邸 冬,余 龍
(巴彥淖爾西部銅業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 臨河 015000)
北方地區(qū)冬季嚴(yán)寒,地表冷空氣如不預(yù)熱而直接進(jìn)入礦井內(nèi),勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)井筒發(fā)生冰凍現(xiàn)象。獲各琦銅礦地處陰山北麓,冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng),封凍期為十月到來(lái)年五月,冬季最低氣溫可達(dá)-39 ℃。礦山采用中央多路進(jìn)風(fēng),東、西兩翼風(fēng)井回風(fēng)的對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng),冬季大量冷空氣由進(jìn)風(fēng)井及各副井進(jìn)入井下,且井筒存在滴水,因此各井筒防凍成為冬季安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要工作。為解決進(jìn)風(fēng)井冬季防凍問(wèn)題,礦山設(shè)計(jì)了鍋爐預(yù)熱和電預(yù)熱系統(tǒng),每年預(yù)熱運(yùn)行費(fèi)用約為860萬(wàn)元,消耗大量的能源、資金和人力。
目前國(guó)內(nèi)冬季利用空區(qū)廢舊巷道預(yù)熱入風(fēng)流的礦山較少,其根本原因在于空區(qū)廢舊巷道預(yù)熱需要足夠的可利用的廢舊巷道或采空區(qū)。獲各琦銅礦生產(chǎn)中段已經(jīng)進(jìn)入到1 690 m以下,1 690 m以上中段已結(jié)束回采,并且1 810 m、1 750 m兩個(gè)中段采用淺孔留礦采礦法回采,回采結(jié)束后存在大量的采空區(qū)及廢舊巷道,同時(shí)這兩個(gè)中段的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)都與3#進(jìn)風(fēng)井或2#副井貫通,具備利用采空區(qū)及廢舊巷道進(jìn)行預(yù)熱的條件。
隨著開采深度的增加,由于越靠近地心,巖石溫度會(huì)越高。地層溫度隨深度增加的增長(zhǎng)率稱為地溫梯度,即深度每增加1 m所升高的溫度(單位:℃/m),計(jì)算通常從不受任何影響保持溫度不變的恒溫帶開始。若空氣與巖體間存在著溫度差,便會(huì)發(fā)生熱交換。當(dāng)空氣溫度高于巖體溫度時(shí),空氣向巖體散熱,巖體吸收熱量使空氣溫度降低;當(dāng)空氣溫度低于巖體溫度時(shí),巖體便向空氣散熱,空氣獲得熱量又使巖體的溫度降低[1-2]。
利用地溫預(yù)熱入風(fēng)流要求礦山已經(jīng)結(jié)束的淺部回采中段存在足夠的可利用的與地表采坑或塌陷區(qū)貫通的采空區(qū)及廢舊巷道,并且已結(jié)束回采的中段必須位于地?zé)嵘郎貛В瑫r(shí)至少要有一條能讓預(yù)熱后的空氣進(jìn)入主通風(fēng)系統(tǒng)的通道。礦山可利用的暴露巖壁有效預(yù)熱面積為可利用的淺部采空區(qū)巖壁暴露面積和廢舊巷道巖壁暴露面積之和,兩部分可以分別統(tǒng)計(jì)。
獲各琦銅礦冬季進(jìn)風(fēng)空氣預(yù)熱可利用的廢舊巷道及采空區(qū)主要位于1 810 m和1 750 m兩個(gè)中段。采空區(qū)預(yù)熱面積接觸原巖部分約占總數(shù)的40%,大量的采空區(qū)預(yù)熱面積接觸采場(chǎng)間未開采圍巖或夾石形成的夾墻;同時(shí),由于各采空區(qū)風(fēng)路風(fēng)阻不均衡,且難以對(duì)采空區(qū)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié),可能使采空區(qū)中風(fēng)流出現(xiàn)分配不均。因此,在充分考慮以上兩個(gè)對(duì)采空區(qū)預(yù)熱效果影響因素的基礎(chǔ)上,采空區(qū)有效預(yù)熱面積可按式(1)計(jì)算:
S′=K1K2S
(1)
式中:S′—采空區(qū)有效預(yù)熱面積,m2;K1—采空區(qū)預(yù)熱面積接觸采場(chǎng)間未開采圍巖或夾石形成的夾墻對(duì)預(yù)熱的影響系數(shù),根據(jù)礦山實(shí)際調(diào)查情況取K1=0.6;K2—采空區(qū)中風(fēng)流出現(xiàn)分配不均對(duì)預(yù)熱的影響系數(shù),根據(jù)礦山實(shí)際調(diào)查情況取K2=0.8;S—采空區(qū)暴露面積,m2;統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。
則采空區(qū)有效預(yù)熱面積S′=K1K2S=0.6×0.8×66 100=31 728 m2。
表1 可利用預(yù)熱采空區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表
礦山可利用的廢舊巷道包括沒(méi)有垮塌的沿脈巷道和穿脈巷道,有效預(yù)熱面積計(jì)算為廢舊巷道的斷面周長(zhǎng)乘以巷道長(zhǎng)度。1 810 m、1 750 m及1 690 m中段可利用預(yù)熱廢舊巷道暴露面積統(tǒng)計(jì)情況見表2。
表2 可利用預(yù)熱廢舊巷道統(tǒng)計(jì)表
總有效預(yù)熱面積為廢舊巷道有效預(yù)熱面積與采空區(qū)有效預(yù)熱面積之和,即礦山廢舊巷道及采空區(qū)總有效預(yù)熱面積為31 728+9 939=41 667 m2。
通過(guò)測(cè)定的原巖溫度數(shù)據(jù),分析井下巖溫的分布規(guī)律,以便得出礦山原巖變溫帶、恒溫帶、升溫帶的位置及其地溫梯度。
3.1.1 測(cè)溫探頭選擇
測(cè)量溫度的方法常用的是接觸式測(cè)量,它是把測(cè)溫敏感元件和被測(cè)介質(zhì)直接接觸,使測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)之間進(jìn)行充分的熱交換達(dá)到傳熱平衡。按照測(cè)溫元件的不同,接觸式測(cè)溫又可分為膨脹式溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻式溫度計(jì)和熱電偶。其中熱電偶價(jià)格相對(duì)便宜且精度較高,且可以深埋于鉆孔中[3-4]。因此,本次圍巖溫度測(cè)定選用熱電偶作為測(cè)溫元件。
本次圍巖溫度測(cè)試,使用的溫度傳感器型號(hào)為JQS-1002,記錄儀型號(hào)為JQA-1069NG,測(cè)溫范圍-55~+125 ℃。
3.1.2 測(cè)定方法選擇
針對(duì)礦山預(yù)熱地點(diǎn)為老采空區(qū),巷道開掘及采礦后,圍巖中的地溫場(chǎng)會(huì)受到礦井排水、通風(fēng)等因素的影響,因此選擇在各中段巷道水平布置圍巖溫度觀測(cè)點(diǎn),選取鉆孔深度為20~30 m。將標(biāo)定好的測(cè)溫?zé)犭娕继筋^送入孔底,封孔完成后,等待24 h,傳熱穩(wěn)定后,測(cè)得穩(wěn)定的溫度值即為原巖溫度。
3.1.3 測(cè)孔布置方案
為了便于獲取圍巖溫度縱向變化規(guī)律,預(yù)測(cè)不同深度的地溫變化趨勢(shì),測(cè)點(diǎn)位置選擇應(yīng)盡可能選在同一勘探線位置。測(cè)溫孔可以選擇無(wú)滲水或滲水量極小的已有探礦孔,以減少原巖溫度測(cè)孔的鉆鑿工程量;孔深大于20 m,鉆孔水平應(yīng)稍向上傾斜10°以上,以便于測(cè)溫孔滲水的流出,孔口距巷道底板高度 1.0 m,以方便安裝測(cè)溫設(shè)備[4]。
根據(jù)礦山實(shí)際情況,1 690 m中段以上回采已結(jié)束,已形成采空區(qū),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的通風(fēng),圍巖溫度已發(fā)生較大改變,因此,選擇1 690 m以下各中段進(jìn)行圍巖溫度測(cè)定。各中段測(cè)孔原巖溫度測(cè)定結(jié)果見表3。
表3 原巖溫度測(cè)定結(jié)果
3.2.1 地溫梯度
由表3可以看出,隨著礦井深度的增加,原始巖溫不斷增加,近似呈線性關(guān)系,可由下式計(jì)算出升溫帶地溫梯度:
(2)
式中:G—地溫梯度,即原巖溫度隨深度的變化率,℃/m;ti—距離地面垂直深度Zi處的原巖溫度,℃;ti-1—距離地面垂直深度Zi-1處的原巖溫度,℃;Zi—i點(diǎn)處原巖的深度,m;Zi-1—i-1點(diǎn)處原巖的深度,m。
代入數(shù)據(jù)即可計(jì)算得礦山地溫梯度為0.022 8 ℃/m。
3.2.2 恒溫帶深度
由于恒溫帶的原巖溫度近似等于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?,取恒溫帶原巖溫度等于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?,則可由式(3)計(jì)算出恒溫帶深度:
(3)
式中:ti—距離地面垂直深度Zi處的原巖溫度,℃;t0—恒溫帶處的原巖溫度,℃;取t0=6.7 ℃;Z0—恒溫帶的深度,m。
3.2.3 巖溫分布規(guī)律分析
礦山露天采坑的標(biāo)高為+1 896 m,從而導(dǎo)致露天采坑附近的恒溫帶位置及恒溫帶標(biāo)高也相應(yīng)發(fā)生了下移。通過(guò)以上分析,可知礦山變溫帶深度為地表往下57 m左右,標(biāo)高即為+1 839 m以上,恒溫帶的位置大約在55~60 m,標(biāo)高即為+1 841~+1 836 m,恒溫帶原巖溫度約為6.7℃,從57 m(標(biāo)高為+1 839 m)以下為升溫帶。即已結(jié)束回采的兩個(gè)中段位于地?zé)嵘郎貛А?/p>
礦山用于入風(fēng)流預(yù)熱的采空區(qū)平均原巖溫度計(jì)算為設(shè)計(jì)利用的已結(jié)束回采中段標(biāo)高處測(cè)定的巖溫相加后取平均值。采空區(qū)原巖溫度按式(4)計(jì)算:
ti=t0+(Zi-Z0)G
(4)
式中,ti—距離地面垂直深度Zi處的原巖溫度,℃;t0—恒溫帶處的原巖溫度,℃;取t0=6.7 ℃;Z0—恒溫帶的深度,m;Zi—i點(diǎn)處原巖的深度,m。
1 750 m標(biāo)高原巖溫度ti=t0+(Zi-Z0)G=6.7+(146-57)×0.022 8=8.73 ℃;1 810 m標(biāo)高原巖溫度ti=t0+(Zi-Z0)G=6.7+(86-57)×0.022 8=7.36 ℃。
即可計(jì)算1 750 m中段采空區(qū)平均原巖溫度為(8.73+7.36)÷2 = 8.04℃。
3.4.1 熱交換系數(shù)
巖體與空氣間的熱交換過(guò)程隨時(shí)間而變化,而對(duì)于冬季最冷的時(shí)刻,空氣與巖體的熱交換過(guò)程可視為穩(wěn)定過(guò)程。以冬季地表氣溫最低時(shí),使冷空氣通過(guò)采空區(qū)及廢舊巷道預(yù)熱后達(dá)到2℃以上的巷道暴露面積來(lái)計(jì)算熱交換系數(shù)K,巖體與空氣熱交換系數(shù)按式(5)計(jì)算[2,5]:
(5)
式中,K—空氣與巖體的熱交換系數(shù),W/m2·℃;λ—巖體的導(dǎo)熱系數(shù),W/m2·℃;礦體頂?shù)装鍑鷰r為炭質(zhì)板巖、透輝透閃石灰?guī)r,取 0.8W/m2·℃;v—巷道風(fēng)速,m/s;風(fēng)流通過(guò)風(fēng)機(jī)安裝巷道的風(fēng)速約6 m/s。
3.4.2 預(yù)熱單位風(fēng)量所需巖壁暴露面積
根據(jù)相關(guān)礦山實(shí)踐,預(yù)熱單位體積冷空氣所需巖壁暴露面積按式(6)計(jì)算[2-3,6]:
(6)
式中:A'—預(yù)熱單位體積冷空氣時(shí)所需巖壁暴露面積,m2;K—空氣與巖體的熱交換系數(shù),W/m2·℃;tn—預(yù)熱處原巖溫度,℃;tn=8.04℃;t0—冷空氣進(jìn)入預(yù)熱巷道前的溫度,℃;取礦山冬季歷年最低溫度-39℃;t1—空氣預(yù)熱后的溫度,℃;取t1=3℃(根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求,進(jìn)風(fēng)巷的空氣溫度應(yīng)高于2 ℃)。
則將-39℃的單位風(fēng)量預(yù)熱至3℃,所需巖壁暴露面積為:
=626.91 m2
3.4.3 采空區(qū)及廢舊巷道預(yù)熱風(fēng)量
廢舊巷道及采空區(qū)預(yù)熱空氣總量按式(7)計(jì)算:
(7)
式中,Q—廢舊巷道及采空區(qū)預(yù)熱空氣總量,m3/s;S—廢舊巷道及采空區(qū)有效總預(yù)熱面積,m2;A′—預(yù)熱單位體積冷空氣所需巖壁暴露面積,m2。
礦山2#副井目前處于停用狀態(tài),地表井口已封閉,并且2#副井與井下各生產(chǎn)中段相通,因此可將2#副井作為預(yù)熱后風(fēng)流進(jìn)入主通風(fēng)系統(tǒng)的通道。因1 750 m中段2#副井井筒處于砌筑狀態(tài),無(wú)法打通進(jìn)風(fēng)通道,最終確定預(yù)熱系統(tǒng)實(shí)施方案為地表冷空氣經(jīng)1 810 m、1 750 m采空區(qū)及廢舊巷道預(yù)熱,預(yù)熱后的風(fēng)流經(jīng)1 810 m中段2#副井石門進(jìn)入主通風(fēng)系統(tǒng)。
如圖1所示,通風(fēng)線路為:1)地表冷空氣→露天采坑塌陷區(qū)及1 875 m平硐→1 810 m中段CuⅤ及Pb-1東采空區(qū)→1 810 m中段穿脈及沿脈巷→1 810 m中段2#副井石門→主通風(fēng)系統(tǒng);2)1 750 m中段風(fēng)流線路為:1 750 m中段CuⅤ及Pb-1東采空區(qū)→1 750 m中段穿脈及沿脈巷→1 750 m中段14線通1 810 m中段盲斜井→1 810 m中段2#副井繞道→1 810 m中段2#副井石門→主通風(fēng)系統(tǒng)。
在預(yù)熱系統(tǒng)實(shí)施時(shí),把通風(fēng)機(jī)的選擇安裝放在最后一步。便于檢驗(yàn)預(yù)熱系統(tǒng)靠自然風(fēng)壓進(jìn)風(fēng)的進(jìn)風(fēng)量能否達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)熱總風(fēng)量,如若能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)熱風(fēng)量,將礦山最低氣溫時(shí)的空氣預(yù)熱到2 ℃以上則可以不架設(shè)或不開啟風(fēng)機(jī);如若不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,則需架設(shè)通風(fēng)機(jī),并通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)預(yù)熱總風(fēng)量和自然風(fēng)壓進(jìn)風(fēng)量的差值及預(yù)熱風(fēng)流線路的風(fēng)阻來(lái)選擇通風(fēng)機(jī)的型號(hào)。
4.3.1 預(yù)熱系統(tǒng)與礦山生產(chǎn)中段的隔離
地溫預(yù)熱系統(tǒng)如不能與礦山生產(chǎn)中段進(jìn)行有效隔離,將與生產(chǎn)中段產(chǎn)生的污風(fēng)及主通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)流,污染預(yù)熱風(fēng)流。為了使地溫預(yù)熱系統(tǒng)與生產(chǎn)中段及主通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行有效隔離,首先,在1 810 m和1 750 m 兩個(gè)中段巷道與礦山斜坡道之間用風(fēng)門隔離。其次,在1 750 m至1 690 m之間所有通道采取密閉措施有效隔離上下中段的連接,從而使預(yù)熱區(qū)與下部生產(chǎn)中段隔離。
1—CuⅤ及Pb-1東采空區(qū);2—勘探線;3—2#副井(井口已封閉);4—1875平硐;5—1750中段通1810中段盲斜井;6—穿脈巷道;7—密閉墻;8—調(diào)節(jié)風(fēng)門
4.3.2 采空區(qū)進(jìn)入風(fēng)量調(diào)節(jié)
由于礦山1 810 m和1 750 m兩個(gè)中段可利用的采空區(qū)并聯(lián)且各采空區(qū)風(fēng)路風(fēng)阻不均衡,如不采取風(fēng)流調(diào)控措施,風(fēng)量分配必然不均,從而影響空區(qū)預(yù)熱效果。為了對(duì)采空區(qū)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié),根據(jù)各采空區(qū)進(jìn)入風(fēng)量大小,利用通風(fēng)構(gòu)筑物分別在1 810 m、1 750 m中段穿脈巷道對(duì)采空區(qū)進(jìn)入風(fēng)量進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)采空區(qū)進(jìn)入風(fēng)量均勻分配,以提高采空區(qū)預(yù)熱效果。
預(yù)熱系統(tǒng)實(shí)施后,僅通過(guò)自然風(fēng)壓進(jìn)風(fēng),地表溫度為-26 ℃時(shí),測(cè)定實(shí)際預(yù)熱空氣總量為62.89 m3/s,地表溫度為-32 ℃時(shí),測(cè)定實(shí)際預(yù)熱空氣總量為57.33 m3/s,地溫預(yù)熱后風(fēng)流進(jìn)入各生產(chǎn)中段風(fēng)量測(cè)定結(jié)果見表4,即達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。同時(shí)減少了3#進(jìn)風(fēng)井冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)量,預(yù)熱系統(tǒng)實(shí)施前,地表3#進(jìn)風(fēng)井冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)量為120~140 m3/s;實(shí)施完成后,冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)量為75~90 m3/s,即減少了地表3#進(jìn)風(fēng)井冷風(fēng)量約45~50 m3/s。并且減少了礦井通風(fēng)阻力,降低了主扇運(yùn)行風(fēng)壓,實(shí)施后主扇風(fēng)壓測(cè)定結(jié)果見表5。
表4 預(yù)熱風(fēng)流進(jìn)入各中段風(fēng)量測(cè)定結(jié)果
表5 預(yù)熱系統(tǒng)實(shí)施后主扇運(yùn)行風(fēng)壓測(cè)定結(jié)果
利用地溫預(yù)熱與鍋爐預(yù)熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見表6。
礦山目前使用的一臺(tái)20 t的鍋爐預(yù)熱系統(tǒng),運(yùn)行年承包費(fèi)用為860萬(wàn)元,折算成預(yù)熱63 m3/s風(fēng)量的運(yùn)行費(fèi)用為860×63÷240=225.75萬(wàn)元;建設(shè)地溫預(yù)熱系統(tǒng)基建費(fèi)用僅為15.3萬(wàn)元,且沒(méi)有運(yùn)行費(fèi)用。由此可知,地溫預(yù)熱系統(tǒng)每年可以為獲各琦銅礦節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約為225.75萬(wàn)元。
表6 地溫預(yù)熱與鍋爐預(yù)熱經(jīng)濟(jì)效益比較
1)獲各琦銅礦地溫預(yù)熱系統(tǒng)在未安裝輔助風(fēng)機(jī)的狀態(tài)下,可將62.89 m3/s的-26 ℃冷空氣預(yù)熱到8.2~9 ℃,將57.33 m3/s的-32 ℃冷空氣預(yù)熱到3.6~4.4 ℃,說(shuō)明該預(yù)熱系統(tǒng)的預(yù)熱能力仍具有很大潛力。
2)地溫預(yù)熱系統(tǒng)充分利用淺部采空區(qū)和廢舊巷道,不需要新掘預(yù)熱巷道,投資費(fèi)用少,施工簡(jiǎn)便,易于管理。
3)利用采空區(qū)及廢舊巷道預(yù)熱進(jìn)風(fēng),減少了預(yù)熱鍋爐的運(yùn)行時(shí)間和臺(tái)數(shù),煤炭消耗減少約4 000 t/a,顯著減少了大氣污染物排放。
4)通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)線路增多,有效降低了通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力,減少主扇電能消耗,具有節(jié)能降耗的作用。
5)預(yù)熱后的空氣完全符合《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中關(guān)于風(fēng)源和工作面風(fēng)質(zhì)量的規(guī)定。
6)存在多條通道可用于預(yù)熱后風(fēng)流進(jìn)入主通風(fēng)系統(tǒng)的礦山,宜選擇多條預(yù)熱線路相并聯(lián)的方式,以降低風(fēng)流速度和礦井通風(fēng)阻力,使冷空氣能與巖體有充足的時(shí)間進(jìn)行熱交換,并且能夠降低通風(fēng)機(jī)能耗。