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对高温深井通风设计的探讨 安徽铜陵有色职工大学 薛奕忠 摘 要 根据冬瓜山矿床埋藏深、 矿石含硫量高、 开采过程中将面临热害等特点,对矿井 通风系统的选择、 风速、 风量、 制冷系统设置、 自然风压能的利用、 工作面的通风和防尘等进行 了探讨。 关键词 高温深井 通风 设计 D iscussion on ventilation design of deep pit with high temperature Xue Y izhong ABSTRACT In term s of such characteristics as the depth of deposit in Dongguashan, the high sulphur content of the ores and the thermal damage in face of m ining process, the selection of m ine ventilation system , air speed, air volume, setting of refrigerating system , utilization of natural air pressure and ventilation and dustproof action of work face w ere discussed. KEYWORDS H igh temperature deep m ine V entilation Design 铜陵有色公司最大的拟建矿山,列入国家 “九五” 矿山开采计划的冬瓜山矿床是一个储量 大,建设条件好的特大型铜、 硫铁矿床,计划生产 能力达1万td。冬瓜山矿床赋存标高在- 680 ～- 1000 m之间,矿床倾角缓,大部分近似水 平,矿体水平投影走向长1810 m ,最大宽度882 m , 最小宽度204m;矿体平均厚度32m ,最小厚 度1. 13 m ,最大厚度106. 7 m ,边界尚未控制。 由于埋藏深,面临深井开采中许多问题,如岩爆、 热害、 开采技术等,这些问题都有可能成为制约 矿山生产发展的重要因素,本文主要根据高温矿 井的特点,针对矿井通风和改善井下气候条件提 出一些看法。 1 冬瓜山矿床现状 1. 1 概 况 冬瓜山矿床是辖属于铜陵有色公司狮子山 矿区,矿区目前正在生产和已探明的矿床有东、 西狮子山、 老鸦岭、 大团山、 冬瓜山等七个矿床。 国家批准立项的冬瓜山开采规模为1万td。为 了使冬瓜山大规模开采能够正常生产,目前提 出了冬瓜山工程前期投产方案,设计推荐前期生 产规模为1500 t d, 开采- 790 m水平以上矿 床;以冬瓜山主井为主井,原大团山副井为副井 组成的主副井系统,通风则暂以冬瓜山辅助井作 为出风井。前期投产的开采地段选在- 790 m 水平以上52线附近,设计中段高60 m ,采用两 种高强度的阶段空场嗣后充填采矿法,即阶段 空场嗣后充填采矿法大直径F向深孔落矿 方案和阶段空场嗣后充填采矿法˚扇形中深 孔落矿方案。 采场出矿标高为- 760m;矿石由 采场内铲运机运至采区破碎站后,装入- 790m 水平的矿车运至东瓜山主井旁的卸矿站,提升到 地表矿仓。 1. 2 冬瓜山矿床热害基本情况 冬瓜山铜矿床为我国冶金行业首例埋深超 3 第31卷 第3期 1999年5月 冶金矿山设计与建设 M etalm ine design and construction 千米且矿体均赋存于 ˚ 级热害区的特大型 高硫铜矿床,该矿区恒温带深度为205 m ,温 度为17. 55℃,平均地温梯度为2. 2℃100 m , 矿体所处层位的原岩温度为30～39. 8℃,矿区 的年平均气温高16. 2℃ , 夏季平均气温度达 27. 4℃,极端气温达40. 2℃,矿石平均含硫约 16. 7 , 58- 63线之间含硫高达19. 35 ,而且 在矿床顶部含有部分胶体黄铁矿,开采过程中 矿石有氧化结块和自燃的可能。 根据现在建设中的冬瓜山主井工程钻至- 1000～- 1050 m段测得地温38.92℃ 和- 790 m石门刚开工,工作面气温就已达 31～ 34℃之间,下井下工人已感觉到容易头昏、 眼花, 甚至发生数次工人昏倒事件等情况,可以看出冬 瓜山矿床在基建和开期间肯定会遇到热害问题。 所以加强对冬瓜山矿床矿井通风系统和降温的 研究将是一个十分重要课题。 由于前期工程计划 1998年8月建成投产,随之形成采矿的1500 td生产能力,后期大规模生产的通风系统还没 有设计,所以本文主要根据国内外一些资料和 矿山现状对冬瓜山矿床正常生产期间通风降温 技术提出几点看法。 2 深井通风降温综合措施 2. 1 选择合理通风系统 良好的通风系统应能快速、 及时地排除井下 各生产工艺过程中产生的炮烟、 粉尘和其它有 毒、 有害物质,且能保证井下各作业地点有良好 的空气质量和舒适气候条件。 从降温角度选择矿井通风系统的依据主要 是尽量缩短新鲜风流流动线路的长度,从而最 大限度地减少沿程热源对风流的加热。 据有关资料介绍[1],采用分区通风系统和两 翼入风时,其通风系统的新鲜风流线路长度比中 央式短50以上。在960 m长的水平大巷末端 风流温度可比中央式低2℃以上。冬瓜山前期投 产方案拟采用大团山副井进风,冬瓜山辅助井 回风的侧翼对角式通风系统。 新鲜风流由大团山 副井进入井下,先经副井石门分别进入- 730 m 和- 790m中段,新鲜风流经采场凿岩面和掘进 掌子面汇入回风道,由于井深通风阻力大,前期 设计拟采用多级机站通风方式。 随着后期在规模 生产所需风量巨大,应考虑混合井、 团山副井和 西狮子山措施井共同作为东瓜山矿床通风系统 的进风井,使它们形成几个并联井筒进风,甚至 可以考虑采用深孔进、 出风以缩短风流线路。 浅层围岩温度低,上部开采巷道可形成调热 圈,在高温季节对风流有显著的冷却作用。因此在 冬瓜山矿床开采时,应尽量维护利用西狮子山矿段 的措施井和- 160～- 270m之间阶段巷道,尽可 能延长新鲜风流在- 160～- 270m巷道中的通 风长度,使进风温度降低在20℃左右。另外尽量 缩短新风流在深层巷道的流动距离。 2. 2 加大风速增加风量 在其它条件相同时,流过巷道的风量增加, 从岩体中及其它热源放出的热量分散到更多体 积的空气中,风流温升可受到抑制。 同理,在岩石和矿石温度较高时,提高回采 工作面风量可有效地改善工作面气候条件。 当然 增加风量也不应该超过巷道风速的有关规定。 冬瓜山矿床正常生产时计划产量为1万t d, 采场拟采用盘区形式布置,盘区平面尺寸为150 m150 m ,盘区内分为20个采场,采场垂直走 向布置,每个采场宽度为15 m ,采场长度为75 m左右,由于所需风量巨大,在布置采场风流线 路时应合理考虑风流网络布置,根据工作面的温 度不同采用不同的风量分配,尽量避免风流相互 干扰。 2. 3 制冷系统设置 对冬瓜山矿床热害防治整体设计应以通风 降温为主,局部制冷为辅,当整体通风仍无法满 足生产要求时,就需考虑是否采用制冷系统,若 采用制冷系统就应注意制冷系统地点设置,笔者 认为制冷系统设置在浅层井下的制冷效果优于 地表,制冷站散热可用专用回风道或用地下水。 当然制冷降温消耗电力将是惊人的,应考虑经 济性和全矿用电负荷。 2. 4 自然风压能的影响和利用 从某种意义上讲,自然风压是一种通风动 力,应充分考虑自然风压与地表气温的变化、 矿 4 冶金矿山设计与建设 第31卷 第3期 井深度以及矿内空气成分和温度的关系。 由于冬瓜山矿床采用竖井开拓,地面空气进 入矿井后与岩体发生热量交换,地表气温的影响 比较小,自然风压方向在一年内变化不会很大, 但其大小与矿井深度成正比。据国外报道,深达 一千多米的矿井,“自然通风能” 约占总通风能的 30。有一个1000 m的矿井[2],主扇运转时风 量为90 m 3 s。而当主扇停止运转时,自然通风 量达70～65 m 3 s, 由此可见 “自然风压能” 作用 巨大。 2. 5 工作面通风和防尘考虑 冶金地下矿山安全规程 规定井下采掘工 作面的空气温度得超过27℃,热水型矿井和高 硫矿井的空气温度不得超过27. 5℃,否则应采 取降温措施。 从现有冬瓜山基建工程来看,冬瓜山的深部 开拓的热害,平巷此井筒严重,川脉比沿脉严 重,独立作业距离愈长,拐弯愈多,热害愈严重, 通风愈困难,所以工作面通风应根据不同情况 考虑采用不同通风降温措施。 如考虑中段风流风 向、 多级机站通风、 各个工作面进回风,局部降温 等。 根据煤矿深井开采资料显示[1],采用从上 中段井新鲜风流下中段回风工作面降温效果明 显,同一水平工作面采用两个入风口一个回风口 降温效果良好。 掘井工作面的通风应采用 “短压长抽” 混合 式通风系统,“短压通风” 就是局扇接刚性风筒 或压风引射风筒强制通风 “长抽通风” 是在巷道 全长采用抽出式通风,使局扇发热直接排到回风 流中。 工作面防尘应考虑综合防尘措施。 如生产采 场出矿和凿岩作业以及平巷掘井作业均采用湿 式捕尘方式,装卸矿硐室采用喷雾防尘,另采取 密闭收尘设备收尘和喷雾降尘。 另外,由于冬瓜山矿床含硫较高,个别地段 工作面温度可能会非常高,若采用通风无法降 温时,就要考虑采用其他方法降温。因为据有关 资料表明,在风速超过4～5 ms时,增加风量 对降温不明显。 且工作入风风流的温度接近围岩 温度时,增加风量也无降温效果,在这种情况下 应考虑采取个人降温措施,如穿戴降温特制冰 服,提高机械化水平,减少工作面人员和工人劳 动时间。 2. 6 及时封闭 冬瓜山矿床正常开采设计年产量属于大型 矿山,所以开采过程中,产生热量的设备、 工作面 及有关硐室的热源较多,所以在开采过程中选用 嗣后充填采矿法并及时封闭采空区,减少矿岩暴 露时间,采用高效的采矿方法减少采矿作业周 期,尽量降低各种热源产生热量,如高硫矿石氧 化自燃、 设备散热、 分区通风等。 3 结 论 综上所述,冬瓜山矿床开采的通风系统及技 术应从以下几个方面来考虑。 1结合现有西狮子山的一些井筒和新开 拓的井巷布置选择合理的矿井通风系统,增加 进风井筒数量,甚至考虑采用深孔进、 回风,缩短 进风路线的长度,同时尽量利用西狮子山- 160 ～- 270 m浅层巷道冷却风流。 2增加风速,加大风量,根据作业面不同 采用不同的风量分配,达到改善井下气候条件 的目的,如采用水幕对风源进行降温、 净化。 3制冷系统是否设置及设置地点,关系到 制冷效果用电量消耗的问题,若可能设置在井下 为宜。 4加强自然风压的测定,根据自然风压的 特点,在矿山开采过程中,充分利用自然风压 能。 5由于冬瓜山矿床产量大,所以在采矿方 法和井下散热设备选择时,应优先考虑强采、 强 出、 快充,减少采空区暴露时间,防止高硫矿石氧 化自燃,减少矿岩和设备散热量。 6工作面通风应尽量采用下行贯穿风流 通风,缩短工作面长度,尤其是掘进工作面应尽 量采用 “短压长抽” 混合通风方式,加强个体降温 防护,采用综合防尘措施。 7各种主要散热系统设备硐室应尽量采 下转第16页 51999年5月 薛奕忠 对高温深井通风设计的探讨 式和5式的计算值中更接近于高浓度浆体水击波 速计算式 5, 因此提出将2式和5式计算值用 Cv和 1 - Cv加权平均即30和70加权平均 来取值。下面用两种处理方法计算值与实测值的 偏差比较。可以看出,用后一方法有更高的计算精 度,所用的计算工作量也并无增加,完全可以在工 程设计中予以采用。 两种计算方法计算值与实测值比较如下 ① 实测水击波速比R 0. 880; ② 用0. 52 0. 55计算R 0. 50. 76 0. 50. 95 0. 855; ③ 用0. 32 0. 75计算R 0. 30. 76 0. 70. 95 0. 888; ①-② ①得误差E2 0. 880- 0. 855 0. 880 2. 84; ①-③ ①得误差E3 0. 880- 0. 888 0. 880 - 0. 91。 此外,由于用前一种方法所得计算偏小,不 太安全,而用后一种方法所得的计算值大于实测 值,在工程中也较安全。 4 结 语 综上所述,可得如下简单结论 1浆体管道水击波波速计算的研究已分 别有均质浆体、 伪均质浆体公式、 非均质浆体公 式及具有推移质非均质浆体公式等成果。 2但上述各式都不能满足长距离高浓度 浆体管道实际工程的需要,用各公式单一计算 均与实测值不符。 3国外目前处理这一问题的方法是对伪 均质浆体和高浓度非均质浆体公式的计算值取 其平均作为设计值。 4本文推荐采用Cv和 1 - Cv即30和 70的加权平均值作为设计值。经与实测值比较, 该法较前述处理方法精度高,且得出的计算值大于 实测值,故更具安全性,可供工程设计应用。 参考文献 1 费祥俊.浆体与粒状物料输送水力学.北京清华大 学出版社, 1994. 408～410 2 Thorley A R D, Hwang L Y. Proc. Hydrotransport 6. Paper D5, 1979 3 韩文亮,费祥俊,任裕民.浆体水击压力波波速的实 验研究.水利学报, 1990. 11 4 Wood J, Kao T Y. J. of EngineeringM echanic D iv. , Proc. Am. Soc. Civil Engineering. 92 EM 6 1966 5 Kao T Y, Wood J. Proc. Hydrotransport 5. Paper E1, 1978 6 L iou C P, J. Hydr. Engineering. Proc. Am. Soc. Civil Engineering, 1984. 110 7 7 BechtelW , Vogel G.Proc. Hydrotransport 8. Pper H2, 1982 8 高桥弘,桐生诚司,益山忠.管内粗粒子混相流にお ける水击现象に关おる研究.资源と素材, 1990, 106 2 9 R icks B L. Pressure T ransient Test on A Long D istance Iron O re Concentrate Slurry Pipeline. STA 10th, 1985 收稿日期 1999 02 05 作 者 丁宏达,长沙冶金设计研究院教授级高级工 程师; 410007湖南省长沙市劳动东路33号。 上接第5页 用独立回风系统,使回风直接排入回风道。 8采用隔热材料涂敷以控制围岩或其他 无关工作面的散热。 9冬瓜山铜矿床在开采过程中存在自燃 氧化的可能,所以装药之前应对炮孔测温,防止 炸药早爆或自爆。 参考文献 1 胡桃元.对高温矿井通风技术的探讨.工业安全与防 坠, 19966 2 王英敏主编.矿井通风与安全.北京冶金工业出版 社, 1985 收稿日期 1998 12 24修返 作 者 薛奕忠,铜陵有色职工大学高级讲师; 244000安徽省铜陵市。 61 冶金矿山设计与建设 第31卷 第3期