矿井通风技术及通风系统优化设计探讨.pdf

2 0 0 8 年 1 2月 第 3 7卷第 6期 中 国矿 山工 程 Ch i n a Mi n e En g i n e e r i n g De e ． ， 2 0 08 V0 L 37 NO． 6 矿井通风技术及通风系统优化设计探讨 Mi n e v e n t i l a t i n g t e c h n i q u e a n d t h e d i s c us s i o n o f v e n t i l a t i n g s y s t e m o p t i mu m d e s i g n 文 永胜 昆 明 理 工 大 学 国 土 资 源 工 程 学 院， 云 南 昆 明6 5 0 0 9 3 摘 要 介绍 了古代通风史， 同时介 绍了矿井通风技术的新发展， 最后重点分析 了今 后矿 井通风 的难点 以及矿井通风 系统优化设 计 的 发展 方 向 。 关 键 词 矿 井 通风 ； 新 发展 ； 优 化设 计 ； 发 展 方 向 Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e d v e n t i l a t i n g h i s t o r y o f a n c i e n t t i me s a n d t h e n e w d e v e l o p me n t o f mi n e v e n t i l a t i n g t e c h n i q u e ． F i n a l l y ， t h e d i f f i c u l t p r o b l e m o f mi n e v e n t i l a t i o n i n t h e f u t u r e a n d d e v e l o p i n g d i r e c t i o n o f mi n e v e n t i l a t i n g s y s t e m o p t i mu m d e s i g n w e r e a n a l y s e d ． Ke y wo r d s mi n e v e n t i l a t i o n ； n e w d e v e l o p me n t ； o p t i mu m d e s i g n ； d e v e l o p i n g d i r e c t i o n 1 古代通风史 1 ． 1 古希腊 和欧洲 的矿 井通风 史 在地 下巷道 中观察 空气 流动 具有悠 久 的历史 。公元 前 4 0 0 0 ～ 1 2 0 0年 ， 欧洲采矿古人挖掘巷道到白垩矿床中 寻找打火石可能就有了观察空气流动的体会。戈拉弗斯 G r i me s G r a v e s 在 南 英格 兰 的考 古 调 查 表 明 ， 早 期 采 打火石的矿工是在作业面烧木材 ， 通过热胀冷缩破碎岩 石 ， 这样一来 ． 那些新石器时代 的采矿古人很容易就会 观察 到 火引起 空气 流动 。实 际上 ， 火 引起 空气 流动 的作 用被古希腊人 、 古罗马人和 中古欧洲人 以及在英国工业 革命时期多次再发现。 希 腊劳 临 L a u r i u m 银矿 古采矿 始 于公 元前 6 0 0年 ， 从 古矿 布 局 发 现古 希 腊 采矿 人 已经 知道 采 矿 需要 通 风 风路 ． 每 个采 矿 点 至 少要 两 条 风路 ， 有迹 象 表 明 一个 挖 好 的井 被 分 隔成 两 半 ， 一 半 用 于进 风 ， 另一 半 用 于 回风 到地 表 。古罗 马帝 国时 代 的地 下矿 通 常有 两个 井筒 ， 朴 里尼 P l i n y 公元 2 3 ～ 7 9年 曾描述奴隶们使用棕榈 叶 引风 到巷道 中的场景 。 尽管在欧洲金属矿古采矿始于公元 1 5 0 0年， 但仍然 没有留下多少当时记录采矿的文献 。阿格里科拉是 中欧 波希米亚 B o h e m i a 铁矿开采 和冶炼领域的物理学家 ， 他 用拉 丁 文撰 写 了第 一部 涉 及采 矿 的 巨著 D e R e Me t a l l i c a 矿冶全书 。 该书出版于 1 5 5 6年， 对矿井通 风有细致 的描述 ， 通风方法包括 将地面风流引入井 口 的引风装置 、 用人和马驱动木制离心式风机 、 用于辅助 通风的风箱和风门。阿格里科拉也知道 了矿井有害气体 的危险， 井下空气的氧含量会减少。该书描述到 “ 矿工 有时被呼吸的有害气体毒死了” ， 这种“ 有害气体 ” 是 甲烷 第6 期 文 永 胜 矿井通风技术及通风系统优化设计探讨 ‘3 1 和空气的混合物， 具有爆炸危险。阿格里科拉 的 矿 冶全书在 1 9 1 2年 由毕业于美 国斯坦福大学的青 年采矿工程师胡弗 H e r b e r t C ． Ho o v e r 和他 的妻子 缪 L o u 翻译成 为英 文 。 从 1 7世 纪 以来， 英 国皇 家协 会发 表 了许 多关 于 矿井内爆炸和有毒有害气体性质的论文。工业革命 对煤 的需求迅速增长 ， 在 1 8 ～ l 9世纪 ， 许多煤矿井 的状况是十分恐怖 的，矿井通风单纯靠 自然通风 ， 在地表和井下的空气温度接近的情况下 ， 风流就处 于不 流 动状 态 。在 那个 时 代 ， 最早 的通 风 炉是 建 在 地表 ． 后来很快发现到将燃烧的煤盛于铁丝做成的 篮子 中并将其 吊在 回风井 中，对改善通风非常有 效 ， 而且 ， 篮子 放得 越 下 ， 通风 效 果越 好 。 这一 发 现 很快 就应用 于 回风井 底炉 的构筑 。 在 1 8世纪 早期 以前 ， 井下 的 照 明的唯 一途 径 是 用蜡烛 ， 蜡烛 明火 引起 了无 数 次 瓦斯爆 炸 ， 尽管 当时 人们知道瓦斯 的危害和蜡烛是 引起 瓦斯爆炸 的原 因 ， 但 预 防 瓦 斯爆 炸 的手 段 非 常 有 限 ， 处 理 瓦斯 的 普遍方法是在每班下井前， 派一个“ 点火人 ” 穿着预 先用 水 泡 湿 的棉 袄 ， 手 里 拿 着 一 长 棍 ， 棍 子 的一 头 梆着点燃 的蜡烛 ， 他下井 的任务是在其他矿工下井 前先点燃采煤工作面积聚的瓦斯 ， 使之后短时间内 不会再出现瓦斯爆炸事故。 英 格 兰 北 部 有 一 位 采 矿 工 程 师 布 得 勒 J o h n B u d d l e ． 1 7 7 3 1 8 4 3 在预 防瓦斯爆 炸方面做 了两个 重 要 的改进 ． 首先 ， 通过引入“ 盲管” 给 回风井 的炉子 底部提供足够的新空气 ， 含有瓦斯 的污风绕过炉子 被排出地表。从炉子出来的燃烧气体进入 回风井 ， 由于温度不高不至于点燃瓦斯 ， 但此时在 回风井中 仍然有 良好 的“ 烟囱效应” 即自然通风作用 。布得 勒 的 第 二 个 发 明是 “ 盘 区 即 分 支 通 风 ” 在 那 以 前 ， 风流一个接一个 地串联流人工作面 ， 瓦斯 的浓 度不 断地 增大 ， 布得 勒将 采 区划分 为若 干 独立 的 盘 区 。 他发 现 如果 每个 盘 区分 别有 一 个 进 风道 和 回风 道 ， 通 风 效果 显 著改 善且 瓦 斯 的浓 度 大 幅下 降 。他 的偶 然 发 现 几 乎 类 似 于得 出并 联 风 路 布 置 比 串联 风路优越的原理。几十年后， 阿金森 J o h n J o b A t k i n s o n 的理论分析才从数学上证明了上述原理。 在 1 8世纪。 人t f J x , 矿井的安全照明方法开展 了 探索 ， 当时一些科学家提出了许多建议 ， 例如 ， 应用 很 细 的蜡 烛 。在 1 7 3 3年 ， 斯皮 丁 C a r l i s l e S p e d d i n g 发明了一种用铁沙轮打磨打火石的装置 ， 将该装置 挂在一个童工的胸前 ， 通过用手转动铁沙轮磨擦打 火石连续发光 ， 为井下提供照明。该装置虽然 比蜡 烛较为安全 ， 但它的发光很差 ， 而且仍然能够引爆 瓦斯 。 1 8 1 2年 ， 在福 林 F e l l i n g 矿发 生 一 次 瓦斯 爆 炸 矿难 ． 9 2名矿工死亡。 当时由地方牧师的帮助， 成立 了一个预防该类矿难的协会 ， 并与当时的英 国皇家 协会的主席戴维 H u mp h r e y D a v y 接触试 图开发安 全 矿灯 ． 戴 维 访 问 了布得 勒 并 了解 了一些 矿 井 的情 况 ． 由于 当 时还 没 有 发 明 电 ， 他 的研 究 仅 限 于火 焰 灯 的 结构 。经 过 短 时 间的 实验 ， 他 发 现燃 烧 瓦斯 的 火 焰 不能 迅速 的通过 编 织 的铁 丝笼 ， 从 而发 明 了戴 维 矿灯 。这种 灯 由铁 丝 笼 中 的火焰 发 光 ， 由于在 铁 丝 笼 中 的瓦 斯 完 全 燃 烧 ，然 而火 焰 不 会 穿 过 铁 丝 笼 ， 这 样 就不 会 点燃 周 围 的瓦斯 。戴 维矿 灯 当时被 用于英格兰的矿井之后 ， 迅速推广到其它国家。然 而 ． 由 于缺 乏 有 效 的立 法 ， 尽管 已 经有 了较 安 全 的 照明方法 ． 在 1 9世纪 ， 蜡烛仍然广泛地被用于井下 的照 明 。 在俄罗斯 ，有一伟大学者 M． B ．罗莫诺索夫在 1 7 4 5年向俄罗斯科学院提出了一篇题为 关于空气 在矿井 内的 自由流动 论文 ， 第一 次把空气在矿井 内的自然流动的性质与规律加以说明。罗莫诺索夫 成 为俄 罗斯 矿井通 风 理论 的奠基 者 。 最 经典 的矿 井 通 风 论 文 也 许 应 属 北 英 格 兰 采 矿 工 程师 协会 ， 阿金 森 于 1 8 5 4年 1 2月 发表 的题 为 “ 关 于矿 井通 风 的理 论 ” 的论 文 。阿 金 森是 采 矿经 理 ． 后来他成为第一批矿井安全监察员。阿金森的 数 学 和语 言 良好 ， 他 受法 国水 利工 程 师早 期 著 作很 大 影 响 ， 他 撰 写 的 一 篇 长 达 1 5 4页 的论 文 中 ， 阿金 森提 出的通风理论在现代矿井 通风设计 中仍然作 为基 础 。阿金森论 文 的详 细数学 分析 推导 对于 当时 的工程师来说过于复杂 ， 以至他的论 文被封存在档 案馆 里 ． 直 到 他死 后 大约 6 0年 ， 该论 文 才 重新 被 发 现并 应用 于实 践 中。 在 阿 金 森 时 代 ， 随着 蒸 汽 机 的发 明 ， 第 一 台动 力驱 动 的通 风 机 出现 ， 风 机从 活 塞式 或 气 缸式 改 成 了离心式。到 1 9 世纪末 ， 矿井的作业条件开始有了 法规控制， 井下作业人员必须具备一定的资格 ， 当时 矿井经理资格考核主要集中在通风的题 目上。 到 2 0世纪 2 0年代 ， 矿井通风在一些 国家得到 加速研究 ， 通过使用改进 的仪器 ， 可以对矿井风流 、 压力开展有组织的测量 ，以便用 于矿井通风设计。 阿金 森 的理论 在实 践 中得到 验证 。1 9 3 0年第一 台轴 3 2 中国矿山工 程 2 0 0 8 年 第 3 7 卷 流式 风机应 用 于矿井通 风 。 1 ． 2中国的矿 井通风 史 中国的古代采矿历史悠久 ． 古代采矿成就举世 罕见 ， 有关古代 矿井通风史也 同样 文明于世 。 但公 元前后数百年间有关采矿与通风 的文字记载却非 常少 见 ， 直 到宋代 才 有 了 比较 详 细 的文 字记 载 。孔 平仲在 读苑 中讲到铜矿开采过程 中防止有害气 体的办法。 1 6 3 7年宋应星撰著的 天工开物 是对中 国古代农业 和工业生产技术系统而全面的总结 ， 在 科学史 中首开先例。1 8 6 9年 ， 天工开物 有关工业 各章 的法文摘译 ， 又被集中收入 “ 中华帝国工业之 今昔” 刊于巴黎。宋应星 天工开物 的 燔石 章所 论及 的竖井采煤在井下安装大竹筒以排 除瓦斯和 巷 道 支 护 的 技 术 ， 以及 烧 砒 石 时 的安 全 措 施 ， 都 值 得称道。中国古代古采矿与通风史大致可以分为萌 芽期 史前 时期 、 形成期 商代 中期 、 初 步发展期 西 周 时期 、 创 新 发 展期 春 秋 至 战 国 中期 、 充 实 期 秦汉至元代 、 全面发展期 明清时期 。从中国 典型古矿遗址 中也可 以窥见 中国古代 的矿井通风 技术 和方 法 。 1 ． 2 ． 1 江西瑞 昌的铜 岭 古铜 矿遗 址 位 于瑞 昌 的铜 岭 古铜 矿 遗 址 发 掘 于 1 9 8 8年 3 月 ， 考古 发 现 ， 该古 矿距 今 有 3 3 0 0年历 史 。 整个 遗 址约有 3万 m 2 ， 分为采矿区和冶炼区。目前 已发掘 3 0 0 0 mz ． 其中采矿区揭露 面积 1 8 0 0 m z 。 发现古代竖 井 1 0 3口。 古巷 道 l 9条 ， 露 采坑 7处 ， 工棚 5处 ， 选 矿 场 1 处 。 冶炼 区揭露 面积 1 2 0 0 m ， 发现炼 炉 2座 ， 储水井 1 8口； 并出土用木 、 石 、 铜 、 竹 、 陶等制作的 选矿工具与生活用具 6 0 0多件。从该遗址的竖井和 平巷结构可 以分析得 出 ， 当时采矿已经有了完整的 自然通风 系统 I ． 2 ． 2安徽 铜 陵的金 牛洞 古采矿 遗址 从 位 于 安 徽 铜 陵市 凤 凰 山下 的金 牛 洞 古 采 矿 遗 址考古 发 现， 该地 区约 3 0 0 0年前 就形 成 了初步 系 统采矿技术 ， 洞内有古代采铜矿竖井 、 平硐 、 斜井 、 支架 、 出入 口等 ， 并形成 自然通风系统。铜陵地区从 商周至唐宋一直是中国古代的冶铜 中心。 1 ． 2 ． 3湖北 大冶的铜 绿 山古铜矿 遗址 铜 绿 山古铜 矿遗址距 今 已有 3 0 0 0多年 的历 史 ，从位于湖北大冶铜绿山古铜矿遗址的考古发 现 ， 在 7个 已清理的古代采矿遗址 中， 发掘总面积 约 4 9 2 3 m ， 深 度 4 0 ～ 6 0 m， 清理 出竖 盲 井 2 3 1个 ， 平 斜 巷 1 0 0余条 ， 竖井 和平巷形成了有效的 自然 通风 系统 1 ． 2 ． 4甘 肃 白银 的矿 山遗迹 从甘肃 白银矿山遗迹遗物考证分析，该地区采 矿可 以追 溯到 明朝 洪武 年 间，至今 已有 6 0 0多 年 的 历史。2 0世纪 5 O年代采矿过程中发现了大量前人 开凿 的坑 道和采 场 ， 而且 规模 较大 ， 有 记 载 的古 采矿 遗 迹 3 0多处 ， 包 括 大小 老 硐 、 旧矿 堆 和淘 金 用 的水 井 及 炼 渣 。最 大 的古 代采 矿 遗 址 主巷 道 都 在 1 0 0 m 以上， 坑道延长上千米 ， 并形成 了有效 的 自然通 风系统。 我 国 1 8世 纪 至 2 0世 纪 上 半 叶对 矿 井 通 风 的 研 究几 乎 为空 白 ，直 到新 中 国成 立后 才 开始 研 究 。 1 9 5 1年中央人 民政府燃料工业部制订 了 改善现有 矿井通风的规程 燃料工业 出版社 ， 1 9 5 1 ； 一些研 究 人员 开 始 翻译 当时 苏联 的矿 井通 风 著 作 ． 如斯 阔 成斯基等著的 矿井通风设计 法 燃料工业 出版 社 ， 1 9 5 1 、 矿内通风学 燃料工业 出版社 ， 1 9 5 4 ， 科瓦列夫 A． E ． K o B a n e B 等著的 矿井通风 燃料工 业 出版 社 ， 1 9 5 5 ； 与 此 同 时 ， 我 国矿 井 通 风 界 前 辈 黄元平 先生等开始 出版 自己的研究成果 ， 如 矿井 通风计算 益智书店 ， 1 9 5 3 、 矿井通风阻力测量 煤炭工业出版社 ， 1 9 5 7 ；进入 2 0世纪 6 0年代， 我 国研 究 人 员 自己编 撰 的有关 矿 井 通 风 领 域 专 著 和 教材 不断 出现 ， 迄 今 已经有 1 0 0多种 。 2 矿井通风技术 的新发展 2 ． 1 2 O世纪 5 0年代 以来我 国矿 井通风 理论与技 术 研究 主要进 展 1 对井 巷通风阻力 进行 了广泛 的研究与测定 。 2 建立 了各类作业面紊流传质方程及污染物 浓度分析计算方法 ， 为风量计算方法提供了理论依据。 3 应 用 电子计算 机计算 和分 析复杂 通风 网络。 为矿 井通 风系统 分析 提供 了有效 的方 法 。 4 射 流 通 风 理论 与技 术 得 到发 展 ， 利 用 风 流 动压的方向性调节与控制风流的技术获得应用。 5 矿井 火 灾时 风流 非 稳定 流 动 规律 的研 究 不 断深化， 建立起若干典型风流控制方案。 6 受控循环通风理论推动 了空气净化装置的 研制 和污染 源控 制技术 的发 展 。 7 深 井 热 源 、 空 气 与 围岩 热 交 换 和 矿井 热 环 境控 制 理论 与技 术有 较 大进 展 ， 初 步形 成 矿 内热力 学理论体系。 8 开展了矿井通风系统优化与控制的人工智 能技 术研究 。 9 开展了露天矿通风理论与技术的研究。 第6 期 文 永 胜 矿井通风技术及通风系统优化设计探讨 3 3 我国金属 矿井从 2 0世纪 5 O年代开始逐步建 立机械 通 风系统 。6 0年代 ， 建立 分 区通 风 系统 和棋 盘式通 风 网络 ， 7 0年代 ， 出现梳 式通 风 网络 、 爆堆 通 风，推广地温预热技术及云锡的排氡通风经验等。 进 入 8 0年代 ， 我 国金属 矿井 通风 技 术 以节约 能耗 为 中心 有 了 比较 快 的 发展 ， 取 得 的主 要成 就 有 高 效 节 能 风机 的研 制 与推 广 多 风机 多 级机 站 通 风新 技 术 的应 用 矿 井 通 风 网路 的 节 能技 术 改 造 ； 建 立 矿 井 通 风 计算 机 管理 系统 和 井 下 风 流 调 控 技 术 与 手 段的完善等。 2 ． 2矿井通 风节 能技 术研究 的进展 2 ． 2 ． 1 多风机 多级机站 多风 机 多级 机站 具 有 显著 的优越 性 ， 它既 可 提 高 矿 井 有 效 风 量 率 义 叮节 省 电 能 消 耗 。我 国 自 1 9 8 3年 开始 该通 J x L 技 术 的试验 研 究 以来 ， 先后 有 几 十个 大 中型 非煤 矿 井采 用此 技 术 ． 改造 原 有 的通 风 系统 ， 都 取得 了明 的社 会效 益和 经济 效益 。 所 谓 多风 机 多级 机站 在 术 语 上 ， 有 称 “ 多 风机 串 并 联 多 级 机 站 ” 、 “ 可 控 式 多 级 机 站 ” 、 “ 多 级 机 站” 、 “ 多机站” 等。但以“ 多风机多级机站” 为正式术 语 ， 即是 由几级 至少是j级 以上 风机站接 力地 将 地表 新 风直 接送 到 井下 作业 区 ， 将 污 风抽 排 到 地 表 。其 需风 点 的风 量调 节 基 本上 由风机 控 制 ， 尽 量 避免用 J x 【 窗调节 ． 以提高系统 的可控性 ， 使矿井通 风 系统真 正做到 按需 供风 。 多 风 机 多级 机 站 的一 个 显 著 特 点 是 节 能效 果 好 。风 机 的功 率 与风量 立方 成正 比 。大 型风 机风量 大 、 风 压高 、 功率 消耗大 。多级 机站 采用机 站 问风机 串联及机站内风机并联 ，这样所选 的风机风量小 、 风压 低 ， 故功 率也 小 还 可选 用 新 型高 效 节能 风 机 ． 冈此 能耗 低 。实 测证 明 ， 采 用该 通 风技 术改 造 的矿 井 ， 比原采 用统 一的 7 0 B 2主 扇通 风 系统 ， 装 机容 量 可 降低 1 ／ 3 ～ 1 ／ 2 ， 大 幅度 地节 约 电能 。 2 ． 2 ． 2 受控 空气再循 环技 术 过 去人 们认 为循 环 风 流 是污 浊 风 流 ． 会 引起 井 下 作业 环境 的 污 染物 聚集 而被 禁 止使 用 ． 但 自从 英 同 的 S ． L ． L e a c h和 A． 1 a c k在 1 9 6 4年 得 出 了“ 通 风 丁 作 面 的 污染 物 浓 度 只与 工 作 面 污 染物 的产 生 强 度 和进 入工 作 面 的新鲜 风 量有 关 ． 而 与循 环 风 量 的 大小无关 ” 的结论 以后 ， 人们对循环风流才有 了本 质性 的认 识 ， 于 是 ， 在 英 国 、 前 苏联 、 美 国 、 南 非 、 加 拿大等国家 ， 相继对利用循环风流通风进行 了理论 分 析 和 现 场试 验 研 究 ， 其 结 果 表 明 ， 受 控 循 环 通 风 方法 是 一种 切 实可 行 的新 型通 风 方 法 ， 它 不仅 可 以 解决常规通风方法 中难 以解决的通风技术难题 ， 而 且具有显著的节能效果。例如 。 英 国威尔奠兹 We g mo u t g 矿应用受控空气再循环 ， 解决了远距离采 区 通 风 问 题，在 保 证采 区需 风 量 l 0 0 m ／ s 不 变 的情 况 下， 使 用 3 0 m ／ s的循 环 风。 由此 年节 约 电费 3 0 5 0 0英 镑 。在我 国， 区域性 的受控空气再循环通风还没有 被 采用 的实 例 ， 仅 局 限于工 作面循 环通 风研 究 。 2 ． 2 3 主 与辅扇联 合 工作 主 、 辅扇联合工作是通风节能的一条有效途径， 英国 R J R e a r e e对此进行 了计算机模拟研究 ， 共作 了 1 2个 模 拟 方 案 ， 结 果 表 明 ， 采 用 主 、 辅 扇 联 合 工 作来 代 替传 统 由地 面 主扇 通 风 ， 可 以保 证 作业 区风 量 不 变 ， 而 且其 污 染 物 浓 度 不 超标 准 ， 年 运 转 费 用 降低到原来 的 l 8 ． 5 ％， 而污染物浓度仅南 l ％上升到 1 ． 1 7 6 ％ 作业 区风流循环系数为 1 5 ％1 。昆明工学院 将主、 辅扇联合工作应用于矿井通风系统优化研究 的 实践 中 ， 如 攀 枝 花 冶 金 矿 山公 刮 兰尖 铁 矿 、 攀 枝 花钢 铁公 司二滩粘 土矿通风 系统优化研究 ， 效果显著。 2 ． 2 _ 4采取 降低 风 阻的 办法 在 最 大 阻 力路 线 上 的高 阻力 区段 采 用 扩 大 巷 道断面的降阻措施收到明显效果 ， 局部降阻工程量 小 ， 在风速较高的主要回风道采用空气动力性能良 好的通风构筑物也能收到良好 的降阻效果。东北大 学f 原 东北 工 学 院 设 计 的流 线 型 扩 散 塔 、 绕 流 型 风 桥等 通风 构筑 物 已逐 渐被 矿 山采用 。流线 型扩 散塔 的局 部 阻 力系 数仅 为 直立 型 扩散 塔 的 一半 ． 在 扩 散 塔中安设导流叶片可使通J x L 阻力降低 l 5 ％～ 2 0 ％． 将 井巷直角转弯的内、外边壁改成双曲线型转弯 ， 局 部阻 力系数 可 由 1 ． 2 8降到 0 ． 1 绕 流 型风 桥 阻力 最 小， 局部阻力系数仅为 0 ． 1 5 ， 相当于 9 0 。 直角风桥的 四分 之 一 。对 多风机 多 级 机站 的局 阻 ， 马鞍 山矿 山 研 究 院进 行 了较 详 细 的研究 ， 认 为机 站局 阻 南进 口 和 出 口两 部 分 组 成 ， 以 出 口部 分 为主 ． 机 站风 机 出 口安装扩散器 与否 ， 对降低机站局阻起着决定性作 用 ， 风机出 口风流 的混合面越小 ， 机站局 阻系数越 小 ， 对于需要扩帮 的机站 。 当后 接巷道连接段 的收 缩角不能改变J x 【 流混合面时， 即风流混合面等于机 站 断面 时 ， 收 缩 角为 l 3 。 左 右 的机 站 局阻 最小 ， 当它 能改变风流混合面时， 收缩角为 4 5 o 的局阻最小 ， 当 混合面为后接巷道断面时， 可采用突然收缩。 2 ． 2 ． 5 矿 用 节能风机 的推 广应 用 l 9 8 5年在老厂锡矿南部通风 系统设计时 K 3 5 3 4 中 国矿 山工程 2 0 0 8 年 第 3 7 卷 风机问世， 这类风机 比K 4 5风机性能有所提高， 所以 风 机选 型 主 要 为 K 3 5风 机 1 9 8 8年 又研 制 出 K 4 0 风机 ， 这类 风机又 比前两 种 为好 。因此 ， 在泗 顶铅锌 矿 、 胡家峪铜矿 、 蓖子沟铜矿等矿主要采用 K 4 0风 机 。 1 9 9 0年 又研 制 出无 驼峰 的 F S系列 风机 ． 采用 了 稳流环结构 ， 消除了传统轴流风机在高风阻区出现 的旋转失速现象 ， 风压特性 曲线 比较平滑 ， 较适合 于多台风机联合运转 。因此在狮子山铜矿 、 铜坑锡 矿等矿主要采用 F S系列风机。 2 ． 2 ． 6矿 井通风 系统分析 与优 化 自然 分 风 网络 的 优 化研 究 迄 今 为止 仍 处 于 理 论摸索阶段 ， 它 的研究对矿井通风设计 、 计划 和管 理具有理论和实际的指导意义 ， 对节省能源 、 降低 通风成本等产生直接影响． 是一个值得重视 的研究 领域。此外 ， 无论是控制分风网络优化 ， 还是 自然分 风 网络优化 ， 其研究的出发点都是将矿井通风网络 处 理 为静 态 阶段 ， 即 只能 就矿 井 某一 时期 的状态 进 行优化 ， 但 实际上矿井生产是一个动态 的、 离散化 的变化过程 ． 通风工作应根据生产 的变化而不断进 行 调 整 ， 即使 在 同一 时 期 ． 各 需 风 点 的 风量 和需 风 点 数也 是 在变 动 的 ， 所 以需 要 矿 井通 风 能及 时满 足 生 产 变化 的要 求 ， 发 展矿 井通 风 网络 的 动态 优化 理 论 。 目前 ． 我 国 的矿井 通风 系 统优 化 工 作主 要集 中 在 多风 机 多级机 站 通 风系 统 的优化 上 面 ． 继 马鞍 山 矿 山研 究 院之后 ， 昆 明工学 院又设 计 出新 的多风 机 多级机站优化数学模型 ， 将 以功耗最小为最优化 的 目标函数 ， 改为从服务年限来平衡优化基建投资和 年经营费用。通过实际应用证 明该优化数学模型是 合 理 、 正确 、 可行 的。 2 ． 2 ． 7矿 井通 风 系统 自动 监测 与控制 随着矿 井通 风 技 术研 究 的深 化 ， 多 风机 多级 机 站 ， 主辅扇联合运转 ， 受控空气再循环等技术应用 日益广泛 ， 要使这些新技术很好地运用 ， 取得预期 的效 果 ． 必 须 对 矿 井 的 环 境状 况 进 行 监 测 ， 并 根 据 环境状况和生产需要对通风设施进 行 自动调节和 控制。受控空气再循环， 必须连续监测矿井 回风流 中主要污染物的浓度 ， 当其超标时 ， 立即 自动报警 并且触发 自动控制装置 ， 切断再循环风流 ， 以保证 进 风不 受 污染 。多风 机多 级 机站 通风 系 统 ， 由于风 机多 ． 又分散安装于井下 ， 管理和维护用难 。 必须实 行 自动控制， 以保证其有效性和经济性 。加拿大研 究 设 计 的 用 于矿 井 环 境 监 测 的 微机 基 本 实 时 数 据 检 测 系统 ， 用 于监 测矿 井通 风 和 大气 污染 情 况达 到 满意的效果。该监测系统从系列遥测装置中接受数 据 ， 并 自动地存储和显示 ， 根据需要可以用于生产 、 维护 、 通风、 火灾和环境监视 ， 所有检测参数均由检 测装置来完成 ， 并 由它输出电信号 ， 系统的遥测装 置把这些 电信号转换成数据 ， 送到计算机对这些数 据进行分析处理 ， 输送到 显示 器或打印机 ， 计算机 还通过专门设计的软件 。 采用特殊 的处理方法分析 和解释这些数据 ， 通常环境监测的参数是 温度 、 相 对 湿度 、 压力 ， 风量 、 甲烷 C H ， 一 氧化碳 C O、 二 氧化 碳 C O 、 氮氧化物 N O， 二氧化硫 S O 、 粉尘 、 烟 、 放射 性 等 。利用 该环境 检测 系统 还可 以组织 更好 的 自动 控 制 系统 。 目前 ， 我 国矿井 通 风 自动 控 制 的主要 对 象是风机的开停及运行参数的调节与控制， 风窗、 风 门的调节 与控 制 。 3 今后矿井通风 的难点 3 ． 1 深井 开采 中的热 害控制 问题 随着地 表 矿物 日趋 开 采完 毕 ， 矿 井采 掘 深 度增 加 ， 由于地 温 随矿 井 深 度 增加 而 升高 ， 加 上 其他 热 源的放热作用 空气压缩 ， 氧化过程 、 机械设备作功 等原因， 使得受到高温威胁的矿井 日益增多 。西德 伊 本 比伦煤 矿现 采深 达 5 3 0 m， 地 温梯 度 1 12 ／ 4 3 m， 井 底岩温可达 6 0 ． 南非斯太总统 P r e s i d e n t S t y e n 金 矿 的工作 面深 度超 过 3 0 0 0 m， 原始 岩 温度达 6 3 ℃以 上。据全国矿井高温热害普查资料统计 ， 目前 ， 我国 已有 3 8对 矿井 的采掘 工作 面气 温 超过 3 0 ℃。据我 国煤田地温观测资料统计， 地温梯度为 2 ～ 4 ℃／ 1 0 0 m， 如 平 顶 山八 矿 平均 地 温梯 度 为 3 ． 4 ℃／ 1 0 0 m。一 4 3 0 m 水平的原始岩温为 3 3 ． 2 ～ 3 3 ． 6 C ，现采掘工作面的气 温 在 2 9 ～ 3 2 ℃， 最 高 已达 3 4 ℃。 “ 九五” 期 间我 国将有 8 0多对矿 井 出现热 害 ， 例如 安徽铜 陵 的狮 子 山铜 矿 冬 瓜 山 矿 段 、 云南 新 平 的 大红 山铁 矿 、 安徽 淮南 的 谣 和张集 等 煤矿 。在 高 温环 境 下作 业 ， 不 但 劳动 生产率会下降 ，而且矿工身体健康也会受到损害 ， 同时严 重威 胁井 下安 全作 业 ， 并 易 引发 灾害 和事故 ， 日本 7个矿井的调查结果表明 3 0 ～ 3 7 c IC 的工作面较 3 0 ℃以下工作面的事故率增加 1 ． 5 - 2 ． 3倍 ， 高温热害 已被认为除水 、 火 、 瓦斯之外的第四大矿井灾害。为 了确保安全生产 ， 1 9 8 2年国务院颁发 的 矿 山安全 条例规定 ，井下作业地点的空气温度不得超过 2 8 ℃． 现新 规 定 为不 得 超过 2 6 ℃。 国外也 有 类似 规 定 因此研究深井 降温技术 已成为国内外采矿技术 中一个重 要领 域 。 第6 期 文 永胜 矿井通风技术及通风系统优化设计探讨 3 5 3 ． 2深井环 境控 制 深 井环 境控 制 是深 井 开 采 的难题 之 一 ， 对 于 运 用常规手段来说 ， 计算 分析非 常复杂 ， 不能及时准 确地为井下排热通风提供科学依 据 ， 通过 国家“ 九 五” 科技攻关 ， 开发 了深井开采井下环境管理程序 ， 将 深井 排热 通 风作 业 面需 风量 计 算 、网络计 算 、 气 候预测计算 、 网络预测计算简化成简便的计算机操 作 ， 随着矿井开采向深部延深 ， 井下热害 日趋严重。 深井环境控制是深井开采工艺的重要环节 ， 直接影 响到深井开采的投资和经营效果。然而深井环境控 制是一 个非 常复杂 、 一般 手段 无法 解决 的难题 。 3 ． 3深部 矿井地 层储 冷技术 研 究 高 温 矿井 生产 率 均较 低 ， 据 南 非 多年 的调 查 统 计， 当矿内作业地点的空气湿球温度达到 2 8 ． 9 时 ， 开始出现 中暑死亡事故 ， 利用大型制冷机组对井下 工作面进行 降温处理 ， 虽然可达到降温 目的。 但 由 于其巨大的耗电量 ， 使其运行费用过高导致其不能 得 到 中国煤 炭行 业普 遍 的应用 。地层储 冷技 术将 冬 季 空 气 中 天然 的冷 能 通 过 一 套 井上 换 能 系统 储 存 到地下储冷含水层 中， 其余季节通过另一套井上配 套换能系统将这部分冷量从储冷含水层 中提取 出 来 ， 再通过井下换能系统用于井下工作 面的制 冷降温 。 4 矿井通风系统优化设计 矿井通风系统设计是矿井设计 的主要 内容之 一 ，它不 仅关 系 着矿 井建 设 速度 、 投 产 时 间 、 基 建 投 资的 多少 ， 而且 对 矿井 投 入生 产后 的生 产 面貌 和 技 术经 济效 益也 有 长远 的影 响 ， 因此矿 井 通 风 系统 的 优化设计问题 ， 一直是从事矿井通风工作的专业人 员 所关 注 的研 究课 题 之一 。近年 来 ， 在 这方 面 虽 有 不 少研 究成 果 ， 但 有关 矿 井通 风 系统 优 化设 计 方 面 还存在许 多的问题没有解决 ，有的还没有被 涉及 到 。笔 者认 为 ， 矿井 通 风 系统优 化 设 计 的理 论 与方 法， 今后应重点从三个方面开展工作。 4 ． 1 从 定性到定 量 的综合 集成技 术 近年来 ， 出现 了一种综合已有的三种设计方法 基于案 例 的设 计 、 基 于数 学模 型 的设 计 和基 于 逻辑 的设计 的趋势。 钱学森等提出了开放的复杂巨系统 的概念 ， 并 且 提 出要 研 究 处理 这类 系统 的从 定 性 到 定量的综合集成技术 。冯夏庭博士等提出采矿理论 发展的智能新途径。智能科学f 人工智能 、 神经 网络 等 的兴起和深入发展 ， 为实现综合上述三种求解模 式特点的矿井通风研究思路提供 了重要的基础。系 统科学为其提供了重要的依据 。正确的矿井通风研 究方 法 是 引用 人 脑思 维 中 的某些 优 点 ， 吸收人 的直 觉 、 灵感 ， 以逻辑推理 、 联想记忆 与数值计算 相结 合 ， 不确定性分析与确定性分析相结合 ， 把人 的知 识 、 工程经验 、 数值计算 、 现场监测验证与计算机技 术结合起来， 建立一个智能性 的矿井通风集成系统 ， 并通过 自学 习和 自适应机制 ，逐渐完善该系统， 开 拓 出一条新的途径。在实践中建立 ， 在发展 中完善 智能通风学 。 4 ． 2设计 支持 系统 的研 制 矿井通风系统