深凹露天矿人工通风的能耗.pdf

深 凹 露 天 矿 人 工 通 风 的 能 耗 苏联科学院科拉研究中心北方工业生态问题研究所 技术科 学博士r ． 1 3 ．卡拉宾数理科学副博士A． A I巴克拉诺夫 苏联 科学院科 拉研 究中心矿业研究所技术科学博士A． 皿．瓦谢尔曼 等 随着露采深度的增加，露天矿大气净化 问题 的解 决也 目益迫切 。 与周 围环境隔绝 假定为封闭系统的 大气 中有 害物质 的防治实践表明 ，人工通风 至今仍然是使空气保持在极限允许含尘浓度 水平上的主要手县之一。 因此， 自5 0年代初 ， 就十分重视在露天矿 建立有效的通风系统 。 露天 矿 的高 能耗 通 风装置 及强化 开采 ， 会对 露 天矿 自身 的大 气状 态 产 生广 泛 的 影 响 ，这种现 象在静风与逆温时期更为突 出。 现在 的露天矿 新风需要量 已达每秒几万 米’ 。 采用 传统 的梧 管道 或巷道通风的方法来 供给这 么多的 风量 ，需要消耗大量经费 ，不 低于在 主要 工艺过程中的花费 ，因而会丧失 矿 藏露天开采的经济性 。所 以，在露天矿 。 射流 无管 道通风方法 出现时 ，很 自然 地会使科研人员将注意力集中到对该通风方 法的评 价与应用上 ，因为过去都认 为甩这种 方法 可以达到少花钱的 目的 。 不久前 ，露天矿的射流通 风已经成 为知 识 领 域 露 天 矿大 气 学 中的一 个 应 用 学 科 。但是目前的情况还相当复杂，这是因为 对有关该通风方法能耗量的评估尚无一致意 见 ，而且 尚未形成完 整的观念 。此外还 由于 缺乏令人鼓舞的露天 矿风机试 验的结果 ，因 而使 上述 问题 目益 突出。 露天矿射 流通 风的l物理依据 ，已是众所 周 知的事实 ，即 在热力或机械作用下引起的 自由射 流的有 序运动 ，由于引射及冲量的扩 散 ，从 而能在该冲量源功率较小 的条件下带 动大量空气 。 因此 ，相 对于露天矿大气运动 的假 定或 田 外盒 曩矿 山 理想边界 ，在适 当地布置驱动器条件 下 ．只 要用步量的花费就可以组织强化的 风流运 动 通过该边界 ，从而完成通风 全矿的或局部 的功能的必要条件 在通风对象 与环 境 之问进行 空气的交换 。 例如 ， Y M I I - 1 4 型 试验 装置 ， 其 电机功率 仅为 3 2 0 k W，在其射程距离 内 射流断面的 平均 风速 为 0 ． 6 m／ s ，射 流 可 达 7 0 0 0 ～ 9 0 0 0 m。 ／ s ，其 具体大小 与大 气状态有关 。 “ 射流 通 风的能耗与 “ 管道 ”通风及 自 然通风能耗的对 比，可以作为前者能耗低 的 证据 。 用传统的通风方法 利用 管道 或巷道 向 露天矿送入 、或从露天矿排 出同样大 小的风 量 ， 所 需功 率约为 3 0 0 0 k W ， 即 比 Y MI I 一 1 4型 的功率大两个数量级 。 据 此对比结果作 出了装备 露天矿 “ 射 流 风机的决定 。当初作出了以付 出步量经 费而达 到此 目的的承诺 。在 Y MI I - 1 4型口 及 其它型号风机的特性方面，诸如风机可以为 2 5 0 0万 m 范围通风，而且与杂质排放量无 关，这一点造成人们一定程度的不解 。 从 另一方 面看 ，经常有对露天 矿人 工通 风所 需能量或驱动 同样大小的 自然风 流的功 率所进行 的 比较 。例如对于有代 表性 的线性 尺 寸为 1 2 0 0 m 的露天 矿而言 ，当平均风速 。 3 m／ 8时 。为保持所需强度的 自然换气 ，在 贴近地面 1 0 0 m 内的气 层 中，该风 流 的功率 约 为 2 0 0 0 k W }而 当 H一 4 m／ s时 ， 则 为 4 6 0 0 k W ，等等 。 这样 的 比较 会造 成一种错觉 -在 自然风 力及露天 矿通风设备 的试验样 机 Y MI I - 2 1型 6l 维普资讯 传 动 功 率 为1 0 0 0 k W 或 H K - 1 2 K ,型 1 1 0 0 0 k w所 作的功之间 ， 无 论是在定性或 定量上都具有很 好的相似性 。 ’ 如果假设上 述评 估及对 自然能量消耗 的 比较是合理 的话 ，那就可 以尝 试一下用风量 为 3 G 0 0 0 0 m ／ 8 一3 m／ s时 的 巨型 风 筒 工作段的断面为 l 2 0 0 m1 0 0 m“ 再现 露 天矿上部 的 自然 风流 。 为了形成这样 的风量 ， 需要 3 6 0台 Y MH - 1 4型风机 在螺旋 浆转动 平面 内的风量 为 1 0 0 0 m。 ／ s ，其总功 率 大于 l 0万 k W 不 考虑 风筒本身的 空气 阻力 ． 保 持露 天矿通 风 的 自然风 力所 作的 功 ， 并 非依靠 自然风流的 动能量 相反 ，当迎 风 帮上 消耗 了全部动 能量 时 ， 在露天矿 内 仍可能是静 风 ， 而是依靠 了能使大量空气移 动 的 自然的热机 能量 。其中一部分能量通过 激 发 平移 及 涡 流 的机 制 而 用于 露 天矿 内通 风 0l 3 _ ． 已经 发表 的研 究结 果 似 乎是 推 翻 了 早 先所 作结论 ，并证 实了采用上述类型的风 机 在其现有 的发动机 功率条件下的有效性 。 按 照本文作者 的意见 ，没有足够 的根据 可 以证 明到 目前 为止 已经研制的 、并在露天 矿使用 的上述 风机 ，能够获得露天矿通风 的 正效益。对这类通风手段在露天矿的使用效 益产生不 同意 见的原 因 ，首先是与测量 和评 估风机工作结果 的可靠方法和手段 的不完 善 应该说是缺 乏 有关 。 倒 如 ，甚 至到现在 还 用 目测方 法来观 测露 天矿 内的风 机 的作业 ， 当然不可 能对风 流 的参数进 行 可靠 的测定 。 所有这些 只能证 明 对 于这样的通风对象 ， 是 不 能采 用传统的及通用 的通 风系统 最近 l 0 年， 在苏联科学院科拉研究中心 矿 业研 究所 进行的研究结果 ，促 使人们重视 将 露天矿作为通风对象时 所具有的一系列 特 点 ，对于这些特点估计不 足 ，会导致严重 的 失误 。 对于传统 的通 风对 象 矿井 、 车 间等 而 言 。通风的 系统是 完全 限定的 ，向通风对 象 供给计算风量 ，通 常是通风的必要与充分 条 G 2 件 。与之不 同的是 ，露天矿大 气与周围环境 的 空气交 换是不 规则 的和难 以控制 的 ，而将 杂 质排 出露天 矿边界 仅仅 是 所 必要 的 ， 但还不是 充分 的通 风 。 地下金属矿 山 那里污染 空气的排 放量 比露天矿要少很 多的通风经验表 明 ，甚至 在外部大气 中出现静 风及 逆温 时 ， 也无必 要 耗费额外 的能量 用于扩展在周 围环 境中的换 气范围 ， 因为此 范围实际上是 无限 的。因此 ， 主要的能量是消耗 在迁移通风对象 内部 的风 量 ，并将其排 出通 风系统 的边 界 以外 。 在露天矿使 甩射 流通 风时 ，新风进 入区 是在污风排放 区附近 ，因而会使排 出的有 害 物重新返 回露天 矿 ，并且 为 了提高该通 风方 式 的效率 ，要求 扩大 换气 周围环境 的范 围。 而这一 点本 身会导致 主要能耗 与露天矿 内部风流 的形成 无关 ，而 只是 与露天矿 理想 边界之外发 生的风流有关 ，因为 自然风 力所 作 的功很弱 功率较 小的露 天矿用 射流 风机 ，能 够通过露天 矿的理想边界形成大量 气流 ，这 一 点确是不 容争议 的事实 而且能 够充分表 示 其完 成了通 风所需的必要条件 与周围 环 境 地表 的空气交换 我 们现 在来分析 一 下充分性 的条件 。无需证 明， 自由射 流的 扩 展距 离是 有限 的，虽然 理论 不 能确 定其 界 限 。假设 垂 向的射流尽管 已经达 到了露天 矿的假 定 理想 边界 ，但并 未穿 过它 见 图 。 此时 ， 露天矿 风机 实际上并未进行通 风 ， 而 只是搅拌 了露天矿 内部的 空气 ，而且只是 在射流作用 区内，并 非在 整个 露天矿 内部 。 露天 矿内 相对 于假定 边界 l 与 2的 自由射流 扩展 示意 圈 l S S 1年第 7 期 维普资讯 因为露天 矿只有 假定 的边界 ．故可 以在 露天矿 内部 再设 想另外一 条边界 ，而且将 由 同一射流所穿过 。此时 ，根据通风功能的必 要条件 ，在露天 矿边界 z范围内的这一部分 应该是通风的 。所以 ，对 于边 界 2而言 ，露 天矿风机确 实起 到了通风的作 用 ，但对于边 界 l而言 ，仅 只起到 了 “ 搅拌 器 作用． 由 此可见 ． 如果在边 界 l ～ 2范围 内，与之产生 换气的露天矿或周 围环境的领域是如此 的宽 阔 ，尽管污风 向它排放 ，但仍可长 时间地供 给新风 。那 么 ．形成 自由射流 的装 置确是在 完成风机的功能 如 果该换气范 围很小 ．则 露天矿射流装置的工 作会 很快变为 对一 定范 围内的空气的简单搅 拌 由此可以得 出结 论 ，无论是露天矿局部 通风 或全 矿通风 ，只有在 当换 气范 围的尺寸 比起 通风 对象本身的体积大很 多 ，而且新风 的进入 区与 污风 的排 放 区 不在 一 起的 时 候 彼此相隔足够 的距 离 ．才是满 足了必要与 充分 条 件 。 按 照文献 [ 6 ]的理论是很难 估算露 天矿 风机运转 时实际换气范 围的大 小的 。 因此 ， 在 露天 矿通 风实践 中，通风射流 的工作 范围是 根据文献 [ 6 ]的理论确定的 ， 该理 论只是 研 讨了射流发展的基本地段 ，至于空气对射流 的渗漏 ，则认为是沿着水平流线 对垂 向射 流而言 ，实际上是来 自无限远处 ] 。但是 这 种假设没有根 据 ，而对在基本射流外部 的风 流结构 ．则 至今未进行过研究 。 原 贝 | 上 ，形成垂 向射流 的装置 ，是 一种 保持人工 对流的手段 ，对流最重要 的性质 是 风量 移动 的循 环特征 ，其规模与激 发对 流所 耗能量大 小有 关 。这点在原则上会 改变 流动 过程的方 式 。在描述射流与露天矿大气 相互 作用 ，以及在 利用紊流大气的 空气热动 力学 全部方程式基 础上建立的数学模型上所进 行 的研 究0 】 ， 证 明了 由通风射流形成 的露天 矿 内风流 的循 环特征。 ‘ ] ， 阐 明了这些 差别 具有 原则性 意义 ． 而且对有关 V M I I 型风机与其 它 型风机装 置工 作效 率的概念 ，从卫 生与 能量 国外叠 ■矿山 的角度作 出了重 要的修正 。而 实际 资料 由 机 械 射流 激 发风 流 的有 限 体积 及 其 吸气 直 径 又证 实了这一点[ 1 。例如 ，在射流 装置 的工作 区域 在 4 0分钟工作 期间内存在着 经常起作用 的杂 质源 时 ， 有 9 0 以上的杂质 迅 速扩 散 ，并 滞 留在此 区域 内，只有 少 于 l 0 的杂质扩散到该 区域界 限以外 。因此 需 要经常地与大量地扩展换气范 围 ，以便 使其 中的有 害杂质分散开来 此时露天矿主 要的 能耗 是用于扩展换气范围 ，而不是用于 在露 天矿界限内形 成风流 这部分能耗通常也是 可以估算的 与矿井通风相似 。 看来 ． 对 于露天矿 人工 通风 效率 及能耗的观点上的分 歧 ，其原 因就在于此 。 能耗 量 的大 小可 以按数 学模 型C 4 , g 进 行 的下列计算结 果来 估算。 例 如 ， 由 V MI I - 1 4型 装置激发 的人工垂 向射 流 ，可以形 成局部的 循环区间， 其有代表性的水平尺寸约 1 5 0 m “ 0 ． 2 5 m／ s时 ，而垂 向尺寸则取决 于逆 温 强度 ， 由 1 9 5 m至 l 1 0 m 以下 这就意味着 ， 积 极搅拌 区的体 积只有 l 0 0 ～2 0 0万 m’ 此 外 还应 指 出， 它所表 征的正是 杂质扩散的 区域 ， 而非 V MI I - 1 4型装置 出厂说 明书上所 指出的 通风 区域 。计算表 明，在逆温时 ，为 了使 射 流达到给定的上升高度，所需能量要比在稳 定分层 Y 一0 ． 0 l时大很多倍 如 当温度梯 度 Y一 一 0 ． 0 3 ℃／ m 时 为 2 0倍 ，而 当 Y一 一 0 ． 0 1 ℃／ m时为 9倍 在考虑到露天 矿大气 与土壤和周围环境之间 的相互影 响时．对 破 坏露天矿全矿逆温可能性的估算表 明．该 途 径是完全 没有 前途的 。即使对于 一个 空间体 积为 3 0 0 0万 m 的小型露天 矿 ，所需 的能耗 量达 5 0万 k Wh。为 了对科夫 多 尔采选公 司 “ 铁 露天 矿进行 全矿人工通风 ， 在其 闭坑阶 段 采深 5 5 0 m ， 当存在 静风 及逆温时 ， 所需 的风机功 率约 2 0 0万 k W }对 于卡 恰 尔露 天 矿串联通 风系统 长 7 2 0 m的计算 由三条 各 串联 7台 HK - 1 ,2 KI ] , 风机 的线 路 组成 表 明， 在逆温条件 下组织沿 “ 纵 向走 廊地带 有 效的排污 ，由于射 流进入露 天矿的深度很浅 6 3 维普资讯 而未能 成功 。例如 ，当露天矿底 部大 气污染 浓度升 至 3倍极限允许值后 ，在 射流装置工 作 9 0分钟 的时间 内， 只降到 2 ． 5倍极限允许 浓度 。当逆 温不存在时 ，通 风过 程的效率虽 有 所提高 ，但大气 污染浓度 依然高于极限允 许值 。 本文作者在这里 阐述 的道理 ，对于评价 夸 后解决该问题的有效途径 来说 ，提 供了 充 分而重要的论据。就 目前来讲，因为在现有 的和设计 中的小功 率通 风装置条件下 ，不 能 获得预期 的卫生效 益 ，要想达到此 目的所要 求的能耗量 ，实际 上是不可 能的。 因此在解决露 天矿大气 净化 问题 时 ，对 于 已使用人工 射流装置进行 喷雾 洒水 ，以降 低工 作 区或大 爆 破 区的粉 尘浓 度 的方法 之 后 ，最好 不再使 用人工通风 的方法 。 在解决露 天矿大气 净化 同题 时 ，由于使 用了抑制 与捕 集有 害 的工艺 杂质的手 段 ，创 造 了在生 态学 上清洁 的技术 与工 艺 ，以及独 立的供风设蘸 ，是 能够 获得基本效益的 。但 在 目前 ，为 了提高劳 动的安全性 ，要求首先 从卫生学 的角度 出发 ，应 用监 测大气状况的 自动化操作 系统 以及 设计 阶段 的大 气状况预 测 系 统 。 参 考 文 献 译 自苏联 r ．0 D H m y p g a ． ， 1 991， N9- 1， 5 3 5 5 陆雹荣译 吕乃鳖较 上 接 第 7 8页 种方式工作几年 ，那么实际费用可望与计算 的最小 费用 比相 接近 方程式 3 的单次小惨的平均费用也对 最佳换带 时间具有很大影响 ，如 果实际 费用 偏 离平均 值很 多 ，那 么用平均 费用计算 的 t o 值 只能看作是粗略 的近似值 。实际费用偏离 越少，殷带的实际密损状况就越接近理论的 最佳计划性预 防维 修周 期 费用偏离有各种各样的原因，主要有 ； 损坏程 度 ； 企业组 织情况 如 班 的编制 ； 执行维 修的情况 。 如果这里 讨论的计 划算法被 公司用于作 决策 ，那 么决 策过程的参 数必须与实际的技 术和 组织情况 高度一致 。这 一方面特别受到 损坏 程度 的标准化的影 响 ，另一方面受到消 除胶带 损坏的措施标准 化的影响 。在这方面 64 还 必须进行 控 制胶 带停 车时 间的其 它工 作。 然后才 可描述 出胶带 的功 能关 系 。 上述方法 比单凭经验 决定胶带更换 时问 优越 ，能把维修费用和胶带在磨损过程的故 障状况 一起 考虑 。这有助于公 司决策 的具体 化，在露天采场和采石场都有一定的意义 参考 文 献 } 】 l F r a n k ．WJ n s e r H Z u r B e s t i mmu n g d e r L e b e n s d a u e r v 0 n F r d e r g an e n He b e z e u g e F r d e r mi t t e l ， Be r l i n 2 5 1 9 8 5 】Nr 1 2 S 3 7 4 『 2 l Wi n t e r ． t- L’ Ei n Be i I T a g z u r Be s t i mmu ． g de r e ffe k t i v e n L e b e n s d a u e v 0 n s t o B a r t i g b ea n s p r u Ch l e a F o r d e r g u ne n Dls A． Hoc h s c h u l e f i i r A h i t e k t ur u nd Ba u we W e i ma r ． 1 9 8 6 ． 1 3 】Wo Op t i ma ] l n s t a n d h a h u I ㈣n S p rin g e r - Vc da g Be r l i n ／ G6t t i n g e n ／ Ne w Yor k I 9 7 0 译 自德 国 Au f b e r e i t u n g s - T e c h n i k 英 文版 ， 1 9 9 0 ， N 9． 9， 4 9 0 4 9 6 J 曹干呜啊世苗译 常冶明较 1 9 9 1 年第 7 期 维普资讯