二道沟金矿深井开采可控循环通风系统研究.pdf

中图分类号婴Z 2 Z U D C 硕士学位论文 学校代码 Q 三曼 密级 公珏． 二道沟金矿深井开采可控循环通风系统研究 C o n t r o l l a b l eC i r c u l a t o r yV e n t i l a t i o nS y s t e mo f D e e pM i n i n g i nE r d a o g o uG o l dM i n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副导师 严鹏 采矿工程 矿井通风 资源与安全工程学院 赵国彦教授 韦华南研究员 论文答辩日期答辩委员 中南大学 2 0 13 年9 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 储躲骓吼业年虫三日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名歪赶煎红 日期华年坳三日 导师签凶耋 日期 万方数据 硕士学位论文摘要 摘要 随着经济社会发展与矿产资源需求的增长，深井开采矿山越来越 多，尤其是黄金矿山。夹皮沟二道沟金矿作为我国开采历史最久的黄 金矿山之一，其开采深度己达1 3 0 0m 。受地热影响，井下气温高达 3 0 “ - 3 2 ℃，已经严重影响工人健康，导致矿山安全事故增多并造成 工人劳动生产率降低。本文针对二道沟金矿深井开采热害问题，采用 通风网络计算机仿真模拟、可控循环通风与空气净化技术、新型多级 机站通风系统等方法，将井下气温降至2 8 ℃安全标准以下，取得了 明显的增风降温、节能降耗作用。具体研究内容和成果如下 1 以二道沟金矿通风系统研究和井下热环境调查研究为基础， 综合国内外矿井通风新理论、新方法和新技术，提出了一种新型的 “多级机站可控循环通风系统”技术。 2 采用先进的V e n t s i m 通风软件，对矿井通风网络进行三维 仿真模拟，对井下风流场、温度场及多级机站通风系统进行解算与优 化，确定出最优的“多级机站可控循环通风系统”方案具有通风网络 简单，风机布局合理，机械功率最少的优点。 3 利用可控循环通风与空气净化联用技术，将部分污风净化 处理后混入新鲜风流进行循环利用，解决了二道沟金矿边缘地带1 2 号矿脉开采通风困难的问题。并可用于改善矿山深部开采中局部地热 高温地点。 4 将“多级机站可控循环通风系统”用于二道沟金矿，取得 了很好的经济和社会效益，一方面改善了深井开采气候环境，工人劳 动生产率提高，井下安全事故减少；另一方面，矿山通风系统得到优 化，井下通风设备减少，扇风机运转效率提高，通风能耗和通风管理 成本大幅下降。 关键词多级机站；可控循环通风；仿真模拟；通风降温；深井开采； 高温热害 万方数据 硕士学位论文 A B S T R A C T A BS T R A C T 黝d e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t ya n dt h eg r o w t ho ft h e d e m a n df o rm i n e r a lr e s o u r c e s ，t h eq u a n t i t yo fd e e pm i n e si sg r a d u a l l y i n c r e a s i n ge s p e c i a l l yi ng o l dm i n e s ．E r d a o g o ug o l dm i n ea t t a t c h i n gt o J i a p i g o um i n i n gc o m p a n i e sh a sr e a c h e d130 0m i nm i n i n gd e p t ha so n e o ft h eo l d e s tu n d e r g r o u n dm i n i n gg o l dm i n e si nC h i n a ．T h et e m p e r a t u r e h a sr e a c h e d3 O ～32 ℃ i nu n d e r g r o u n dt h e r m a le n v i r o n m e n t ，a n dt h e h e a l t ho fw o r k e r sh a sb el a r g e l ya f f e c t e d ，r e s u l t i n gi ns e c u r i t yi n c i d e n t s i n c r e a s i n ga n dl o w e rl a b o rp r o d u c t i v i t y ．A i m i n g a tt h ed e e p m i n i n g t h e r m a ld a m a g eo fE r d a o g o ug o l dm i n ei nt h ep a p e r , t h r o u g hc o m p u t e r s i m u l a t i o no fv e n t i l a t i o nn e t w o r k ，c o n t r o l l a b l ec i r c u l a t o r yv e n t i l a t i o na n d a i r p u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , v e n t i l a t i o ns y s t e mo fm u l t i l e v e l m a c h i n e s t a t i o n ，t h eu n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r e h a sl o w e r e dt ob e l o w2 8 ℃ a c c o r d i n g 孵油s a f e t ys t a n d a r d 。砀Ps p e c i f i c c o n t e n ta n dr e s u l t sa r ea s f o l l o w s 1 O nt h eb a s i so fv e n t i l a t i o ns y s t e ma n du n d e r g r o u n dt h e r m a l e n v i r o n m e n tr e s e a r c hi nE r d a o g o ug o l dm i n e ，a n dl e a r n i n gf r o mn e w t h e o r y , n e wm e t h o d sa n dn e wt e c h n o l o g yo fv e n t i l a t i o ni nd o m e s t i ca n d i n t e m a t i o n a lm i n e ．an e w m u l t i ．s t a g ef a ns t a t i o na n dc o n t r o l l a b l e c i r c u l a t o r yv e n t i l a t i o ns y s t e m t e c h n o l o g yi sp r o p o s e d ． 2 n l e3 Ds i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na b o u tu n d e r g r o u n da i rf l o wf i e l d i Sp r o c e s s e db yt h ea d v a n c e dv e n t i l a t i o ns o f t w a r en a m e dV e n t s i m ，t h e n t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，a i rf l o wf i e l da n dm u l t i - s t a g ef a ns t a t i o na r e c a l c u l a t e da n do p t i m i z e d ，f i n a l l yt h ef u r t h e r l ys i m p l i f i e dv e n t i l a t i o n n e t w o r k ，m o r er e a s o n a b l ef a nl a y o u ta n dt h em i n i m u mm e c h a n i c a lp o w e r a r ea c h i e v e d ． 3 C o m b i n i n g 晰t 1 1t e c h n o l o g y o fc o n t r o l l a b l e c i r c u l a t o r y v e n t i l a t i o na n da i rp u r i f i c a t i o n ，t h ep o l l u t e da i ra f t e rp u r i f i c a t i o nt r e a t m e n t c o u l db em i x e di nf r e s hr e c y c l i n g ，t h ev e n t i l a t i o nd i f f i c u l tp r o b l e mo f12 ’。f r i n j z } fE r d a o g o u ‘‘’ ‘s o l v e d ．t h et e c h n o l oouldveinm t n n g ea r e aO tE r a a o g o ug o I Om i n eI SS O l V e a t i l et e c n n o l o g yC O U l l l ， b ea p p l i e dt oi m p r o v et h e r m a le n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so fl o c a la r e ai n t h ed e e pm i n i n go ff u t u r e ． Ⅱ 万方数据 硕士学位论文 A B S T R A C T f 4 T h ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t si S r e f l e c t e do b v i o u s l yi n E r d a o g o ug o l dm i n e sf o rt h ea p p l i c a t i o no f m u l t i - s t a g ef a ns t a t i o na n d c o n t r o l l a b l ec i r c u l a t o r yv e n t i l a t i o ns y s t e m ”t e c h n o l o g y ．O no n eh a n d ，d u e t oi m p r o v ec l i m a t ec o n d i t i o n so fd e e pm i n i n g ，t h el a b o rp r o d u c t i v i t yi s a d v a n c e da n ds e c u r i t yi n c i d e n t sa r er e d u c e d ；o nt h eo t h e rh a n d ，d u et o r e d u c et h ea m o u n to fu n d e r g r o u n dv e n t i l a t i o ne q u i p } m e r i tb e c a u s eo f o p t i m i z a t i o no ft h ev e n t i l a t i o ns y s t e ma n di m p r o v ef a no p e r a t i o n e m c i e n c y , f a no p e r a t i o ne f f i c i e n c yi Si m p r o v e d ，t h ec o s to fv e n t i l a t i o n e n e r g yc o n s u m p t i o n a n dm a n a g e m e n tl Sr e d u c e db yal a r g em a r g i n K e y w o r d s M u l t i s t a g ef a ns t a t i o n sv e n t i l a t i o n ；C o n t r o l l a b l ec i r c u l a t o r y v e n t i l a t i o n ；V e n t i l a t i o ns i m u l a t i o n ； C o o l i n gb yv e n t i l a t i o n ；D e e p m i n i n g ；H e a th a r m I I I 万方数据 硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 课题的提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．4 课题研究的目标和原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．5 课题研究的内容、方法和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 第二章矿井原通风系统调查研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 ．1 自然地理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．2 矿山地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．3 矿山生产⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 矿井通风系统测量方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 测风路线的选择及测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．2 风量测量方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 ．3 风压估测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．2 ．4 通风测量准备工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．2 ．5 通风参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 2 ．3 矿井通风系统实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 原通风系统计算机模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．4 ．1 通风网路模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．19 2 ．4 ．2 扇风机工况模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．5 矿井原通风系统状况评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 第三章矿井热环境调查研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 矿井高温的危害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 矿井热源分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．2 ．1 矿内空气自压缩放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．2 ．2 围岩与井下空气的热交换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．3 井下微气候环境调查与测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 原岩温度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 I V 万方数据 硕士学位论文 目录 3 ．4 ．1 岩温测定方法的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．4 ．2 岩温测定工作实施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 3 ．4 ．3 岩温测定结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ．5 矿井通风系统热模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 第四章通风系统试验方案选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1 矿井通风系统方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1 ．1 矿井通风系统优化策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 4 ．1 ．2 多级机站通风⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．1 ．3 可控循环通风⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．1 ．4 空气净化技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．2 单进风口多级机站循环通风系统方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 ．1 机站布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．2 ．2 循环风流⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．2 ．3 风量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．2 ．4 风压计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．2 ．5 阻力评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．2 ．6 风机分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．2 ．7 热环境模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．3 多进风口多级机站循环通风系统方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 ．1 风机分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．3 ．2 热环境模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．4 通风系统方案的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 第五章多级机站可控循环通风系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．1 新通风系统实施及运行⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．2 通风专用高天井吊罐法施工技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．2 ．1 通风专用高天井的施工方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．2 ．2 施工方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．2 ．3 安全措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．2 ．4 主要技术经济指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．3 新通风系统运行情况实测与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．3 ．1 通风测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．3 ．2 可控循环通风与空气净化联用技术试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 V 万方数据 硕士学位论文目录 5 ．3 ．3 多级机站布置的几点要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 9 5 ．3 ．4 多级机站可控循环通风系统阻力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。．6 0 5 ．4 多级机站可控循环通风系统长期效果研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 第六章多级机站可控循环通风系统可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．1 多级机站可控循环通风系统可靠性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．1 ．1 矿井通风系统的可靠性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 0 6 ．1 ．2 可靠性事件树分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 6 ．1 ．3 定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 6 ．2 多级机站可控循环通风系统可靠性描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 第七章研究结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 7 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 7 ．2 主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 7 ．3 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 攻读学位期间的主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 V 1 万方数据 硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 引言 第一章绪论 近十年，我国制造业发展迅速，国内G D P 生产总值跃居世界前列，工业和 经济的快速发展带动了矿产资源的加速需求，越来越多的矿山企业已经或即将进 入深井开采。相对传统的浅井回采而言，由于开采深度增加，采矿难度显著增大， 普遍会遇到冲击地压、岩爆等岩体力学问题，以及水文地质条件恶化、井下高温 和有毒有害气体超标等环境控锘UZ ．- J 题【l ，2 】。此外，深部开采中的矿石提升、运输， 井下供水、供风 压风 、排水等等，都与浅部开采的传统矿山存在显著差别。 深井开采中，尤为突出的一个问题是井下热环境恶化。矿井热环境包含温度、 湿度、风速和热辐射四个要素，当这几个参数匹配不当，严重影响人体散热时， 便会产生井下开采热害。随着井下开采深度的加深，由于地热、空气压缩、机械 设备做功等放热作用加剧，井下温度不断攀升，高温矿井的数量和危害范围日益 扩大【3 】。国外矿业发达国家，很早就进入了深井开采并遇到高温问题，印度、巴 西的金属矿山开采深度有超过2 0 0 0m 的，而南非的黄金矿山己进入地下4 0 0 0m 开采阶段。随着我国矿业的迅速发展，很多金属矿山已进入深井开采，黄金矿山 中采深超过1 0 0 0m 的矿山逐年增加。据近年来的统计资料，有数十家矿山井下 采掘作业面风流温度超过3 0 ℃，出现高温问题的矿山已有近2 0 0 座【4 ，5 | 。因此可 以推测，矿井热害问题将持续扩大。 研究表明，良好的矿井通风系统能稀释并排除回采工作面有害气体的8 0 ％～ 9 0 ％；稀释并排除回采工作面粉尘尤其是微细粉尘量的7 0 ％～8 0 ％；排除深井回 采作业面热量的6 0 ％, - - ．, 7 0 ％1 6 1 。采用通风降温治理深井热害，具有投资运营成本 低、管理方便和降温效果好等优点。有专家认为，未来矿山的极限开采深度将取 决于矿井通风降温技术和装备的发展水平。 矿井通风系统是井下通风网络、通风动力和通风控制设施等工程体系的总 称，作用是利用自然或机械风压，向作业面供给新鲜空气，排出污浊空气。为确 保生产安全，矿井必须建立完善、合理的通风系统。 深井通风呈现出复杂性和动态性，同时还需确保通风系统的有效性，这样才 能使所建立的通风系统发挥作用。深井通风系统的复杂性是与生俱来的，深井开 采的通风线路长，作业地点多且分布广泛，通风网路线路和节点多，通风降温难 度大。深井开采恶劣的地质条件也常常会影响到通风系统相关工程的摆布和施 万方数据 硕士学位论文第一章绪论 工，许多不利条件使深井开采的通风系统更加复杂。随着采矿生产的进行，矿井 通风系统也将不断发生变化，采掘工作面数量和位置的变化使得通风系统又呈现 出动态性的特点。矿井通风系统的有效性，则是建立矿井通风系统的根本目的， 有效性是指通风系统运行中实现通风目标的有效程度，目的是为安全生产提供保 障，合理有效的通风系统还能够提高工人劳动生产率，降低采矿生产成本。 与浅井通风相比，深井通风还体现出以下特点【7 J 1 浅井开采的通风成本费用约占开采总成本的8 ％，而深井开采通风与降 温费用占采矿总成本的比例可高达2 0 ％以上。 2 由于空气自身位能的影响，深井通风每垂直延深1 0 0m ，风流干球温 度增加约1 ℃。 3 空气在标准大气压 1 0 1 ．3 2 5K P a 、空气温度0 ℃时的密度是1 ．2k g ／m 3 ， 随着矿井深度的增加，空气由于被压缩而密度增加，其变化可达2 0 ％ - - 3 0 ％，空 气柱的自重压力也同时增大。 4 实验证明，干燥的环境有利于散热，而深井开采由于地质条件复杂和 矿井涌水增大，生产矿井不易保持干燥。 总之，深井开采通风较浅井通风的复杂之处，一是通风系统结构复杂而导致 通风难度更大；二是深井开采的井下微气候参数随开采深度增加发生了很大的变 化，较高的空气温度和湿度使深井通风降温的效果变差。因此，采取有效措施优 化矿井通风系统，创造适宜的井下微气候环境，解决深井开采通风和降温问题， 对矿山安全生产和深部资源合理开发具有重要的现实意义。 1 ．2 课题的提出及研究意义 我国金属矿山开采深度6 0 0 “ - - 2 0 0 0m 为深井开采【8 】。随着工业和经济的快速 发展，带动了矿产资源的加速需求，越来越多的矿山企业已经或即将进入深井开 采。其中，开采深度超过6 0 0m 的黄金矿山数量很大。中国黄金集团夹皮沟矿业 公司二道沟金矿作为国内开采历史最为悠久的黄金矿山之一，其井下开采深度已 经超过1 3 0 0m ，在采矿生产中遇到了诸多深井开采较为常见的问题。其中，二 道沟金矿的深井开采热环境恶化问题尤为显著，井下多处作业地点空气温度超过 3 0 ℃。与之前的浅井开采相比，该矿持续加重的高温热害已经威胁到工人的健 康。据现场了解，由于作业环境恶劣、工人注意力下降而引发的安全事故呈上升 趋势，工人劳动生产效率也逐年降低。如何治理高温热害，已成为该矿安全高效 开采和持续健康发展的关键性问题。 据资料研究，开采深度小于1 6 0 0m 的金属矿山，解决矿井热害经济有效的 手段仍然是通风降温。深井开采通风较浅井通风的复杂之处，一是通风系统结构 万方数据 硕士学位论文 第一章绪论 复杂而导致通风难度更大；二是深井开采的井下微气候参数随开采深度增加发生 了很大的变化，较高的空气温度和湿度使深井通风降温的效果变差。因此，高温 矿井降温技术研究的当务之急是总结已有经验，应用先进的仪器设备和技术手段 优化通风系统，降低井下空气温度，营造一个安全、健康、舒适的工作环境，这 对矿山安全生产和深部资源合理开发具有重要而迫切的现实意义。 1 ．3 国内外研究现状 深井开采通风与降温技术一直是国内外采矿研究的热点之一。近年来，国内 外有大量关于这方面的研究，也取得了一定的成果，概括起来，主要集中在多风 机多级机站、可控循环通风技术、矿井热环境分析等方面的研究。 1 多风机多级机站研究现状 瑞典基律纳铁矿于2 0 世纪7 0 年代初提出多风机多级机站通风系统，目前这 项通风技术不断完善，已在我国金川、程潮、桦树沟、北铭河、弓长岭等各类矿 山得到应用【9 - 1 。在“十五“ 期间，多风机多级机站通风技术因其显著的社会和 经济效益，被纳入冶金行业重点推进的4 0 项技术之一。 多级机站通风系统具有网路优化、系统可控、均压通风和分区通风与节能等 多种特点，一套完整的多级机站通风系统通常包括4 级机站【1 2 J I 级机站为压入式机站，设置于系统的进风段，为新鲜风流加压。 I I 级机站是作业区供风的主要风机，起引导井下作业区风流和通风压力 接力的作用。 ⅡI 级机站在采区的回风段，采用抽出式风机将采区的污浊空气排出。 Ⅳ级机站将各采区排出的污风排至地表，是通风系统的总回风机站。具 有防止风流在回风系统中无序流动的作用。 2 可控循环通风技术研究现状 可控循环通风的实质是将一部分回风风流引入进风道与新鲜风流混合后循 环使用，目的是解决井下用风段风量不足和气温较高的问题。英国锡汉矿在1 9 7 1 年首先在超前回采作业面的入、回风巷中进行了循环通风技术试验并获得了成 功。之后，美国、加拿大和南非等国家也对该技术进行了理论和试验研究，研究 结果表明，可控循环通风是切实可行的一种新型通风技术方法。可控循环通风能 够降低矿井总需风量，因而降低了系统运营成本，由于通风系统本身的可控性与 灵活性，对解决矿井局部通风困难作业面的通风问题也是行之有效的。在采用制 冷降温的矿山，可控循环通风系统还能够提高冷空气的利用效率。同理，在寒冷 地区需要对新鲜入风流进行加热的矿山，可循环利用入风中的热量，从而降低了 能耗【1 3 l6 1 。 万方数据 硕士学位论文 第一章绪论 3 矿井热环境研究现状 对深井开采高温现象进行描述的文献最早出现在1 6 世纪，而法国在1 7 4 0 年 就结合矿井生产需求进行了金属矿井地温观测【1 7 】。之后，英国就针对不同深度的 巷道温度进行了系统的观测，发现了矿井地温随开采深度增加而逐渐升高的现 象。 对矿井岩温的观测和研究在进入2 0 世纪后积累了大量的数据资料，出现了 很多治理矿井热害的有效技术方法。巴西有金矿首次在井下应用了空调器，西德 有学者根据围岩温度场的周期性变化，提出了围岩调热概念【l8 1 ，南非的B i c c a n d J a p p e 发表的“深井风温预测”论文，提出了风温计算的基本思路【l9 1 。2 0 世纪 5 0 年代，乌克兰的克列姆涅夫和谢尔班等人提出了较完整的矿内风流热力计算 方法【20 1 。到7 0 年代，日本的平松良雄等人也提出了围岩与风流不稳定传热的近 似计算公式【2 1 1 。进入8 0 年代，各国的研究方向侧重于对关键系数的观测与统计， 例如风流与围岩间的不稳定热交换系数、当量热导率、热湿比以及湿度系数等。 同期，南非开始在一些金矿中采用冰冷却系统降低井下温度。南非的东兰德矿山 控股公司于1 9 8 5 年首先在梅里普鲁特一号井建立了冷却系统，冷却功率2 9M W ， 开拓了一条新的深井降温途径。 由于我国采矿业进入深井开采的时间较晚，矿井降温研究工作在2 0 世纪8 0 年代开始起步。当时，开滦矿务局与中国科学院地质研究所合作开展了地温观测 工作，调查地温对开平盆地深部煤炭资源开发的影响瞄】。8 0 年代后期，国内研 究人员发表了一些代表性论文，包括“矿井风流的热交换”、“矿井风温预测的统 计研究讨论”、“矿井风温预测的探讨”等，另外还出版有一些专著【2 3 之5 1 。对高温 高湿极端环境下人体热耐受力指标也有相关研究，影响较广的是有效温度法 E f f e c t i v eT e m p e r a t u r e 和湿球黑球温度指数法 W ．e tB u l bG l o b eT e m p e r a t u r e 。 这些经验指标更加科学地考虑了风速、温度和湿度等热环境参数的综合影响，测 量方法也简便易行【2 6 1 。 我国从2 0 世纪6 0 年代开始采用空调制冷降温【2 7 。2 9 】；之后相继在一些矿山建 立了矿井局部制冷降温系统、井下集中制冷空调系统、地面集中制冷降温系统和 冰冷却降温系统。 近年通风降温领域比较引人注目的科研成果有“徐州矿务局三河尖煤矿地温 异常形成机理研究及深部地温预测”和“湘西金矿深井通风系统优化及降温技术 研究”两个项目，前者采用有限单元法对延深水平岩石温度和煤层底板温度进行 预测，从热传导角度总结了井田地温异常机理，为该矿全局矿井的热害治理提供 了技术方法和依据【3 0 , 3 1 ] ；后者为国家“九五”重点科技攻关项目，提出了深井子 域新型通风方法，在矿山的应用中取得了显著的通风降温效果。 4 万方数据 硕士学位论文第一章绪论 1 ．4 课题研究的目标和原则 课题研究的总体目标为适应中国黄金集团公司的发展需求，针对二道沟金 矿矿井通风系统不合理、漏风量大、污风循环、高温热害严重的现状，考虑到该 矿进一步向深部开采将会出现的更加严峻的高温热害问题，通过矿井通风系统优 化，实现矿井通风系统整体的增风降温，改善井下作业环境，保障工人的身心健 康，提高工人劳动生产效率，并期望为其它矿山解决深井开采降温问题提供借鉴。 针对二道沟金矿深井开采通风降温技术的研究，将按照求实、先进、效益的 原则，根据矿山矿体赋存特点及生产的实际需要，遵循矿山安全生产规律，以技 术创新为导向，应用科学的研究方法，采用先进适用的矿井通风技术，提高通风 系统的可靠性、稳定性、运行质量和效益，促进矿山安全生产与健康发展。 1 以金属非金属矿山安全规程为指导，项目实施的结果符合有关矿 山安全生产的法律、规范的规定。 2 充分利用矿山现有条件、设备以及井巷工程，尽可能节省系统的投资 及运行费用，建立符合矿山开采特点的矿井通风系统。 3 运用计算机数值仿真模拟技术模拟通风系统的风流场和温度场，对系 统决策进行指导，保证项目研究成果的先进性。 4 合理选用通风设备和布设各种通风控制设施，注重节能技术的应用， 提高矿井有效风量率。 5 构建的新矿井通风系统及采用的通风技术具有较长时间的适应性，同 时建立相应的通风系统管理体系。 1 ．5 课题研究的内容、方法和技术路线 1 原矿井通风系统的测量与评价； 2 以井下热环境等基础研究成果为指导，运用计算机数值模拟等先进方 法优化通风系统和网路 3 对整个通风网路进行解算，合理分配风量； 4 各种通风构筑物如风门、风窗、密闭墙安设位置及相关技术的设计； 5 提出通风机调整控制技术方案； 6 项目实施后矿井通风效果指标 风量、风压、温度、空气质量等 的 检测与评价； 7 针对该矿向深部开采时的通风系统提出规划性意见。 矿井通风系统优化是从原通风系统运行现状调查分析开始到建立最优化矿 万方数据 硕士学位论文 第一章绪论 井通风系统的一系列工作的总称，具体工作步骤是矿井通风系统总体分析，通 风系统现状调查测定，拟定通风系统优化改造方案，各方案