s；Qm為進(jìn)入工作面風(fēng)量，m3/s；Ci入風(fēng)污染物濃度，mg/m3；Cr為回風(fēng)污染物濃度，mg/m3；Cs為進(jìn)化后風(fēng)流中污染物濃度；Cm為混合入風(fēng)污染物濃度，mg/m3；q為采區(qū)內(nèi)污染物的產(chǎn)生量，mg/s。

假設(shè)為穩(wěn)定狀態(tài)條件下，到達(dá)點(diǎn)1處的污染物總量Q可由式(1)求出：

點(diǎn)1處混合入風(fēng)污染物濃度Cm可由下式求得：

(1)

設(shè)循環(huán)率分量系數(shù)為K，(0≤K≤1)則

(2)

將式(2)代入到式(1)中，則得：

(3)

根據(jù)上述推導(dǎo)，可以看出進(jìn)風(fēng)流中混合污染物濃度與循環(huán)風(fēng)有關(guān)，在凈化器的凈化效率一定時(shí)，污染物濃度隨循環(huán)風(fēng)量的增加而增大。

對(duì)于SO2氣體來說，由于Ci=4 mg/m3，Cs=0.73 mg/m3，Ci>Cs，說明礦井通風(fēng)系統(tǒng)本身對(duì)SO2的吸收效果非常好，相反，循環(huán)風(fēng)可以稀釋新鮮風(fēng)流中的SO2，因此，不需要求出K的值。

對(duì)于NO2來說，規(guī)程規(guī)定，井下作業(yè)地點(diǎn)的空氣中NO2的濃度不超過5 mg/m3，根據(jù)式(3)以及測(cè)試數(shù)據(jù)的結(jié)果，Ci=0 mg/m3，Cs=0.55 mg/m3，可得規(guī)程規(guī)定條件下的KD值為

(4)

對(duì)于H2S來說，規(guī)程規(guī)定，井下作業(yè)地點(diǎn)的空氣中H2S的濃度不超過10 mg/m3，根據(jù)式(3)以及測(cè)試數(shù)據(jù)的結(jié)果，Ci=0 mg/m3，Cs=0.32 mg/m3，可得規(guī)程規(guī)定條件下的KD值為

KD≤31.25.

(5)

對(duì)于CO來說，規(guī)程規(guī)定，井下作業(yè)地點(diǎn)的空氣中CO的濃度不超過30 mg/m3，根據(jù)式(3)以及測(cè)試數(shù)據(jù)的結(jié)果，Ci=0 mg/m3，Cs=0.91 mg/m3，可得規(guī)程規(guī)定條件下的KD值為

KD≤32.96.

(6)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，K為0～1的任意值，符合國(guó)家規(guī)程規(guī)定(遠(yuǎn)小于KD上限值)。

3.2 可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能分析

前面已經(jīng)討論了對(duì)可控循環(huán)風(fēng)的技術(shù)控制是可行的，下面論證可控循環(huán)風(fēng)的使用是否真正地為紅透山礦帶來經(jīng)濟(jì)性利益。圖7所表示的是在使用可控循環(huán)風(fēng)前后網(wǎng)絡(luò)的變化。

設(shè)循環(huán)進(jìn)風(fēng)巷到循環(huán)回風(fēng)巷的風(fēng)阻為R，循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)其橫風(fēng)巷的阻力為R2。

圖7 可控循環(huán)風(fēng)的使用

當(dāng)采用傳統(tǒng)的通風(fēng)方式時(shí)(即不采用可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng))，通風(fēng)系統(tǒng)主扇所要克服的阻力為

(7)

所消耗的功率為

(8)

當(dāng)采用傳統(tǒng)的通風(fēng)方式，將進(jìn)風(fēng)量由原來的Q0增加到Q1，此時(shí)所要消耗的功率為

(9)

當(dāng)采用可控循環(huán)風(fēng)時(shí)，設(shè)循環(huán)率K′=Q2/Q1，此時(shí)，系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量保持在Q0，工作面的風(fēng)量為Q1，因此，系統(tǒng)主扇所要克服的阻力為

(10)

系統(tǒng)主扇所消耗的功率為

(11)

循環(huán)風(fēng)機(jī)不但要克服進(jìn)回風(fēng)巷之間的壓力差，還要克服循環(huán)橫向風(fēng)阻R2，并傳遞一定的循環(huán)風(fēng)量，因此循環(huán)風(fēng)機(jī)所克服的阻力為

(12)

則循環(huán)風(fēng)機(jī)消耗的功率為

(13)

在區(qū)域可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)中R2遠(yuǎn)小于R，可忽略不計(jì)，則

(14)

則可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)所消耗的總功率為

(14)

綜上所述，當(dāng)工作面增加相同風(fēng)量時(shí)，可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)相比，其能耗的比值為

(16)

當(dāng)新鮮風(fēng)流與凈化風(fēng)流的摻混比例為1∶1時(shí)，即K′=0.5，則可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)消耗功率是傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)的0.625倍，可節(jié)約能耗37.5%。圖8是可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)的能耗比值隨循環(huán)率變化情況。

圖8 節(jié)能比率變化

從圖8中可以看出，可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的耗能是隨著K′的變化有所變化的。當(dāng)K′逐漸從0到1增大時(shí)，可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的耗能是先減少后增大的，當(dāng)K′取0.4左右時(shí)，耗能達(dá)到最低。通過測(cè)試，紅透山礦可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)量為27 m3/s，則

(17)

此時(shí)，由圖8可知，能耗比為0.679，即紅透山礦可節(jié)約能耗32.1%。

4 結(jié) 論

(1)紅透山礦循環(huán)風(fēng)的凈化需要大量的水。本次設(shè)計(jì)中，凈化水主要來源于礦山開采的地下水，經(jīng)過沉淀過濾后供-287 m中段凈化使用。

(2)在應(yīng)用可循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)后，凈化系統(tǒng)中由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)安裝的原因，凈化水管經(jīng)常阻塞，有害氣體檢測(cè)裝置有被腐蝕的跡象，需要加強(qiáng)對(duì)其維護(hù)和改進(jìn)。

(3)隨著礦山通風(fēng)系統(tǒng)的信息化、可視化、智能化的發(fā)展，紅透山礦可利用Ventsim三維通風(fēng)仿真軟件，建立通風(fēng)系統(tǒng)三維模型。通過Ventsim的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)端口與井下監(jiān)測(cè)裝置相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下CO、SO2等有害氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過操作遠(yuǎn)程電控風(fēng)門控制循環(huán)風(fēng)量。

(4)由于每個(gè)礦山的放炮時(shí)間、回風(fēng)中有害氣體濃度等有所差別，因此，循環(huán)風(fēng)的凈化裝置的配置，要根據(jù)礦山的實(shí)際情況進(jìn)行安裝。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Utilization and Energy Saving of Controlled Recirculating Air Study on Metal mine

Liu Xiaopei1Gong Rui2Chang Deqiang3,4Qu Yuanlong2Liu Jingxian3,4

(1.CNMCShenyangNonferrousMetallurgyE&RInst.Ltd，Shenyang110003，China；2，ChinaNonferrousHongtoushanFushunMiningGroupCo.，Ltd.，F(xiàn)ushun113321，China；3.CollegeofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110004，China；4.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforSafeMining，Shenyang110004，China)

Along with the increase of mining depth，energy consumption on mine ventilation system is increasing.How to supply air to deep mine economically is one of the important issues faced by the underground deep mining.For this deep mining，the controlled recirculating airflow technique was adopted to realize the energy-saving air supplement.Taking Fushun Hongtoushan Mine in Liaoning for instance，and based on purification experiment of harmful gas among air return，the air purification plant，the harmful gas monitoring device，and some sealing and electronically controlled throttle were set at -287 m level of Hongtoushan Mine to form controlled recirculating air.The airflow quality monitoring system in Hongtoushan showed that mixing airflow quality conformed to the relevant state regulations.And according to the theoretical calculation of recirculating air mixing proportion and energy consumption，energy consumption can be reduced by 32.1% in minimum with controlled recirculating air system in Hongtoushan Iron Mine.In winter，this system can be used to preheat fresh entrant air to prevent shaft frozen and save energy.

Metal mine，Deep mining，Mine ventilation，Controlled recirculating air,Circulation air purification

2014-05-27

劉曉培(1988—)，女，助理工程師。

TD727+.3

A

1001-1250(2014)-09-132-05