葛啟發(fā)， 于潤滄， 朱維根， 陳慶剛， 梁新民

(1.北京科技大學， 北京 100083; 2.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

按需通風技術在某礦山工程設計中的應用

葛啟發(fā)1,2， 于潤滄1,2， 朱維根2， 陳慶剛2， 梁新民2

(1.北京科技大學， 北京 100083; 2.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

按需通風(VOD)技術從井下風量“供需平衡”出發(fā)，在礦山通風系統(tǒng)設計和控制中，采用最小的通風成本，最大限度地改善井下工作環(huán)境。本文以某銅礦山為工程背景，從通風計劃、通風設備、人員定位、風流監(jiān)測和按需通風控制管理系統(tǒng)等方面對整個礦山的按需通風系統(tǒng)進行介紹，并運用三維通風仿真軟件Ventsim VisualTM對全礦區(qū)域通風方案進行模擬比較，分析其節(jié)能效果。與傳統(tǒng)通風方案相比，按需通風技術對于改善井下作業(yè)環(huán)境、降低風機能耗和通風及預熱成本效果顯著，具有很好的推廣性。

按需通風； 通風成本； 三維通風仿真模擬； 礦井預熱

1 概述

目前國內外礦山經(jīng)過多年的開采，淺部資源逐步消耗殆盡，隨著礦山開采強度的加大和開采深度的增加，井下工作環(huán)境惡化、通風系統(tǒng)管理復雜、風量分配不合理等問題愈加嚴重，通風能耗成本急劇增加。通常情況下，通風能耗會占到整個礦井能耗的30%～50%，甚至更高。如何保證深井礦山安全高效生產(chǎn)、通風節(jié)能已成為礦山企業(yè)面臨的一個重要課題[1,7-9]。

20世紀末期，按需通風(Ventilation on Demand，VOD)概念逐步引入礦山通風系統(tǒng)設計和控制中，其目的是用最小的通風成本、最大限度地保護井下工作環(huán)境和工人身心健康。早在1995年，加拿大部分礦井通風研究認為，通風系統(tǒng)優(yōu)化(MVO)是減少能源消耗、提高礦井空氣質量、改善作業(yè)環(huán)境的有效途徑，而VOD是實現(xiàn)通風系統(tǒng)優(yōu)化目標的關鍵一步。1998年以來， VOD技術已在挪威、瑞士等歐洲的國家高速公路和火車隧道通風中得到廣泛應用；2002年，INCO公司的加拿大Creghton礦引入按需通風技術，實現(xiàn)了礦山13臺主扇、200臺輔扇的智能控制；期間瑞典波利登礦產(chǎn)公司(Boliden Mineral AB)在Laiswall鉛鋅礦安裝了一套PowerVent計算機輔助全礦通風控制系統(tǒng)，在地面通過專用軟件直接控制與監(jiān)視全部風機的運行狀況，實踐表明按需通風在保障井下作業(yè)安全的情況下，比傳統(tǒng)通風方式降低電耗1/3[3-6]。2000年之后，我國在礦山智能通風的研究取得了一定成果，但只是開展了局部通風或通風網(wǎng)絡監(jiān)控的優(yōu)化的工作，尚未實現(xiàn)通風系統(tǒng)的自動監(jiān)測- 自動運算- 自動控制，即未實現(xiàn)全礦通風系統(tǒng)的按需通風設計與應用[8-10]。

2 工程概況

某銅礦為特大型筒狀斑巖銅礦床，礦山地勢總體較高，海拔3 600～4 500 m。4 200 m以下為高山森林區(qū)，4 200 m以上為高山草甸區(qū)，屬寒溫帶氣候，年平均氣溫4 ℃，最熱月平均氣溫10 ℃，最冷月平均氣溫-8 ℃，年降雨量619.9 mm，5～9月為雨季。礦床埋藏標高為3 200～4 000 m，垂深17.0～750 m，長約1 600 m，遠景銅金屬儲量430萬t。一期工程開采3 720 m標高以上KT1主礦體，中部厚大、品位高，向四周厚度逐漸變薄、銅品位逐漸變低。該礦采用平硐開拓膠帶運輸，中段采用有軌運輸，自然崩落法開采，設計開采規(guī)模為1 250萬t/a?；ㄩ_拓3 720 m中段負責3 720 m以上礦體，采用自然崩落法單中段回采。3 720 m中段設有4個主要水平，從下至上分別為3 660 m有軌運輸水平、3 700 m回風水平、3 720 m出礦水平、3 736 m拉底水平[2]。

根據(jù)該礦通風系統(tǒng)的特點，為滿足按需通風要求，設計采用多級機站通風方式，總需風量為650 m3/s。新鮮風流經(jīng)3 850 m進風平硐、3 600 m進風平硐、3 660 m有軌運輸平硐和3 720 m無軌平硐進入井下，由輔扇和通風構筑物負責分配風流，污風經(jīng)3 700 m回風平硐、南回風井和3 540 m膠帶運輸平硐排出地表。

該銅礦的通風系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 通風系統(tǒng)示意圖

3 按需通風設計

3.1 按需通風調控技術

按需通風系統(tǒng)能夠最大限度地保證向井下連續(xù)輸送必要數(shù)量的新鮮空氣，稀釋并排除有毒有害氣體和礦塵，為井下員工創(chuàng)造安全舒適的工作環(huán)境。井下的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)和人員設備定位信息經(jīng)井下通信系統(tǒng)傳到地表VOD控制處理系統(tǒng)，通過比較現(xiàn)場實際風流和模擬風流之間的誤差，依據(jù)通風計劃，遠程調整和控制對應的風機和通風構筑物的狀態(tài)，從而滿足井下安全作業(yè)需求。按需通風系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 按需通風系統(tǒng)工作流程圖

該銅礦實現(xiàn)全礦區(qū)按需通風主要是通過變頻設備驅動主扇和輔扇，調整通風構筑物的開關狀態(tài)以及通風面積實現(xiàn)的。根據(jù)制定的通風計劃，在滿足井下所需風量和工作環(huán)境安全標準的前提下，通過調整優(yōu)化主扇、輔扇和通風構筑物的參數(shù)，達到最佳的礦井通風特性曲線(阻力曲線)和通風系統(tǒng)能量消耗的最小化。智能局扇控制系統(tǒng)也是按需通風的重要組成部分之一，該系統(tǒng)將智能控制箱集成于局扇風機本體上，通過控制通風構筑物的開關狀態(tài)、通風面積以及局扇的運轉參數(shù)，在設備或人員進入工作面時自動啟動或關閉局扇。

井下環(huán)境參數(shù)主要為風速、風量、風壓、溫度、粉塵濃度和有毒有害氣體濃度等，是影響井下風流分配的另一個關鍵因素。傳感器將監(jiān)測數(shù)據(jù)送至監(jiān)控分站，監(jiān)控分站將接收的電信號以CAN總線的形式傳輸至交換機，信號進入交換機后通過光纜送至井上按需通風控制管理系統(tǒng)。

該控制系統(tǒng)分為自動和人工兩種模式，對從網(wǎng)絡系統(tǒng)接收的信息進行處理，并依據(jù)通風計劃發(fā)出指令，遠程調節(jié)和控制各個風機、通風構筑物，使其滿足工作面所需的風量，保證井下作業(yè)安全，降低通風能耗。

3.2 基于生產(chǎn)計劃的按需通風方案

根據(jù)礦山回采工藝和生產(chǎn)計劃安排，為了更好地表達該礦正常工作日礦井的需風狀態(tài)，依照正常工作制度，礦山生產(chǎn)能力與人員、設備和作業(yè)點按時間節(jié)點匹配，具體見表1所示。

表1 正常工作日礦井作業(yè)需風點計劃表

通過對每天工作時序的設備、人員工作狀態(tài)進行分析，滿足礦山安全規(guī)程的要求，以安全、高效通風為原則，對作業(yè)點需風量進行風量核算。通過針對礦山全天作業(yè)工序實際運行狀況仿真進行需風量統(tǒng)計，該礦通風可劃分為全負荷、正常負荷、一般負荷和輕負荷4種工況條件。

(1)全負荷工況：3 736 m中段3個拉底鑿巖工作面，3 720 m中段16個出礦作業(yè)面，3 660 m中段6列車運行，總需風量650 m3/s，時間2 h，占比8%；

(2)正常負荷工況：3 736 m中段2個拉底鑿巖工作面，3 720 m中段16個出礦作業(yè)面，3 660 m中段6列車運行，總需風量560 m3/s，時間12 h，占比50%；

(3)一般負荷工況：3 736 m中段1個拉底鑿巖工作面，3 720 m中段12個出礦作業(yè)面，3 660 m中段4列車運行，總需風量450 m3/s，時間6 h，占比25%；

(4)輕負荷工況：3 736 m中段1個拉底鑿巖工作面，3 720 m中段6個出礦作業(yè)面，3 660 m中段1列車運行或停車檢修，總需風量300 m3/s，時間4 h，占比17%。

3.3 按需供熱方案

由于礦區(qū)所在區(qū)域環(huán)保要求高，且無煤、燃油等能源條件，可供使用的能源僅有電能。礦區(qū)處于高寒地區(qū)，供暖期長達179 d，寒冷漫長。根據(jù)安全規(guī)程的要求，需要將進風溫度加熱至2 ℃以上，通過進風量計算，井口預熱熱負荷高達11 900 kW，若依靠電能加熱能耗及運行成本過高，故計劃采用空氣源熱泵機組回收回風平硐的回風余熱預熱進風平硐進風的方案[2]。根據(jù)該礦的實際情況，3 600 m進風平硐與3 700 m回風平硐結合形成一套獨立的熱泵預熱系統(tǒng)；3 850 m進風平硐與南回風井結合形成一套獨立的熱泵預熱系統(tǒng)，其余3 720 m和3 660 m平硐進風采用電加熱。按需通風與供熱風量分配見表2。

表2 按需通風與供熱風量分配

4 按需通風系統(tǒng)仿真與節(jié)能效果分析

4.1 三維通風系統(tǒng)仿真

Ventsim VisualTM軟件提供了一個用于分析風流模擬、熱模擬、污染物模擬和通風經(jīng)濟性的集成工具箱，可以在同一時間內動態(tài)模擬多參數(shù)通風網(wǎng)絡，與外部監(jiān)測數(shù)據(jù)連接，實時顯示和自動校核。

根據(jù)按需通風系統(tǒng)設計要求，為保障作業(yè)用風點合理分風、節(jié)能降耗，實現(xiàn)采場作業(yè)面“按需通風”，采用多級機站通風系統(tǒng)，共設三級機站，其中Ⅰ級機站位于3 600 m進風平硐和3 850 m進風平硐內，Ⅱ級機站位于3 700 m回風水平采場回風天井聯(lián)絡道，Ⅲ級機站位于3 700 m回風平硐和南回風井3 700 m石門內，采用壓抽結合的混合式通風方式。各風機站內風機均要求變頻，各機站在不同工況條件下的運行負荷見表3。

表3 主要風機各種工況運行負荷

在Ventsim VisualTM軟件中，將風機參數(shù)、通風構筑物、監(jiān)測點與礦山實際進行設置，對各種工況條件進行模擬分析，通風仿真結果見圖3。

4.2 按需通風系統(tǒng)節(jié)能效果分析

通過采用按需通風控制系統(tǒng)，對風機變頻調速，風機的軸功率降低，電動機輸出功率降低，實現(xiàn)了節(jié)能目標。根據(jù)軟件仿真結果，風機功耗成本取0.5元/kWh，各工況點年功耗成本如表4所示。

圖3 不同工況條件的三維仿真

項目經(jīng)濟指標工況1工況2工況3工況4合計礦井通風工況點年功耗成本/萬元107662730581時間比例/%8502517礦山年功耗成本/萬元863137614489預熱礦山年功耗成本/萬元351757137318

根據(jù)全礦區(qū)域內的各中段工作量實時控制風機轉速，在滿足風量要求的情況下，風機的年功耗成本隨著風量減少逐漸降低。如果該銅礦全年采取650 m3/s的固定風量，則礦山的年功耗成本為1 076萬元，而采用按需通風，年功耗成本為489萬元，每年節(jié)省587萬元，僅為固定風量通風方式的45%。同時按需通風對于改善作業(yè)環(huán)境、提高通風效率均有很好的作用。

對于高寒地區(qū)的礦山，采用按需通風系統(tǒng)后，不但能夠降低礦井通風能耗，而且由于進風總量減少，也減少了通風預熱的能耗。初步估算，礦山采用傳統(tǒng)預熱方式的電耗為437萬元/a，而采用按需預熱方式的電耗為318萬元/a，節(jié)約運營費用119萬元/a，與傳統(tǒng)預熱方式相比，每年節(jié)電約27%。

因此，采用按需通風技術，每年可為礦山節(jié)省運營費用706萬元，經(jīng)濟效益相當可觀。

5 結論

結合礦山的通風系統(tǒng)特點，在礦井通風設計中采用按需通風(VOD)新技術，并利用Ventsim VisualTM三維仿真軟件對通風系統(tǒng)進行仿真分析和初步探討，得出以下結論：

(1)合理利用按需通風系統(tǒng)，能夠為礦山節(jié)省大量的通風能耗，帶來巨大經(jīng)濟效益，每年至少減少電耗50%以上?？膳c按需供熱相結合，節(jié)能效果相當可觀，并且有利于通風質量和通風效率的提高；

(2)按需通風系統(tǒng)是一個龐大而復雜的系統(tǒng)，礦山可以建立完善的監(jiān)控和信息系統(tǒng)，根據(jù)實際分步實施，逐步實現(xiàn)通風系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測，達到自動適應礦山通風系統(tǒng)動態(tài)變化的目的；

(3)該VOD關鍵技術和系統(tǒng)可以廣泛應用于新建礦山和舊礦山的通風系統(tǒng)升級改造與優(yōu)化，具有很好的推廣性。

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ApplicationofVODventilationnewtechnologyinamineproject

GE Qi-fa, YU Run-cang, ZHU Wei-gen, CHEN Qing-gang , LIANG Xin-min

Based on the principle of demand-supply balance of underground air volume, VOD (Ventilation-On-Demand) technology is used in the design and control of mine ventilation system which can minimize the ventilation costs and improve the underground working environment maximumly. A copper mine is used as an engineering study case in this paper, and the Ventilation-On-Demand system of the whole mine is introduced, including the ventilation planning, ventilation equipment, personnel positioning and identification system, air flow measurement, control system and VOD control management system, and then the energy saving effect of different ventilation schemes are respectively simulated by using three-dimensional ventilation simulation software Ventsim VisualTM. The simulation results show that VOD technology compared with the traditional ventilation system could improve the underground operating environment, reduce the fan and air preheating energy consumption remarkably, so the technology has a well promotion prospect.

VOD (Ventilation-On-Demand); ventilation costs; three-dimensional ventilation simulation; shaft air preheating

TD724

B

1672-6103(2017)06-0058-06

國家安監(jiān)總局安全科技“四個一批”項目(安監(jiān)總廳科技[2012]142號)——超大規(guī)模超深井金屬礦山開采安全關鍵技術研究。

葛啟發(fā)(1980—)， 男， 博士研究生， 主要從事礦山設計與咨詢、深井大規(guī)模礦山安全與通風技術研究。

2017-10-23