曹龍 楊敏

摘要：隨著礦山開采不斷向深部區(qū)域推進(jìn)，良好的礦井通風(fēng)技術(shù)對(duì)于改善井下工作環(huán)境、保證地下礦山安全、高效開采至關(guān)重要。以加拿大léonore金礦為工程背景，利用按需通風(fēng)技術(shù)，采用智能化調(diào)節(jié)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了主風(fēng)機(jī)、局扇、風(fēng)門及風(fēng)窗等通風(fēng)構(gòu)筑物的遠(yuǎn)程、自動(dòng)化、閉環(huán)控制，提高了風(fēng)流利用率，有效保證了井下通風(fēng)效果?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明：采用按需通風(fēng)技術(shù)，通風(fēng)量和冬季井口預(yù)熱熱質(zhì)消耗量節(jié)約28.57 %，主扇耗電量節(jié)約66 %，局扇耗電量節(jié)約90 %以上。

關(guān)鍵詞：深部開采;通風(fēng)技術(shù);按需通風(fēng);智能化通風(fēng);通風(fēng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TD72文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）12-0038-04doi：10.11792/hj20211208

引 言

礦井通風(fēng)是保障礦井安全高效生產(chǎn)的重要技術(shù)手段，礦山在生產(chǎn)過程中必須源源不斷地將新鮮風(fēng)流輸送至井下各工作面，稀釋和排除污風(fēng)流，保證井下人員、設(shè)備的工作環(huán)境符合要求?？茖W(xué)的礦井通風(fēng)是將新鮮風(fēng)流“按時(shí)、按需”輸送至井下各工作面，使得新鮮風(fēng)流最大程度被有效利用，保證工作面通風(fēng)效果，降低通風(fēng)成本[1]。

礦山按需通風(fēng)（Ventilation on demand，VOD）技術(shù)于20世紀(jì)末開始應(yīng)用，其主要目的是使用最少的通風(fēng)成本，最大限度地保證井下工作環(huán)境舒適，保障井下工作人員身心健康[2]。國外按需通風(fēng)技術(shù)起步較早，經(jīng)過多年發(fā)展，目前已相對(duì)成熟，

國內(nèi)隨著礦山發(fā)展的需求，眾多專家學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。

伍海亮等[1]從作業(yè)面類型分布等影響實(shí)際需風(fēng)量大小的因素著手，通過一定的監(jiān)測手段反饋到VOD智能通風(fēng)控制系統(tǒng)及風(fēng)量監(jiān)測技術(shù)并自動(dòng)計(jì)算實(shí)際需風(fēng)量和實(shí)際供風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制風(fēng)機(jī)的開?；蜃冾l調(diào)速和通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的閉環(huán)控制。

謝賢平等[3]初步研究了礦井通風(fēng)信息的采集和處理，確定了信息界定的原則、依據(jù)、方法和范圍，初步探討了礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)與決策技術(shù)的多種綜合集成方法。葛啟發(fā)等[4]從通風(fēng)計(jì)劃、通風(fēng)設(shè)備、人員定位、風(fēng)流監(jiān)測和按需通風(fēng)控制管理系統(tǒng)等方面對(duì)整個(gè)礦山的按需通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并運(yùn)用三維通風(fēng)仿真軟件Ventsim Visual對(duì)全礦區(qū)域通風(fēng)方案進(jìn)行模擬比較，分析其節(jié)能效果。周福寶等[5]基于風(fēng)網(wǎng)調(diào)節(jié)的非線性優(yōu)化模型提出了礦井智能控風(fēng)模型，設(shè)計(jì)了礦井通風(fēng)智能調(diào)控執(zhí)行與反饋的標(biāo)準(zhǔn)化工作流程，圍繞礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)功能的具體實(shí)現(xiàn)，分別從礦井通風(fēng)參數(shù)精準(zhǔn)監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)詳細(xì)闡明了礦井智能通風(fēng)功能的實(shí)現(xiàn)路徑。吳玉水等[6]在全面分析總結(jié)中國南方某鈾礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在問題的基礎(chǔ)上，以按需分風(fēng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)對(duì)原有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提出了礦井通風(fēng)系統(tǒng)總體改造方案。

目前，國內(nèi)礦山處于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)局部智能控制階段，尚無全礦實(shí)現(xiàn)按需通風(fēng)的工程案例。本文介紹了加拿大léonore金礦采用按需通風(fēng)技術(shù)，利用井下通風(fēng)的供需動(dòng)態(tài)平衡原理，建設(shè)了礦井通風(fēng)智能控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面空氣質(zhì)量和人員、設(shè)備位置等，實(shí)現(xiàn)了井下通風(fēng)設(shè)備的自動(dòng)化控制，降低了礦井的通風(fēng)能耗及成本，為國內(nèi)礦山按需通風(fēng)技術(shù)發(fā)展提供借鑒及技術(shù)支撐。

1 工程概況

léonore金礦位于加拿大魁北克省蒙特利爾市北部，距離蒙特利爾市區(qū)80 km。礦區(qū)屬于溫帶大陸性濕潤氣候，年平均氣溫6.4 ℃，最高氣溫37.8 ℃，極端最低氣溫-36.1 ℃，年平均相對(duì)濕度80.76 %。2003年美國弗吉尼亞州地質(zhì)公司探獲了léonore金礦資源，2006年加拿大黃金礦業(yè)公司收購了léonore金礦的礦業(yè)權(quán)。該礦山于2011年開始建設(shè)，并于2015年建成投產(chǎn)。礦山設(shè)計(jì)采礦規(guī)模300×104 t/a，年產(chǎn)金金屬量11 t，礦體賦存深度0～1 400 m。采用豎井+斜坡道開拓方式，分段充填采礦法回采。礦山在垂直方向上共劃分7個(gè)采區(qū)，單采區(qū)垂高120～200 m，以分段為回采單元進(jìn)行回采，分段高度30 m，全礦共設(shè)置42個(gè)分段。采用中央并列式通風(fēng)系統(tǒng)，分區(qū)壓抽結(jié)合通風(fēng)方式。礦山地處寒冷地區(qū)，為避免冬季井口結(jié)冰，設(shè)生物質(zhì)熱風(fēng)鍋爐進(jìn)行井口預(yù)熱，燃燒熱質(zhì)為丙烷。一般從10月至次年4月需井口預(yù)熱，全年采暖期約7個(gè)月。

2 按需通風(fēng)設(shè)計(jì)

礦山井下通風(fēng)時(shí)時(shí)刻刻影響著井下工作人員的安全及礦山工作效率，為保障井下工作順利進(jìn)行，需要向井下連續(xù)輸送必要數(shù)量的新鮮空氣，以稀釋并排除有毒有害氣體和礦塵。本文根據(jù)按需通風(fēng)原理，設(shè)計(jì)采用通訊網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)控制系統(tǒng)（Ventsim ControlTM）、通訊柜（Communications Cabinets）、監(jiān)測控制站（MCS/MCSG）、傳感器、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)器、調(diào)速裝置、自動(dòng)調(diào)節(jié)門、實(shí)時(shí)定位跟蹤系統(tǒng)等構(gòu)成礦井通風(fēng)智能控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測并計(jì)算井下需風(fēng)量，及時(shí)向井下輸送新鮮風(fēng)流。礦井通風(fēng)智能控制系統(tǒng)構(gòu)成及控制邏輯如圖1所示。

通過使用礦井通風(fēng)智能控制系統(tǒng)，可利用傳感器和實(shí)時(shí)定位跟蹤系統(tǒng)將井下工作面空氣質(zhì)量和人員、設(shè)備位置等數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測控制站，經(jīng)通訊柜處理后傳輸至地表通風(fēng)控制系統(tǒng)。地表通風(fēng)控制系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)解算、優(yōu)化后，將控制指令經(jīng)通訊柜處理后發(fā)送至監(jiān)測控制站，并對(duì)主扇、局扇及通風(fēng)構(gòu)筑物進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證工作面風(fēng)流質(zhì)量。

3 按需通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用

léonore金礦采用中央并列式通風(fēng)系統(tǒng)，分區(qū)壓抽結(jié)合通風(fēng)方式，如圖2所示。礦山設(shè)計(jì)最大需風(fēng)量590 m3/s。為滿足礦井生產(chǎn)作業(yè)通風(fēng)需要，1號(hào)豎井地表井口設(shè)置2臺(tái)300 kW主扇、2號(hào)豎井地表井口設(shè)置2臺(tái)750 kW主扇，壓入式;斜坡道地表井口設(shè)置2臺(tái)2 000 kW主扇，抽出式;全礦設(shè)置63臺(tái)25 kW局扇、71臺(tái)75 kW局扇和60臺(tái)150 kW局扇。全礦地表主扇電動(dòng)機(jī)總功率6 100 kW，地下局扇電動(dòng)機(jī)總功率15 900 kW。為保證通風(fēng)系統(tǒng)的安全性和高效性，léonore金礦采用了較先進(jìn)的按需通風(fēng)技術(shù)。

léonore金礦配備了一套礦山全范圍追蹤定位監(jiān)測系統(tǒng)，其144臺(tái)作業(yè)車輛均配備無線射頻識(shí)別卡（RFID），以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地顯示這些車輛的井下位置及車輛引擎的運(yùn)行情況。同時(shí)，每名井下工作人員也配備了唯一的無線射頻識(shí)別卡，該識(shí)別卡可將信息傳輸至礦內(nèi)254個(gè)數(shù)據(jù)信息接入點(diǎn)中的其中一點(diǎn)，以進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，之后這些接入點(diǎn)通過混合光纖網(wǎng)絡(luò)將追蹤定位信息傳輸至地面的控制室。利用追蹤定位系統(tǒng)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，地表控制室的按需通風(fēng)邏輯分析軟件可以解算出井下各區(qū)域的實(shí)際通風(fēng)需求量，然后將計(jì)算結(jié)果反饋給井下112臺(tái)局部通風(fēng)機(jī)、60套調(diào)節(jié)風(fēng)窗和7套調(diào)節(jié)風(fēng)門，實(shí)現(xiàn)主扇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整，以及局扇開停和風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了井下各工作面新鮮風(fēng)流的按需供給，提高了風(fēng)流利用率，節(jié)約了通風(fēng)能耗。該礦山配備的主扇、局扇均采用變頻控制系統(tǒng)，且葉片角度智能可調(diào)，以保證主扇和局扇一直處于高效區(qū)運(yùn)行，達(dá)到最優(yōu)節(jié)能效果;該礦山配備的風(fēng)門、風(fēng)窗運(yùn)行狀態(tài)均為液壓智能調(diào)節(jié)，保證風(fēng)量分配的高效性和合理性。采區(qū)監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備布置是智能通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該礦山通風(fēng)設(shè)施分段布置如圖3所示。

目前l(fā)éonore金礦所有通風(fēng)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，可向井下各區(qū)域供應(yīng)充足的新鮮空氣，為所有井下人員創(chuàng)造舒適的作業(yè)環(huán)境。同時(shí)，由于采用按需通風(fēng)技術(shù)，礦井通風(fēng)成本大幅下降，主要表現(xiàn)在礦井總通風(fēng)量下降和局扇無效運(yùn)行減少等方面。

1）礦井總通風(fēng)量下降。礦山井下為多工種、相互交替的生產(chǎn)工序，井下工作面位置和個(gè)數(shù)根據(jù)生產(chǎn)組織要求頻繁發(fā)生調(diào)整，井下同時(shí)運(yùn)行設(shè)備數(shù)量也時(shí)刻在發(fā)生變化，因此礦井實(shí)際需風(fēng)量一般為動(dòng)態(tài)變化數(shù)值，而按需通風(fēng)技術(shù)正是利用礦井通風(fēng)供需動(dòng)態(tài)平衡原理，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)節(jié)能的效果，如圖4所示。

由圖4可知：若不采用按需通風(fēng)技術(shù)，井下各工作面風(fēng)量均按工作面最大需風(fēng)量要求分配，全礦總通風(fēng)量約490 m3/s，主扇按額定功率持續(xù)運(yùn)行，通風(fēng)耗能較大;采用按需通風(fēng)技術(shù)，礦井實(shí)際通風(fēng)量與需風(fēng)量接近動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)際通風(fēng)量一般約350 m3/s，主扇實(shí)際轉(zhuǎn)速下降為額定轉(zhuǎn)速的70 %左右，主井運(yùn)行功率下降為34 %（功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比），主扇節(jié)能66 %;采用按需通風(fēng)技術(shù)，礦山17：30：00—19：00：00時(shí)段為倒班時(shí)間，井下無作業(yè)人員，礦井需風(fēng)量為0，主扇實(shí)際轉(zhuǎn)速下降為額定轉(zhuǎn)速的30 %左右，主井運(yùn)行功率下降為3 %，主扇耗能極小。

同時(shí)，由于采用按需通風(fēng)技術(shù)，礦井實(shí)際平均通風(fēng)量由490 m3/s下降為350 m3/s左右，下降28.57 %，冬季井口預(yù)熱風(fēng)量、預(yù)熱熱質(zhì)消耗量也均隨之下降28.57 %，減少了丙烷熱質(zhì)消耗量，節(jié)約了井口預(yù)熱成本，減少了二氧化碳等污染物排放，利于環(huán)境保護(hù)。

2）局扇無效運(yùn)行減少。高效調(diào)節(jié)局扇運(yùn)行是按需通風(fēng)技術(shù)的核心，léonore金礦配備不同功率等級(jí)局扇為礦山服務(wù)，采用150 kW局扇負(fù)責(zé)采區(qū)風(fēng)量分配，采用75 kW局扇負(fù)責(zé)分區(qū)內(nèi)各分段風(fēng)量分配，采用25 kW局扇負(fù)責(zé)分段內(nèi)各工作面風(fēng)量分配。各功率等級(jí)局扇運(yùn)行累計(jì)時(shí)間、實(shí)際轉(zhuǎn)速和耗電量如表1所示。

由表1可知：若不采用按需通風(fēng)技術(shù)，工人手動(dòng)開停局扇，一般考慮倒班暫停作業(yè)時(shí)間等，局扇每天運(yùn)行時(shí)間約21.6 h，由于缺少智能調(diào)控，局扇通常按額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。采用按需通風(fēng)技術(shù)，局扇根據(jù)生產(chǎn)通風(fēng)需要實(shí)時(shí)開停，同時(shí)根據(jù)工作面需風(fēng)量智能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。局扇服務(wù)范圍不同，節(jié)能效果略有不同，但是3個(gè)功率等級(jí)局扇均可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能90 %以上。

4 結(jié) 論

1）按需通風(fēng)技術(shù)達(dá)到最優(yōu)節(jié)能效果的前提是礦井主扇和局扇均為變頻控制，且主扇和局扇葉片角度可智能調(diào)節(jié)，保證主扇和局扇高效運(yùn)行，而目前國產(chǎn)風(fēng)機(jī)設(shè)備尚未實(shí)現(xiàn)葉片角度智能調(diào)節(jié)，因此本文對(duì)國內(nèi)風(fēng)機(jī)設(shè)備發(fā)展有一定指導(dǎo)意義。

2）按需通風(fēng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作面合理、高效風(fēng)量分配的前提是風(fēng)門、風(fēng)窗等通風(fēng)構(gòu)筑物運(yùn)行狀態(tài)均為液壓智能調(diào)節(jié)。

3）利用按需通風(fēng)技術(shù)，能大幅降低礦山通風(fēng)能耗，節(jié)約礦山開采成本，在加拿大léonore金礦的應(yīng)用中，其通風(fēng)量和冬季井口預(yù)熱熱質(zhì)消耗量均節(jié)約28.57 %，主扇耗電量節(jié)約66 %，局扇耗電量節(jié)約90 %以上。

4）按需通風(fēng)技術(shù)可以提高新鮮風(fēng)流利用率，在保證礦井良好通風(fēng)效果的同時(shí)，能夠大幅減小通風(fēng)耗能、井口預(yù)熱耗能、井下制冷降溫耗能，簡化通風(fēng)管理，在嚴(yán)寒地區(qū)或大型熱害礦井中，優(yōu)勢更加突出。

5）近年來，中國礦山開采技術(shù)快速發(fā)展，隨著“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、智能化無人”綠色智慧礦山理念的提出，引入礦山按需通風(fēng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化、智能化管理，是中國金屬礦山礦井通風(fēng)發(fā)展方向。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Application of ventilation on demand technology in léonore Gold Mine，Canada

Cao Long1，Yang Min2

（1.Changchun Gold Design Institute Co.，Ltd.; 2.Houghton Group Canada）

Abstract：With the continuous advancement of mining to the deep region，good mine ventilation technology is very important for improving the underground working environment and ensuring the safety and efficient mining of underground mines.Based on the engineering background of léonore Gold Mine in Canada，this paper adopted the technology of ventilation on demand and the intelligent regulation of mine ventilation network to realize the remote，automatic and closedloop control of ventilation structures such as main fan，local fan，air door and air window，which improves the utilization rate of air flow and effectively ensures the underground ventilation effect.The field experiment results show that? the ventilation volume and preheating thermal mass consumption in the winter can be reduced by 28.57 %，that the main fan power consumption can be reduced by 66 %，and that local fan power consumption can be reduced by over 90 % by using VOD technology.

Keywords：deep mining;ventilation technology;ventilation on demand;intelligent ventilation;ventilation system