矿山主通风井经济断面计算方法的研究.pdf

矿山主通风井经济断面计算方法的研究 崔士成 安玉坤 杨云成 孙富荣 内蒙古金厂沟梁金矿, 傲汉旗, 024327 摘 要 本文对矿山主通风井的经济断面从经济性上进行了较深入的研究, 提出了一种计算 主通风井经济断面最佳半径的新方法, 可供从事矿山通风设计及现场管理人员等阅 读参考。 关键词 主通风井 经济断面 最佳半径 矿山主通风井, 服务于矿山的整个生产 年限当中, 是风流出入的要道。通过风量 大, 风速高, 因此, 主风井断面大小对矿井通 风阻力及矿山经济效益有直接影响。 传统方法都是按 煤矿安全规程 、 冶 金矿山安全规程 限定的最高风速计算主风 井断面。实践证明, 按此法计算出来的主风 井断面多偏小, 使得通风阻力过大, 虽然基 建费低, 但通风动力费过高, 致使主风井的 基建费、 维修费和通风动力费之总和不是最 小的, 不能叫做经济断面。只有以上三项费 用总和最小时才能叫做经济断面, 也叫最佳 断面。由此可见, 研究出一种主通风井经济 断面的简便计算方法是有重大实际意义的。 1 影响主风井经济性可变因素 的分析 可变因素有 1 主要通风井的基建投资和维护费 用; 2 主要通风井在整个服务年限中由于 风井通风阻力引起的通风动力费。 对冶金矿山, 主风井的维护费一般比其 基建费、 通风动力费都低得多, 为了研究的 方便, 暂把它略去。如果一个风井的服务年 限、 深度、 通风量已知, 则该风井的基建费和 通风动力费将分别与风井断面半径存在某 种函数关系。 设风井基本建设费为 W 元 , 通风动 力费为 Y 元 , 风井的断面半径为 r m , 则 基建投资费和通风动力费与风井断面半径 的关系可分别表示为以下函数关系式 W f r 1 Y r 2 再设基建费和通风动力费的总和为 A, 则风井的费用总和则为 A f r r 3 当 3 式的一阶导数为零时, 变量 r 能 使 A 得到最小值。此时变量 r 所确定的风 井断面就是我们要确定的风井经济断面, 这 个半径就叫风井经济断面的半径, 也叫最佳 半径, 照它施工, 其基建费、 维修费和通风动 力费之总和最小。 2 求算风井断面最佳半径的方 程式 2. 1 确立风井基建费和断面半径的关系 风井的基建费可分为直接费用和辅助 费用两项, 这两项费用指标都可以用两种单 位造价指标表示出来, 即用风井下掘土石方 的单位造价 元/ m3 和砼筑壁的单位造价 元/ m3 表示。在风井设计中, 风井下掘的 58有 色 矿 冶 1999 年第 3 期 单位造价, 砼筑壁的单位造价均由国家定额 和地方差价获得。 设风井的深度为 L m , 下掘土石方的 单位平均造价为 元/ m3 , 砼筑壁的平均 单位造价为 元/ m3 , 砼筑壁厚度为 r m , 则基建费与风井净断面 过风断面 半 径 r 的函数关系式, 由式 1 可得 W r r 2∀ LB 2r r ∀ rL , 元 4 2. 2 风井通风动力费和与断面半径的关系 设通过风井风量为 Q m3/ s , 风井服务 年限为 T 年 , 年平均作业天数为 n 天 , 风机每天运转 24 h, 风机效率为 , 电耗单 价为 K 元/ 度 , 则风井电耗功率 N 为 N H Q 1000 kW 5 式中H ∀ 风井的通风阻力, 由 6 计算; H ∃ L P S 3Q2 Pa 6 P ∀ 风井净断面周边长度, m ; ∃∀ 风井摩擦阻力系数, NS2/ m4; S∀ 风井净断面, m2; L ∀ 风井深度, m; Q ∀ 通式风井的风量, m 3/ s。 风井通风动力费可由式 7 求算, 即 Y 24NnTK 元 7 式中符号意义同前。 将式 6 代入式 5 , 再将式 5 代入式 7 , 并经整理, 可得出风井通风动力费与风 井净断面半径的函数关系式为 Y 24NnTK 元 ∃ 6LnTK 125∀ 2 r 5 Q 3 元 8 2. 3 风井基建费和通风动力费总和与断面 半径的关系 将式 4 、 8 代入式 3 , 并经整理得 A L ∀ r 2 2L ∀ r 2L∀ r r L∀ r 2 L∀ r2 ∃6LnTK 125∀ 2r5Q 3 元 9 如果风井净断面半径和其他参数已经 确定, 则可由式 9 计算风井基建费、 维修费 和通风动力费之总和。 2. 4 求算风井断面最佳半径的方程式 式 9 是主通风井基建费和通风动力费 总和与风井净断面半径的函数关系式, 取得 函数的一阶导数, 并令其等于零, 经整理, 9 式可变为 2L∀ r 7 2L∀ r 2L∀ r r6- 30∃ LnTK 125∀ 2 Q 3 0元 10 10 式就是计算风井断面最佳半径的 方程式, 方程中除 r 为未知量外, 其他参数 均为已知量。在设计风井断面时, 将已知量 代入式 9 中, 解方程求出 r 值, r 值就是风 井断面最佳半径, 照此施工, 风井的基建费、 维修费与通风动力费之总和最小。 3 与最高风速确定法的比较 用本文介绍的方法解方程计算风井最 佳半径确定风井断面, 叫方程确定法; 用最 高允许风速确定风井断面, 叫最高风速确定 法。现用这两种方法, 分别计算同一设计风 井的断面和风井的基建费、 维修费和通风动 力费三项之总和, 三项费用总和最小的风井 断面应当被采用。 有一专用风井 中型 , 井深 L 200 m, 设计风量Q 78 m3/ s, 砼支护厚度 r 0. 3 m, 阻力系数 ∃ 0. 004 NS2/ m4, 服务年限 T 35 年, 风机在整个服务年限内的全效率 0. 75, 竖井下掘时的涌水量按中等程度考 虑 q 30 m3/ h, 岩石硬度中等 f 8 10, 电 价 K 0. 23 元/ 度, 根据 矿山井巷工程预 算定额 和 矿山井巷工程辅助费预算定额 查得竖井下掘的单位定额为 127. 26 元/ m3。筑壁的单位定额为 231. 28 元/ m3。 试设计该风井经济断面。 下转第 20 页 591999 年第 3 期 有 色 矿 冶 力学到块体力学。这种情况下, 其主要维护 方法亦采用锚杆。如西海坑 10 中段 981- 2 电耙道采用锚杆支护 如图 3 后, 电耙道落 块极少, 稳定性明显提高, 采场矿石得以完 全放出。 喷锚与金属网联合支护, 其应用于破碎 状和松散状围岩, 破坏类型为拱形冒落, 与 支架的关系为松脱压力, 地压计算的力学模 型为松散介质极限平衡问题。地压计算方 法为散体力学。 如果电耙巷道位于松软类围岩, 破坏类 型属膨胀, 与支架关系属挤压力, 力学模型 为弹塑性板内孔附近的应力, 计算方法为弹 塑性力学, 主要维护方法应采用新奥法。 5 总 结 底部结构在生产实际中使用的种类很 多, 矿体地质条件又复杂多变。因此, 针对 矿山的具体条件, 选择合理的底部结构, 是 采矿方法设计的关键内容之一。 漏斗式受矿巷道的底部结构出现最早, 使用最广; 它施工方便, 效率高, 节省材料、 作业安全。但其结构强度较低, 电耙道稳定 性较差。因此, 如何维护电耙道, 增加电耙 道的稳定性, 寻求提高电耙道稳定的途径, 已是采矿工作者必须研究的重要课题之一。 上接第 59 页 3. 1 用最高风速确定法设计 规程规定风井的最高允许风速 V 15 m/ s, 则其断面 S Q/ V 78/ 15 5. 2 m2, 风井的净断面半径为 rS/ ∀ 5. 2 3. 14 1. 29 m。 将 r 1. 29 m 及已知其他参数分别代 入式 4 、 8 、 9 中, 可算得基建费 W、 通 风动力费 Y 及基建费与通风动力费之总和 A 分别为 W 32. 65 万元, Y 181. 41 万元, A 214. 06 万元。 3. 2 用方程确定法设计 将设计风井的已知参数代入式 10 中, 以整理得 159 838. 56 r7 135 097. 872r6 - 32 090 325. 75 0 11 用拉弦法解方程式 11 , 可得风井最佳 半径 r 2. 03 m。 将已知数代入式 4 、 8 、 9 中, 分别 计算可得 W 62. 29 万元, Y 18. 71 万元, A 81. 00 万元。 由上面计算结果可见, 用方程法设计的 风井, 断面大, 其基建费比用最高风速法设 计的风井多投资 29. 64 万元, 但通风动力费 少投资 162. 70 万元, 基建费和通风费之总 和少投资 133. 06 万元。因此, 用方程确定 法计算出来的风井断面是经济断面。 4 结 语 1 最高允许风速确定风井断面法, 只 从合理性上考虑风井断面是否能够满足风 速极限的要求, 而未考虑其经济性。所以用 此法设计的风井, 各种费用的总和偏高。 2 方程确定法是在最经济的前提下建 立的方程, 它考虑了影响风井费用的诸因 素, 所以用此法设计风井, 其经济性最好。 3 在设计风井断面时, 应综合分析其 经济性、 合理性和施工技术上的可能性, 使 各种费用的总和为最小。 20有 色 矿 冶 1999 年第 3 期