深井开采工作面通风与降温技术研究.pdf

2 0 0 7 年 4月 第 3 6卷第 2期 中国矿 山工程 C h i n a Mi n e E n g i n e e r i n g Ap r ． ， 20 07 V0 J - 3 6 No ． 2 深井开采工作面通风 与降温技术研究 Fa c e v e n t i l a t i o n a n d c o o l i n g t e c h ni c a l r e s e a r c h f o r d e e p s h a f t mi n i n g 袁世伦 铜 陵 有 色 金 属 集 团 公 司 技 术中 心， 安 徽铜 陵2 4 4 0 0 1 ’ 摘要 对 国内外深热矿井掘 进工作面通风与降温技 术进 行 了理论 分析 与研 究， 结合冬瓜 山铜矿的具体开采条件 ， 确定 了掘进 工作面强化通风与降温 实施方案。 关键词 深 井开采； 掘进工作面； 强化通风； 降温 Ab s t r a c t 1 1 1 e d e e p h o t s h a f t d ri v i n g p l a c e v e n t i l a t i o n a n d c o o l i n g t e c h n i q u e a t h o me a n d a b r o a d w e r e r e s e a r c h e d an d a n a l y s e d t h e o ret i c a l l y ．E n f o r c e d v e n t i l a t i o n a n d c ool i n g p l a n f o r d ri v i n g p l a c e we r e c o n fi r me d a c c o r d i n g t o the s p e c i fi c mi n i n g c o n d i t i o n o f Do n g u a s h a n C o p pe r Mi n e ． Ke y wo r d s d e e p s h aft mi n i n g ； d ri v i n g p l a c e ； e nfo r c e d v e n t i l a t i o n ； c oo l i n g 1 概述 冬瓜山铜矿床是我 国有色金属矿山首例埋藏深度超过 千米 ， 且矿体均赋存于热害区的特大型高硫铜矿床 。矿区年 平均气温 l 6 ． 2 ℃， 夏季年平均气温 2 7 - 4 ℃， 最高气温达 4 0 ． 2 ℃。 冬瓜 山铜矿特殊的开采条件 深井 、 高温 、 高硫 矿床 决定了 设计 的井下通风系统除 了要满足向井下供给足够 的新鲜风 流、 有效地排出炮烟和粉尘外 ． 还要排出井下各种热源放 出 的热量 ． 从 而保证井下采矿生产达到安全规程 的要求 。 为井 下作业人员创造一个 比较安全 、 舒适 的作业环境。因此 ． 必须 重视冬瓜 山井下的通风问题． 以确保冬瓜山铜矿能够顺利实 现投产 、 达产 的生产 目标 。 冬瓜 山铜矿床的开拓系统 已经基本形成 ．包括冬主井 5 ． 6 m 、 冬 副井 6 ． 5 m 、 专 用进 风 井 6 ． 9 m 、 冬 辅 助井 6 4 ． 5 m 、 大团山副井 5 ． 6 m 及冬瓜 山专用回风井 7 ． 4 m 等共六条竖井 以及 主斜坡道 ⋯ 6 7 0 8 7 5 m 和一 8 7 5 m主运输 水平的环形运输巷 ，采 区包括一 6 7 0 、 一 7 3 0 、 一 7 9 0 、 一 8 5 0 m中段 和一 8 7 5 m运输水平 ． 各中段之间通过斜坡道联络 。目前三条 主要 回风 巷 中一 7 9 0 m 总 回风巷 和 一 8 5 0 m I 总 回风 巷 已经 投 人使用． 一 8 5 0 m 2 总回风巷及部分采区回风联络巷正在施工。 根据矿体赋存条件。 采用大直径垂直深孔落矿 以及上 向 中深孔落矿阶段空场嗣后充填的采矿方法段 计年产量 3 3 0 万 t 。 根据攻关“ 深井高温高应力矿床采矿方法研究” 的阶段性研 究成果 ， 冬瓜山铜矿床沿走 向划分盘 区， 宽度 1 0 0 m， 盘区长 度为矿体水平厚度。盘区之间暂 留隔离矿柱 宽 1 8 m ， 采场 维普资讯 2 中 国矿 山工 程 2 0 0 7 年 第 3 6 卷 方 向沿 矿 体 走 向 ，长 度 为 7 8 m 尾 砂 充填 采 场 或 8 2 m 胶 结 充填 采场 ， 宽 度 1 8 m， 采 用 “ 隔 一 采一 ” 的 回采顺 序 ， 即先采矿房， 回采结束后用胶结充填， 再 采矿柱， 回采结束后用尾砂充填 。 2 局部通风方案的确定 2 ． 1 掘进巷道的基本参数和作业条件 1 掘进巷道的断面形状为三心拱形 墙高 3 ． 0 m ， 拱高 1 ． O m ， 断面面积 2 7 ． 2 4 m ， 最大长度 l O O m， 宽度 7 ． 2 m， 坡度 1 0 ％。 2 一次爆破的最大装药量 1 5 4 k g ； 采用乳化油 炸 药 ， 爆 破后产 生 的有 毒有 害气体 量 ≤8 0 L ／ k g 。 3 采用 的 柴油 铲运 机 的最 大 宽度 为 2 ． 0 5 m， 功 率为 1 1 2 k W； 采用 的电动凿岩台车的功率为 6 0 k W， 其最大宽度为 1 ． 9 m。 4 避免 爆 破过 程 中“ 飞石 ” 打坏 局 扇 通风 风 筒 的安全距离为 1 5 m。 5 每个 循环进 尺 为 2 ． 5 3 ． O m。 2 ． 2掘进 工作面 所 需风量 的确 定 1 按排炮烟的要求， 计算工作面所需 的风量。 由于所掘进巷道的长度不大 ， 所 以采用单一压人式 局扇通风的通风方式。单一压人式通风的掘进工作 面所需的风量按下式计算 Q 、 ／ 式 中 p 工作 面所 需 的风量 ， m T s ； ￡ 专门排炮烟通风的时间 ， S ；规程规定为 3 O分钟 ， 即为 1 8 0 0秒 A 一次爆 破 的炸 药量 ， 为 1 5 4 k g ； ￡ 。广一 巷道长度 ， 为安全起见按 l O O m计算 ； ．s 巷道 断面 积 ， 为 2 7 ． 2 4 m 。 将有关数据代人后 ， 得到 Q N ／ 1 5 4 x l O O x 2 7 ． 2 4 6 ． 8 4 m 3 ／ s 故按排炮烟的要求计 算得出工作面需风量为 fi 8 4 m 。 2 按排尘风速的要求 ， 计算工作所需风量 ， 计 算公式 如 下 Q v S 式中 排尘风速 ， 规程规定为 0 ． 2 5 m ／ s ； ． s 巷 道 的断面 积 ， 为 2 7 ． 2 4 m 。 将已知数据代人后得 Q O ． 2 5 0 2 7 ． 2 4 6 ． 8 1 m 3 ／ s 故按排尘风速 的要求 ，计算得工作面所需风量为 6 ． 8 1 mT s 。 3 按柴油铲运机的功率要求， 计算工作面的需 风 量 。按 规 程规 定 ， 以同时 作 业 的柴 油 铲运 机 每 马 力功率每分钟供风量 3 m ， 为依据进行计算 。由于柴 油铲运机的功率为 1 1 2 k W． 故此项计算风量为 Q 1 1 2 3 7 ． 6 1 m 3 ／ s 。 ， jO 在 以上三 种 计算 风 量 方 法所 得结 果 中 ， 以按 柴 油铲运机功率计算得 出的风量为最大 ， 故以此风量 Q 7 ． 6 1 m 3 ／ s 为工作面所需的风量。 2 ． 3 风 简 的类型 选择 和直径 确定 鉴于巷通掘进过程中，一次爆破的炸药药量 1 5 4 、 1 0 6 k g 以及 出碴 用柴 油铲 运机 的 功率 1 1 2 k W 均 很 大 ． 致使按规范计算得 出的工作面需风量包括 爆破后专 门进行排炮烟通风的需风量和正常 作业 时排出柴油铲运机尾气的需风量均为很大， 所以， 要 求使用大直径风筒向工作面导人新风并排 出污风 f 因为风 筒 的风 阻与 风 筒直 径 的 5次 方成 反 比， 故 要 求风筒的直径应尽量大 。但鉴于掘进巷道的宽度 ， 尤其是穿脉巷道的宽度有限f 毛断面的宽度为 4．5 5 m 1 ， 而柴油铲运机的最大净宽度f 2 ． 0 5 m 3 L 比较大， 这就 使得选用风筒的直径不能太大 ， 否则作业过程中， 风 筒 极易 被 柴 油铲运 机 碰撞 面 遭损 坏 另外 在 压抽 混 合式通风条件下，压人式风筒和抽出式风筒必须在 同一段巷道 长度不得小于 l O m 进行布置 ， 吊挂 的 困难 也极 大 。因此 ， 在受 到巷 道宽 度 限制 的条 件下， 无法考虑采用更加经济的直径更大的风筒。只能兼 顾各方面的要求 ， 尽可能选取大一些的风筒 。在矿 山给定的各种有关参数条件下， 经多次反复运算 、 对 比的结果表明， 最终确定使用直径为 8 0 0 m m的风筒 是 比较合理 的。在局部通风中， 风筒是主要的导风 装置 。 按 制作 材料 的不 同， 风 筒可 以分 为柔性 风筒 与 刚性风筒两大类型。鉴于柔性风筒具有的装拆 、 运 搬和存放都 比较方便 ； 重量轻 ， 连接和 吊挂较方便 的优点 无论在 国内还 是在国外 的金属矿井生产 中， 柔性风筒得到了广泛 的应用。随着科技的进步， 我 国市场上 出现 了一种 用尼龙与 阻燃材料经热合 工艺制作面成的柔性风筒 。它具有温度测试点无针 眼 、 无粘缝 的特点 ． 因面不存在针 眼漏风和粘缝漏 风的问题 采用工程塑料专 门制成 的拉链进行风筒 节问的接头连接 ， 比其他柔性风筒原有 任何一种风 筒节与节间的接头连接方法都简便 、 快捷， 且能保证 接头连接处的牢 固可靠 ； 拉链拉紧后， 具有防止拉链 缝隙漏风的装置 ， 有效降低了风筒节间连接处 的漏 维普资讯 第2 期 袁世伦 深井开采工作面通风与降温技术研究 3 风 ； 每 节 长 度 1 0 m 内 ， 带 有 6 0个 钢 圈 的负 压 风 筒 可以充 当抽出式风筒使用 。因此． 在设计方案中． 确 定选择这种用尼龙 和阻燃材料经热合工艺制成 的 风 筒 。 2 ． 4 局扇 选型 根据局扇 的供风量和局扇 的全压计算结果 局 扇供风量 Q f 8 m3 ／ s ， 局扇全压 9 0 1 ． 4 P a ， 然后 以局 扇供风量 和局扇全压 的具体数据为依据 ， 根 据 J K系列 矿用局部扇 风机 的主要技术 参数 性 能 ， 选取 J K 4 0 1 N O ． 7 ． 5型局扇。 该型号局扇与直径 0 ． 8 m的尼龙阻燃拉链连接 的风筒配套使用 ． 可以保 证局扇运行后 ． 满足工作 面所需 风量 的要求 ． 同时 保证局扇运行的高效状态。 2 ． 5 单 一压入 式通风 方 案的布 置 压 人式 局 扇 l f D J K 5 0 一 N o 7对 旋 局扇 安 装在 5 4 线穿脉巷道 风 源巷道 内． 5 2 一 l 4采场 出矿巷道 5 的上风侧 ． 局扇轴心线 到巷道底板间的垂直距离为 l m． 局扇与巷道侧壁间的距离为 0 ． 1 m。 压人 式 风 筒与 局扇 出风 口相 连 ． 整 条 压 人式 风 筒沿 5 4线穿脉巷道一5 2 1 4 采场 出矿巷道一5 2线 穿脉巷道敷设 ． 见图 l所示 。随着掘进工作 面的向 前推进 ， 及时用短 节风 简接 长整条风筒 ． 并始终保 持风筒末端 即风筒 出风 口 到掘进工作 面间的距 离为 1 8 m． 以避免工作面放炮时“ 飞石 ” 打坏风筒 。 风筒通过锚杆 、 拉筋 、 吊挂铁丝进行现场安装 、 吊挂 和定 位 。 通一 8 5 0 m中段 总回风道 图 l 5 2线穿脉巷道掘进工作面局扇通 风最 终布置示意图 l 一压入式局扇 D J K 5 0 一 N o 7 ； 2 一拉筋 8号铁丝 ； 3 一风源巷 道 5 4线穿脉巷 道 ； 4 一压入式风筒 直径 8 0 0 m m ； 5 5 2 一 l 4采场 出矿巷道 ； 6 5 2 一 l 2采场出矿巷道 7 一风 简直 角拐弯处带钢圈 的风筒； 8 一掘进巷道 5 2线穿脉巷道 ； 9 、 l O 、 l 1 一温度和湿度测 试点 3 局部通风主要参数测定及指标分析 现场测定时． 使用数字温 湿 度计测定温度和湿 度 ， 用水银温度计测定温度 ． 用量程为 0 3 0 m ／ s 的热 电风速仪测定风速 。 3 ． 1 风量 风速 测定及其相关指标的计算 1 局扇风量 压人式风筒进风 口风量 由于现 场 条件 下无 法 直 接测 出 局扇 的风 量 ， 所 以根 据 现场 试验的实际情 况和具体条件 ． 采取了“ 首先在 与局 扇出风侧直接相连接的风简f 第 l 节压 人式风简 上 距离 局扇 出风 口 2 m处 开 一小 孔 ．然后 将 热 电风 速 仪 的测杆插入风筒内 ． 控制测杆的位置使 ‘ 热球 ’ 在 风简内沿水平方向的风简直径上移动 ， 在这条直线 f 水平直线 上测定 l 0个点 的风速 ． 取每个测点读数 记录的平均值作为风筒的断面平均风速” 的测定方 法 。进行 3次 测定 的结果 证 明 ． 每 次测 定 时， “ 热球 ” 处于水平直线上各个测点位置时． 读数很稳定。然 后根据 3次测定 的读数记录 ． 先计算 出每次测定风 速 的平均值 ． 作为该次测定的风筒断面平均风速， 最 后 计 算 出 3次 测 定 的 断 面 平 均 风 速 的平 均 值 f 2 0 ． 8 m ／ s 作为风简 的断面平均风速。风简直径 为 8 0 0 mm． 风 筒 的 断 面积 为 0 ． 5 0 2 7 m z ， 故 测定 风 量 q o ． 5 0 2 7 x 2 0 ． 8 1 0 ． 4 6 m3 ／ s 。鉴于局扇 出风侧与头一 节压人式风筒之间的连接 比较牢靠而且很严密 ． 连 接处的漏风完全可以忽略不计 ． 故测定风量也就等 于局扇风量 ， 即局扇风量 Q l O ． 4 6 m3 ／ s 。 2 压人式风筒 出风 口风量 由于测定前做 了 必要的准备工作 ． 故测定时风筒安装和吊挂 的状况 较好 ． 为风筒出风 口风量测定提供了比较正常的条 件，所以实测时热电风速仪的读数都比较稳定。最 后， 根据 3次测定 的读数记录， 用同样 的方法计算 出 3次测定 的风筒 出风 口的断面平均风速 的平均值 f 1 9 ． 7 m ／ s 作为风筒出风 口的断面平均风速。故风筒 出风口风量 q o ． 5 0 2 7 x 1 9 ． 7 9 ． 9 m 3 ／ s 。 3 有效风量率 单一压人式通风情况下 ， 有效 风量率 是指压人式风筒出风 口的风量与局扇风 量f 即风筒进 口风量 之 比的百分率 。将上述相关数 据代人下式得 n n n 77 1 0 0 ％ 裔 9 4 ．6 ％ 式中 Q出 。 和 Q进 。 分别表示风筒出风 口风量与风筒 进风 口风量。 有效风量率越大， 表示风筒在导风的全 程中漏失的风量越小 有效风量率越 小 ． 表示风流 下转第 4 8页 维普资讯 ． 4 8 中国矿 山工程 2 0 0 7 年 第 3 6 卷 上接第 3页 在沿风筒全程 从风筒进风 口到风筒 出风 口的全部 长度 流动 过程 中 ， 漏 失 的风量 越 多 。 3 ． 2空气温度和相对湿度的测定 为了测定掘进工作 面和 5 2线穿脉巷道内不 同 地点的空气温度 和湿度 ， 在该巷道内布置了三个有 代表性 的测点 ， 如图 1 所示 ， 9表示掘进工作面附近 的测点 1 0表示 5 2线穿脉巷道与 5 2 1 采场 出矿 巷道交汇处的测点 l l 表示 5 2 线穿脉巷道与 5 2 1 2 采场 出矿巷道交汇处的测点。在局扇停止运行与局 扇正常运行并在工作 面附近空间充分洒水这两种 不同条件下 ． 分别测定三个测点处空气 的温度和湿 度 。 测定结果见表 1 。 表 l 空气温度与湿度测定结果 在 5 4线穿脉内局扇进风 口旁测得 的空气温度 为 2 5 ℃， 同时还测得该横 断面内断面 中心点的风速 为 1 ． 4 m ／ s 。 3 ． 3分析 与评 价 1 风筒的有效风量为 9 4 ． 6 ％表明， 局扇风量经 过总长为 1 4 7 m的风筒流动后 ．绝大部分都从风筒 出 口射出而到达了掘进工作面附近的空间。 输送风 量的效率很高。说 明所使用 的风筒在输送风流过程 中。 风量的漏失程度小， 即漏风小。其原因是这种风 筒经过高温热合工艺制成 ， 故无针眼 、 无针缝， 不存 在沿程漏风。同时 。 经过现场试验应用证明 ， 用工程 塑料制成的专用拉链进行风筒之间 的接头连接后， 两节风筒连接处 的强度足够 。 漏风也小 ， 接头处 的 拉链没有发生过任何问题。所 以这种风筒安装 、 吊 挂 、 节与节问的连接以及存放 、 运搬都 比较方便 ． 有 推广价值 。 2 根据表 1 ， 从局扇停开与局扇正常运行并在 工作面附近空间充分洒水这两种不同条件下 ． 对空 气温度 、湿度 的测定数据进行对 比分析可 以看出 ． 在无柴油铲运机运行的情况下，实际到达掘进工作 面 的 风 量 为 9 ． 9 m ％ ， 实 现 了强 化 通 风 ， 再 加 上 对 工 作面附近空间进行了比较充分的洒水 ， 可使工作面 的气温降低 2 - 4 ℃。 4结 论 1 试 验研究表明 首次在我 国金属矿 山的局 部通风 中。 采用大直径 8 0 0 mm 风筒进行 强化通 风 试验并将强力局扇 功率为 2 1 5 k W 的对旋局扇 造 成的大风量 1 0 ． 4 6 m3 ／ s 有效地输送到工作面。 2 在冬瓜山铜矿局部通风 中首次采用尼龙与 阻燃材料经热合工艺制作而成 的无针眼 、 无粘缝柔 性风筒且接头连接采用工程塑料专门制成的拉链 ， 连接方法简便 、 快捷 ， 且能保证接头连接处 的牢固 可靠 ； 拉链拉紧后 ， 具有防止拉链缝 隙漏风的装置 ， 有效降低 了风筒的漏风， 有效风量率达 9 4 ． 6 ％， 值得 推广。 3 试验研究表明 掘进作业面洒水既可起到 降温 、 防尘作用 。 又能改善作业环境 ， 提高工人的工 作效率 ，应坚持在工作面及其附件巷 道 内经常洒 水 。 并形成制度。 【 参考文献】 [ 1 ] 铜陵有色金属 集 团 公 司 ， 铜都 铜业冬瓜 山铜矿 ， 中钢 集 团马鞍山矿山研究院 ．中南大学 ．江西理工大学 等． 十五” 国家科技攻关课题攻关成果专题报告” 深井开采 通风降温与节能控 制技 术研究” f R 】 ， 2 0 0 6， 3 ． 维普资讯