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    大冶鐵礦尖林山車間井下通風系統(tǒng)改造

    2013-04-21 05:46:54陳國平阮德超胡文軍
    武漢工程大學學報 2013年6期
    關(guān)鍵詞:門坎風井斜井

    陳國平,阮德超,胡文軍,呂 玲,蔡 勇

    (1.武漢工程大學電氣信息學院,湖北 武漢 430074;2.武漢工程大學環(huán)境與城市建設學院,湖北 武漢 430074)

    0 引 言

    礦井通風是創(chuàng)造礦井正常生產(chǎn)環(huán)境和安全生產(chǎn)條件的基礎(chǔ),也是礦井安全生產(chǎn)的基本保障[1].據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,到2007年底,我國有金屬非金屬地下礦山11 799座.其中,已建立機械通風系統(tǒng)的6 826座,占地下礦山總數(shù)的57.9%,未建立機械通風系統(tǒng)的4 973座,占地下礦山總數(shù)的42.1%[2].然而隨著許多礦山生產(chǎn)的發(fā)展以及礦井通風系統(tǒng)管理不善,導致出現(xiàn)井下采空區(qū)多、漏風大、風流紊亂、串聯(lián)風多、風量與風質(zhì)達不到要求等問題,而且由于有效風量率低直接造成較高的通風成本.這是我國目前地下開采礦山普遍存在的問題,不僅是經(jīng)濟上的損失,更關(guān)系到井下作業(yè)的每一名礦工的生命安全.

    對礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化的研究很有必要,國內(nèi)外許多專家和學者對此進行了廣泛深入的研究,并取得了許多成果,如在礦井通風網(wǎng)絡解算和通風系統(tǒng)圖的建立幾個方面都開發(fā)出了相應的運用軟件.先進的計算機技術(shù)為系統(tǒng)優(yōu)化帶來極大方便,上世紀80年代初,以加拿大、澳大利亞、美國和英國為代表陸續(xù)開發(fā)出整套礦井通風管理軟件.在國內(nèi),由于語言和價格等方面的原因并沒有普及這些軟件,自80年代末始,經(jīng)過二十多年的發(fā)展,不少軟件已開始成功投入使用.中國礦業(yè)大學開發(fā)的計算機圖形系統(tǒng)軟件,專門用于礦井通風系統(tǒng)圖形管理和事故救災輔助決策,并很方便地生成礦井通風系統(tǒng)圖.貴州工業(yè)大學采礦教研室研發(fā)的MVS-MIS系統(tǒng),系統(tǒng)使用方便,資源共享性強,安全可靠性高,加速了礦山信息化管理步伐.但是在實際通風系統(tǒng)優(yōu)化工作中,由于缺乏專門的優(yōu)化決策支持軟件,工程人員面對大量的數(shù)據(jù)而無法運用科學的方法進行定量計算.另外,通風系統(tǒng)優(yōu)化的不同環(huán)節(jié)中運用不同的軟件,不但繁瑣而且不利于信息處理和記錄,加上受當時計算機編程語言的限制,之前開發(fā)的軟件在信息輸入、軟件操作、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面都存在著缺陷[3].

    通過運用系統(tǒng)論、圖論、拓撲學的觀點,對大冶鐵礦尖林山礦井通風系統(tǒng)進行改造設計,進行風網(wǎng)解算,以求達到技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的風網(wǎng)風流控制方案,從技術(shù)上解決上述存在的問題.

    1 工程概況

    武鋼礦業(yè)公司大冶鐵礦礦區(qū)位于湖北省黃石市鐵山區(qū),東距黃石市區(qū)25 km,東南距大冶市15 km.礦區(qū)水陸交通十分方便.礦區(qū)內(nèi)氣候冬冷夏熱,四季分明,雨量充沛,為典型的亞熱帶大陸性氣候.開采標高為+276 m至-280 m.開采礦種:鐵礦.

    礦區(qū)共分布有6個主要大礦體,自西向東依次為鐵門坎、龍洞、尖林山、象鼻山、獅子山、尖山礦體,除尖林山為隱伏礦體外,其余均露出地表.礦體呈似層狀、透鏡狀,礦體總體走向為北西西,向深部轉(zhuǎn)向南南東傾斜.礦體北部是閃長巖,地勢高;南部是大理巖,地勢低[4].

    2 通風系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題

    目前,尖林山車間井下通風系統(tǒng)存在風機機站分布分散、通風網(wǎng)絡復雜、風路較長、通風費用高、主扇能力不足、礦井總風量不足、采區(qū)通風困難,系統(tǒng)外部漏風等問題[5].具體如下:

    (1) 礦山各采區(qū)均已轉(zhuǎn)入-110 m以下二期開采,各采區(qū)二期開采的回風井與上部一期開采的回風井在-110 m水平錯開,并且與-110 m中段運輸巷相通,造成大量新鮮風流直接從-110 m中段運輸巷流入上部回風井排出而不能進入-110 m以下作業(yè)中段.

    (2) 由于上述原因,龍洞采區(qū)與鐵門坎東區(qū)-110 m以下作業(yè)面風量嚴重不足,鐵門坎東區(qū)風流甚至反向西行下到-17 0m、-230 m、-270 m水平.

    (3) 鐵門坎北區(qū)-110 m以上一期工程電梯井已破舊不能正常運行,給設于鐵門坎北回風斜井口的風機管理帶來極大困難.北區(qū)-110 m以上各水平漏風嚴重,造成-110 m以下回風能力過小.

    (4) 鐵門坎南回風斜井口的風機已拆除,南區(qū)的通風系統(tǒng)已癱瘓,-110m以下作業(yè)面的炮煙下行到-170m中段,影響到運輸作業(yè)的安全.

    (5)鐵門坎西區(qū)和東區(qū)的需風量主要是來自于鐵門坎副井,然而隨著深部開采的繼續(xù),系統(tǒng)外部漏風增加,進風量已滿足不了各采場的需求.

    (6)現(xiàn)有的通風系統(tǒng),特別是鐵門坎西區(qū)的通風線路長,通風巷道復雜紊亂,這不僅給通風管理造成不便,而且局部可能存在的污風循環(huán),給井下開采作業(yè)造成嚴重安全隱患.

    為了能最大限度地解決這些問題,并節(jié)約通風能耗,降低通風費用,提高通風系統(tǒng)管理水平,有必要對系統(tǒng)進行改造設計.

    3 通風系統(tǒng)改造方案

    3.1 鐵門坎采區(qū)

    鐵門坎采區(qū)分鐵門坎西區(qū)與鐵門坎東區(qū)兩個通風系統(tǒng).鐵門坎西區(qū)原北回風斜井改為進風井(拆除北回風斜井下部風機),一部分新鮮風流由北進風斜井(原北回風斜井)分別經(jīng)過-50 m水平原北進風井、北提升井和北回風井至-110 m中段,再經(jīng)電梯井、斜坡道進入各作業(yè)分層;另一部分新鮮風流由鐵門坎副井分別進入-110 m、-170 m 中段,再從斜坡道、電梯井進入各作業(yè)分層,作業(yè)排出的污風匯集于礦體北端與西端的回風井上至-110 m水平,再經(jīng)南回風井和南措井上升至-50 m水平,最后由設在南回風斜井井口的兩臺并聯(lián)風機抽出至地表(拆除南回風斜井下部風機).

    鐵門坎-45 m水平溜破回風井口設有一臺風機,將破碎硐室污風抽出至南回風斜井,最后由南回風井口的兩臺并聯(lián)風機抽出至地表.

    鐵門坎東區(qū)新鮮風流從鐵門坎副井下至-170 m階段運輸巷,再由-170 m階段運輸巷進入東區(qū)人行通風天井上至各作業(yè)分層,作業(yè)排出的污風匯集于礦體東端的回風井上至-110 m水平,經(jīng)-110 m階段原鐵門坎東回風井至-50 m水平,再由設于+90 m地表的兩臺并聯(lián)風機通過電梯井、鐵龍回風斜井抽出排至地表[6].

    3.2 龍洞采區(qū)

    龍洞采區(qū)新鮮風流從龍洞斜坡道與龍洞主進風井、階段進風井及原提升井進入-110 m階段運輸巷,再由斜坡道下至-170 m階段運輸巷,并由位于礦體東端、中部的進風井進入各作業(yè)分層.作業(yè)排出的污風匯集于礦體西端的回風井上至-110 m水平,經(jīng)龍洞回風井至-50 m水平,再由設于+90 m地表的兩臺并聯(lián)風機通過鐵龍回風斜井抽出排至地表.

    3.3 尖林山采區(qū)

    尖林山采區(qū)新鮮風流從石塔溝主井分別進入-110 m、-170 m水平階段運輸巷,再從斜坡道、電梯井進入各作業(yè)分層,作業(yè)排出的污風匯集于礦體東端的回風井上至-110 m水平,由設于+105 m水平的兩臺并聯(lián)風機抽出,通過-50~-110階段回風井、尖林山回風斜井排至地表.

    針對通風系統(tǒng)存在的問題,此次改造的目標是研究滿足井下尖林山、鐵門坎、龍洞三個采區(qū)-170 m中段生產(chǎn)比較合理的通風方式,建立一個有效風量率≥65%,風機平均效率≥65%,滿足-170 m中段作業(yè)的高效運行井下通風系統(tǒng)[7-8].

    4 礦井通風阻力及需風量計算

    4.1 井下需風量

    根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》對于井下通風安全的規(guī)定和各采區(qū)生產(chǎn)情況,同時考慮礦井漏風及風量調(diào)整不及時的備用風量,取漏風系數(shù)0.40,各采區(qū)需風量計算如表1所示.

    表1 各采區(qū)需風量Table 1 Required amount of air in each mining area

    4.2 礦井通風阻力計算

    由于礦井巷道極少為圓形,可用當量直徑d=4S/U代入沿程阻力公式得:

    則井巷摩擦阻力計算公式為

    Hf=RfQ2

    式中:λ為沿程阻力系數(shù);ρ為空氣密度,kg/m3;S為巷道斷面積,m2;U為巷道周界,m;L為巷道長度,m.

    5 通風系統(tǒng)網(wǎng)絡解算

    風網(wǎng)解算時,考慮到大冶鐵礦鐵門坎、龍洞和尖林山的通風網(wǎng)路是一個整體,構(gòu)成一個通風系統(tǒng),根據(jù)系統(tǒng)論的觀點,不能將三個工區(qū)截然分開.因此,解算時我們將整個通風系統(tǒng)經(jīng)過拓撲變換,然后代入原始數(shù)據(jù)進行計算機解算.原始數(shù)據(jù)包括分支的起始結(jié)點號、風阻、需風量、自然風壓或恒壓源壓頭等,分支、主扇曲線條數(shù)和曲線特征點的風量、風壓,以及迭代限與迭代精度[9].

    5.1 風網(wǎng)分析方法及解算軟件

    常用的風網(wǎng)解算方法有斯科特·辛斯利Scott-Hinsley)法和牛頓·拉夫遜(Newton-Raphson)法.其中Newton-Raphson法是一種斜量法,其收斂速度快,但對內(nèi)存要求量大而每次計算占機時間較長;Scott-Hinsley法是一種迭代法,雖然其收斂速度受所圈劃回路的影響,但其算法簡單,內(nèi)存要求不大,每次迭代運算速度較快,收斂性較好,故本文采用Scott-Hinsley法進行風網(wǎng)分析.

    在上述方法的基礎(chǔ)上開發(fā)出新的風網(wǎng)分析軟件Mvnet Version1.4對大冶尖林山鐵礦井下通風系統(tǒng)網(wǎng)絡進行解算,該軟件的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示.

    5.2 風網(wǎng)解算步驟

    由主程序輸入原始數(shù)據(jù)進行風阻計算,通風阻力R=aPL/S3,a為摩阻系數(shù),P為巷道周長,L為長度,S為面積.再通過最小二乘法進行風機特性曲線擬合.風網(wǎng)解算程序框圖如圖2所示.

    5.3 主扇性能曲線擬合

    風網(wǎng)主扇K40-6-№16、K40-4-№11的性能曲線分別如圖3、圖4所示.注意并聯(lián)主扇特性曲線按照“風壓相等,風量相加”的原則合成.

    圖3 K40-4-№11等風機特性曲線圖Fig.3 Characteristic curve of K40-4-№11

    5.4 通風網(wǎng)絡解算

    根據(jù)通風方案和通風解算網(wǎng)絡圖以及相關(guān)基礎(chǔ)資料,編制巷道風阻、網(wǎng)孔、風機及機站原始參數(shù)文件,然后利用礦井通風系統(tǒng)解算軟件Mvnet version1.4進行網(wǎng)絡解算.

    圖4 K40-6-№16等風機特性曲線圖Fig.4 Characteristic curve of K40-6-№16

    風網(wǎng)分支數(shù)NB=264,迭代最大次數(shù)MIT=500,迭代限E=0.001.風網(wǎng)主扇數(shù)NFC=4,根據(jù)結(jié)算結(jié)果對各主扇性能曲線參數(shù)進行擬合.

    6 機站解算結(jié)果及鑒定指標

    通過計算工作面需風量,巷道通風阻力和風機特性等參數(shù),運用風網(wǎng)分析軟件Mvnet Version1.4進行風網(wǎng)解算.風機參數(shù)解算結(jié)果如表2所示.其中風機實耗功率計算公式為

    式中:N為風機所需功率;P為風機全壓,Pa;Q為風機風量,m3/s;K為電機容量儲備系數(shù);η1為風機全壓效率;η2為機械效率.

    同時,為檢驗結(jié)算結(jié)果的正確性,還應根據(jù)《冶金礦山礦井通風系統(tǒng)鑒定指標》相關(guān)規(guī)定,對改造后的尖林山礦區(qū)通風系統(tǒng)進行全面的檢測,并按照基本指標、綜合指標和輔助指標對其進行評價[9],評價指標如表3所示.

    表2 機站參數(shù)解算結(jié)果Table 2 Calculating results of ventilation station parameters

    表3 通風系統(tǒng)鑒定指標Table 3 Evaluation index of ventilation system

    7 通風系統(tǒng)改造工程

    (1)輔扇.根據(jù)解算結(jié)果,需要在以下兩處安裝輔扇進行增壓調(diào)節(jié):

    龍洞-122 m開采水平安裝一臺型號為K40-6-NO13風機,其功率為3.6 kW.

    龍洞-134 m開采水平安裝一臺型號為K40-6-NO13風機,其功率為3.6 kW.

    輔扇也可以使用原鐵門坎北回風斜井和南回風斜井拆下來的風機.

    (2)通風構(gòu)筑物.為保證風流按生產(chǎn)需要和已設計的通風路線流動,需建立和設置必要的通風構(gòu)筑物以實現(xiàn)風量的有效調(diào)節(jié)和合理分配[10-12].

    在鐵門坎東區(qū)-170 m至-110 m北端回風井聯(lián)巷設置調(diào)節(jié)風窗進行風量增阻調(diào)節(jié).

    在龍洞采區(qū)-170 m至-110 m中部進風井聯(lián)巷設置調(diào)節(jié)風窗,進行風量調(diào)節(jié).

    (3)通風井巷工程.拆除-50 m水平北回風斜井風機,將鐵門坎北區(qū)北回風斜井改為進風井,-50 m至-110 m原北進風井、北提升井、北回風井均改為進風井;拆除南區(qū)-50 m電梯井風機及相關(guān)設備,將鐵門坎南區(qū)南回風井、南措井均作為回風井用[13].

    8 結(jié) 語

    a.針對大冶鐵礦尖林山車間通風系統(tǒng)存在的問題,在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上提出了通風系統(tǒng)改造方案.

    b.采用Scott-Hinsley風網(wǎng)解算方法,參與開發(fā)了Mvnet Version1.4 風網(wǎng)分析軟件,并用該軟件進行了風網(wǎng)解算,獲得了使風機效率較高的解算結(jié)果,同時提出了采用增阻和輔扇調(diào)節(jié)方案進行風量調(diào)節(jié).

    c.通過對礦井通風系統(tǒng)進行改造,解決了以往通風系統(tǒng)中存在的問題,提高了礦井安全性,并且節(jié)約了通風費用,具有較大的經(jīng)濟和社會效益.

    致謝

    感謝環(huán)城學院張電吉院長的支持和幫助,以及武鋼大冶鐵礦領(lǐng)導和工程師們的指導,他們?yōu)轫椖宽樌M行提供了必要的數(shù)據(jù)和資料.

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