譚星宇 郭 巖 唐紹輝 謝賢平 盛建紅

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙410012;2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙410012;3.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明650093;4.國安安全生產監(jiān)督管理總局，北京100713)

礦井風量計算是礦井通風設計的一個重要環(huán)節(jié)，是計算礦井通風阻力和選擇通風設備的基礎和前提［1］。對于部分熱害嚴重的礦井，在通風系統(tǒng)網(wǎng)絡優(yōu)化、控制井下熱源散熱和改進采礦方法等非機械制冷降溫措施的基礎上適當增加風量降溫，可達到理想的降溫效果。該方法切實可行，應用廣泛，而礦井降溫風量的計算是該方法的關鍵。

目前，根據(jù)風流流過巷道的熱交換原理，國內學者建立了采掘工作面風流熱力參數(shù)預測模型［2-3］，在特定的通風系統(tǒng)下預測采掘工作面的風流溫度。而要使增大風量降溫效果達到最佳，通常要在通風系統(tǒng)網(wǎng)絡優(yōu)化、控制井下熱源散熱和改進采礦方法等非機械制冷降溫措施的基礎上，根據(jù)降溫的需求重新計算礦井的需風量(稱為礦井降溫風量)。為此，提出了礦井降溫風量計算模型。

1 傳統(tǒng)礦井需風量計算概述

金屬礦非金屬礦山通風設計時一般采用分項計算風量法計算礦井總需風量，然后用井下同時作業(yè)人數(shù)需風量法、萬噸風量比進行驗算，確定礦井需風量。分項計算風量法是對不同時間按各類井下作業(yè)場所(回采工作面、掘進工作面和硐室等)的生產特點分別計算其需風量，再乘以礦井漏風系數(shù)得到礦井總需風量［4］Qr，計算公式為

式中，Qs為回采工作面所需風量，m3/s;Q's為備用回采工作面所需風量，m3/s;Qd為掘進工作面所需風量，m3/s;Qr為硐室所需風量，m3/s;Qh為其他需風點如主溜礦井所需風量，m3/s;K 為礦井風量備用系數(shù)，取值為1.20 ～1.45。

2 風流通過井巷熱交換的基本規(guī)律

風流通過井巷的穩(wěn)定流過程如圖1 所示。

圖1 風流沿巷道的穩(wěn)定流動Fig.1 Steady air flow along the roadway

風流通過井巷可認為是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，質量流量為G(kg/s)的風量流過一段巷道，風流在巷道入口處的能量為E1(kJ/s)，風流在巷道出口處的能量為E2(kJ/s)，風流通過巷道時風流與巷道的熱交換量為Q(kJ/s)，根據(jù)熱力學第一定律得

風流能量E 由風流內能U=Gu(kJ/s)、風流位能Ew=GgZ(kJ/s)、風流動能Ed=Gv2/2(kJ/s)和流動功Gpν(kJ/s)組成，則式(2)可改寫成

式中，u1，u2分別為風流入口、出口的內能，J/kg;p1、p2分別為風流入口、出口的壓強，J/kg;ν1，ν2分別為風流入口、出口的比容，m3/kg;Z1、Z2分別為風流入口、出口的標高，m;v1、v2分別為風流入口、出口的風速，m/s;g 為重力加速度，m/s2。

根據(jù)焓(i)的定義，i=u+pν，另外v1和v2近似相等，因此，式(3)可整理成

Gg(Z1－Z2)可認為是風流流過有高差的巷道時產生的自壓縮熱，視為井下熱源，可歸入總熱交換量中，一并記為Q'。則式(4)可寫成

風流的焓由顯熱和潛熱2 部分組成，風流流過井巷時，風流與巷道的總熱交換量一部分轉化成風流的顯熱，另一部分轉化成風流的潛熱，則有式(6):

總熱交換量目前主要井下熱源分析統(tǒng)計的方法計算，在熱源分析統(tǒng)計時，只統(tǒng)計計算轉化成風流顯熱部分的總熱交換量QZ(kJ/s)，則式(6)可寫成(7):

式中，t1、t2分別為井巷風流入口、出口的干球溫度，℃;Δt 為干球溫度變化量，℃;Δd 為巷道出入口的含濕量變化量，g/kg;cp為空氣的質量定壓熱容，可取1.005 kJ/(kg·℃)。

3 礦井熱源調查統(tǒng)計

風流流過井巷的總熱交換量可通過熱源調查統(tǒng)計方法算得。井下的主要熱源有圍巖的散熱Qgu、風流的自壓縮熱Qp、機電設備放熱Qjd、熱水放熱Qvt、人員放熱Qr等，分別可由文獻［5］的相關公式算得(從略)。

4 降溫風量計算模型

適當增加高溫工作面的風量，可降低單位風量的溫升、明顯降低工作面溫度、改善工人舒適感;但是風量增加到一定程度后，因受圍巖溫度、進風溫度及風流熱交換的影響，降溫效果將不明顯。因此，增加風量降溫的關鍵是降溫風量的計算。

4.1 降溫風量計算模型設計思路

通常井下熱害最嚴重的工作場所是采掘工作面，降溫風量計算模型在傳統(tǒng)分項計算風量法的基礎上，針對礦井采掘工作面熱害嚴重的特點，在通風系統(tǒng)中選擇2 條主要風流路線，一條從主要進風井到回采工作面，另一條從主要進風井到掘進工作面。沿兩條主要風流路線，根據(jù)風流熱交換規(guī)律，計算出不同風量下回采工作面和掘進工作面的干球溫度，計算過程涉及礦井熱源調查統(tǒng)計、風流分配原理等。將計算結果繪成工作面干球溫度隨風量變化曲線，分析曲線確定回采工作面和掘進工作面的降溫風量，從而確定全礦降溫風量。

4.2 礦井降溫風量計算模型

為清楚地介紹降溫風量計算模型，建立如圖2 所示礦井通風系統(tǒng)簡化模型，簡化模型包括了金屬非金屬礦山通風系統(tǒng)的主要構成部分。圖3 為礦井降溫風量計算模型圖。

圖2 礦井通風系統(tǒng)簡化模型Fig.2 Simplified model of the mine ventilation system

(1)需風量計算和風量分配。根據(jù)井下需風場所的數(shù)量，按照傳統(tǒng)礦井需風量計算方法計算礦井需風量(Gt)，包括回采工作面風量(Gs0)、備采工作面風量(G's0)、掘進工作面風量(Gd0)、硐室工作面風量(Gr)和其他需風點風量(Gh)。按需風場所的需風量對全礦井進行風量分配，確定主要井巷的通風量。如圖2 中，分項計算風量法計算出Gs0、Gd0和Gr，由方程組(8)進行風量分配，確定主要井巷的風量:

式中，G10～G70分別為井巷1 ～井巷7 的質量風量，kg/m3。

圖3 礦井降溫風量計算模型Fig.3 Calculation model of mine cooling air flow

(2)選擇主要風量路線。選擇2 條主要風流路線，一條從主要進風井到回采工作面，作為計算分析在礦井熱源的影響下回采工作面風流干球溫度隨風量變化的路線，稱為回采工作面主要風流路線;另一條從主要進風井到掘進工作面，作為計算分析在礦井熱源的影響下掘進工作面風流干球溫度隨風量變化的路線，稱為掘進工作面主要風流路線。所選風流路線為風量和散熱量最大的風流路線，回采工作面主要風流路線和掘進工作面主要風流路線的數(shù)據(jù)分別用下標i、j 標注。如圖2 中，回采工作面、掘進工作面主要風流路線分別為1—2—3—4、1—2—5—6—7。

(3)分析計算井巷熱源散熱量。在所選2 條主要風流路線上，逐條調查分析井巷熱源，逐條計算出井巷各熱源放熱量，包括井巷i 或j 圍巖散熱量(Qguin、Qgujn)、空氣自壓縮散熱量(Qpin、Qpjn)、機電設備散熱量(Qjdi、Qjjd)、礦矸石散熱量(Qkin、Qkjn)、人員散熱量(Qri、Qrj)、充填體水化散熱量(Qsi、Qsj)等。如圖2 中，計算風流路線1—2—3—4 和1—2—5—6—7 中每條井巷各熱源的散熱量。

(4)計算采掘工作面干球溫度。根據(jù)井巷熱源散熱量計算結果，沿主要風流路線逐條井巷列出熱平衡方程，計算出井巷出口風流干球溫度(tinc)，上條井巷出口風流干球溫度即下條井巷風流入口干球溫度(t(i+1)nr)，最后計算出回采工作面和掘進工作面的干球溫度。本步驟與步驟3 是嵌套的，循環(huán)進行計算，循環(huán)通過i=i+1 和j=j+1 完成，i=i+1 和j=j+1 的意義為主要風流路線上完成1 條井巷的計算后進入下井巷的計算。如圖2 中，回采工作面主要風流路線(1—2—3—4)可列出熱平衡方程組(9)，掘進工作面主要風流路線(1—2—5—6—7)可列出熱平衡方程組(10)，計算出回采工作面干球溫度(t4nc)、掘進工作面干球溫度(t7nc):

(5)計算分析采掘工作面干球溫度隨風量的變化情況。在步驟(1)計算出回采工作面和掘進工作面需風量的基礎上，按一定步長s(可取0.1、0.2 或0.5 m3/s)增加其需風量，重新進行風量分配，重復步驟(3)和步驟(4)，計算出回采工作面和掘進工作面不同風量情況下的干球溫度，繪出干球溫度隨風量增加的變化曲線。

(6)確定礦井降溫風量?！禛B16423—2006 金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(以下簡稱“規(guī)程”)對采掘作業(yè)地點氣象條件作了規(guī)定(如表1)［6］。通常干球溫度隨風量增加而減小，風量增加一定范圍內，干球溫度減小較明顯，降溫效果明顯;風量增加到一定程度后，干球溫度降低將不明顯，降溫效果差。分析回采工作面和掘進工作面干球溫度隨風量增加的變化曲線，若風量增加在降溫效果明顯的區(qū)域內風溫達到“規(guī)程”規(guī)定，判斷可通過增加風量治理熱害，并確定回采工作面和掘進工作的降溫風量，再由分項計算風量法計算全礦降溫風量;反之，則認為僅通過增加風量不能達到降溫的要求。

表1 采掘作業(yè)地點氣象條件規(guī)定Table 1 Rules of meteorological conditions at mining location

5 降溫風量計算模型在湖南某銻礦的應用

該銻礦采用平硐+斜井聯(lián)合開拓，設計生產能力為6.6 萬t/a。通風系統(tǒng)采用多級機站(三級)通風系統(tǒng)，進風段、需風段和回風段各設置有一級機站。東西分區(qū)進風統(tǒng)一回風，西部主要由明斜井進風，新鮮風流通過XJ3 斜井和XJ5 斜井進入各中段運輸大巷，由各中段運輸大巷至各工作面;東部主要由+150 m 平硐和+226 m 平硐進風，新鮮風流通過XJ1 斜井、XJ2 斜井、XJ4 斜井進入各中段運輸大巷，由各中段運輸大巷至各工作面。東、西部各中段工作面污風經回風天井在15 平匯合，再由集中回風斜井排出地表。礦井通風系統(tǒng)示意圖如圖4 所示。

圖4 湖南某銻礦通風系統(tǒng)示意Fig.4 Ventilation system＇s schematic diagram of an antimony mine in Hunan

該礦井井下熱害嚴重，據(jù)現(xiàn)場測定，部分采場溫度達到33.7 ℃、掘進工作面溫度達到34.5 ℃、機電硐室溫度超過35 ℃，超過“規(guī)程”對采掘作業(yè)地點氣象條件的規(guī)定，礦井需進行熱害治理。在礦井通風系統(tǒng)網(wǎng)絡優(yōu)化、控制井下熱源散熱和改進采礦方法等非機械制冷降溫措施的基礎上，將降溫風量計算模型應用于該礦山，計算礦井的降溫風量。

5.1 礦井概況及需風量計算

該銻礦需風場所和數(shù)量如表2 所示。按礦井傳統(tǒng)需風量計算法計算礦井需風量，結果如表2，礦井的總需風量為53.92 m3/s。

表2 湖南某銻礦需風量計算結果Table 2 The calculation results of demanded air flow of a certain antimony ore in Hunan

5.2 礦井降溫風量計算

該礦山東、西兩翼設計生產能力相同，需風場所數(shù)量基本相同，兩翼需風量相同。西部開采深度更深，熱害更嚴重，主要風流路線選擇西部的主要風流路線?；夭晒ぷ髅嬷饕L流路線:明斜井—XJ3 斜井—XJ5 斜井(1)—XJ5 斜井(2)—22 平運輸巷—22平采場。掘進工作面主要風流路線:明斜井—XJ3 斜井—XJ5 斜井(1)—XJ5 斜井(2)—XJ5 斜井(3)—23平運輸巷—23 平掘進工作面。

沿以上2 條主要風流路線逐條分析井巷熱源，計算出各條井巷各熱源放熱量;逐條井巷列出熱平衡方程，計算出回采工作面和掘進工作面的干球溫度;按步長s=0.1 m3/s 增加其需風量(后兩步的部長為0.5 m3/s)，重復計算出回采工作面和掘進工作面不同風量情況下的干球溫度，計算結果繪制成曲線如圖5、圖6。

圖5 回采工作面干球溫度隨風量增加的變化曲線Fig.5 The Variation curve of dry bulb temperature at working face with air flow increase

圖6 掘進工作面干球溫度隨風量增加的變化曲線Fig.6 The Variation curve of dry bulb temperature at tunneling with air flow increase

可知:干球溫度隨風量增加而減小，一定范圍內，降溫效果明顯，風量增加到一定程度后，降溫效果差?；夭晒ぷ髅嬗嬎?1 步后(風量大于2.48 m3/s)，風流干球溫度低于28 ℃，掘進工作面計算12 步后(風量大于2.65 m3/s)，風流干球溫度低于28 ℃，且都在增加風量降溫效果明顯范圍內。因此，該礦可以通過適當增加風量達到降溫的效果，回采工作面和掘進工作面降溫風量取第12 步的風量，分別為Gs=2.58 m3/s、Gd=2.65 m3/s。由分項計算風量法計算得全礦降溫風量Gt=78.88 m3/s。

6 結 論

(1)分析總結傳統(tǒng)的礦井需風量計算方法、礦井熱交換原理、礦井熱源調查統(tǒng)計方法，結合這3 方面理論基礎，針對金屬非金屬礦山回采工作面、掘進工作面熱害特點，提出了礦井降溫風量計算模型。

(2)將礦井降溫風量計算模型應用于湖南某銻礦降溫風量計算，得出回采工作降溫風量為2.58 m3/s、掘進工作降溫風量為2.65 m3/s、全礦降溫風量為78.88 m3/s。

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