深井可控循環(huán)風水浴絲網(wǎng)凈化降溫技術研究

周英烈

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院；2.非煤礦山通風防塵湖南省重點實驗室)

深井可控循環(huán)風水浴絲網(wǎng)凈化降溫技術研究

周英烈1,2

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院；2.非煤礦山通風防塵湖南省重點實驗室)

在分析了深井主要熱源的基礎上，基于可控循環(huán)風理論，提出了深井可控循環(huán)風水浴絲網(wǎng)凈化降溫技術。該技術應用噴射水幕、纖維柵欄、噴淋濕式纖維柵和活性碳等凈化降溫裝置，采用迷宮式布置，其中水霧噴淋裝置對污風做截面噴淋，纖維柵網(wǎng)使污風在水平上做S型流動，噴淋濕式纖維網(wǎng)進行巷道全斷面凈化處理，碳式吸附網(wǎng)使污風在豎向上做S型流動，最終使通過循環(huán)巷道的循環(huán)風既能凈化有毒有害氣體和粉塵，又能得到降溫。將該技術應用于紅透山礦井下循環(huán)風系統(tǒng)建設，達到了預期的凈化及降溫效果，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，為解決深井通風困難提供了一種技術上可行、安全上可靠、綜合效益好的途徑。

深井通風 可控循環(huán)風 水浴絲網(wǎng) 凈化降溫

由于不斷地開采挖掘，我國礦產(chǎn)資源量不斷減少，對深部礦產(chǎn)資源的規(guī)?；_采已成為未來我國礦業(yè)發(fā)展的趨勢。然而，隨著礦山開采深度的增加，井下溫度越來越高，已成為影響深井正常生產(chǎn)和安全作業(yè)的主要災害。我國《地下礦山安全規(guī)程》規(guī)定，地下礦山作業(yè)環(huán)境溫度不能高于28 ℃。目前，深井降溫技術已經(jīng)成為了采礦技術研究中的一個重要領域。上世紀80年代，英國提出了可控循環(huán)風技術，并通過試驗論證了該技術的合理性和可行性，自此，國外諸多礦山的深井通風工程中逐漸應用了這一技術[1]。在國內(nèi)，也已經(jīng)有礦山開始使用可控循環(huán)風技術，并取得初步效果，如二道溝礦、紅透山礦等[2]。本文旨在將水浴絲網(wǎng)凈化降溫技術應用于深井循環(huán)風技術中，以達到凈化、降溫的雙重目的。

1 深井熱源分析

地下礦山井下熱源主要有：地熱、空氣壓縮熱、氧化反應放熱、爆破放熱、生產(chǎn)放熱等[3]。

1.1 地 熱

地熱是深井巖層放出的熱量，約占到整個井下放熱量的48%，是最主要的深井熱源。地熱以圍巖傳熱的形式進行散熱，根據(jù)熱量程度及變化規(guī)律，將整個地下巖層劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。增溫帶巖石溫度的增加規(guī)律可以用增溫率來表述：

tr=t0+Gt(Z-Z0) ,

(1)

式中，tr為計算點巖石溫度；t0為地表溫度；Gt為地熱梯度；Z為計算點與地表間高差；Z0為恒溫帶深度。

巖石的溫度最終會傳給井下空氣，傳熱規(guī)律計算如下：

(2)

式中,A為巷道截面面積：t為巷道通風時間：tr為圍巖的初始溫度；ta為計算點空氣溫度；K為圍巖熱導率；α為圍巖熱擴散系數(shù)。

1.2 空氣壓縮放熱

地面空氣在礦井內(nèi)受到了井筒空氣柱的壓力進行絕熱壓縮，在井下時壓縮空氣勢能轉化為熱能，這部分熱能(空氣的絕熱壓縮放熱)約占到井下熱量的20%。研究表明：空氣每下降100 m，溫度升高0.4～0.5 ℃。根據(jù)能量守恒定律，井下空氣絕熱壓縮過程熱量變化規(guī)律計算如下：

t2-t1=0.009 76(Z2-Z1) ,

(3)

式中，t2、t1分別為計算位置與初始位置空氣溫度；Z2、Z1分別為計算位置與初始位置標高。

1.3 礦石氧化生熱

根據(jù)謝爾班研究，計算礦石的氧化生熱：

(4)

式中，ty為礦石氧化增加礦井空氣溫度；S為礦石暴露面積;q0為單位暴露面積礦石氧化放熱量；GB為計算點風量；GP為空氣定壓比熱容。

1.4 爆破放熱

井下炸藥爆炸會有一部分熱量釋放到空氣及圍巖中，增加了礦井空氣溫度。井下炸藥爆炸放熱通常有兩種形式：①在爆破瞬間快速地向空氣及圍巖釋放熱量，形成了一個局部熱源；②傳到圍巖中的熱量會以圍巖放熱的形式，在一個較長的時期內(nèi)緩慢地向礦井空氣中釋放。經(jīng)計算，1 kg 2#巖石炸藥的爆熱為3 676.24 kJ。

1.5 井下生產(chǎn)放熱

在井下生產(chǎn)過程中，提升機械、機電設備、采掘機械、運輸設備、通風設備、排水設備等運行時，會將部分電能或機械能轉化為熱能，散發(fā)到井下空氣中，使井下空氣溫度升高。

2 深井可控循環(huán)風技術研究

2.1 可控循環(huán)風的含義及其發(fā)展

可控循環(huán)風技術是通過安裝循環(huán)風機等方式，將回風巷道的部分風流通過凈化處理，達到井下風質(zhì)要求后再引入到進風巷道，與進入的新鮮空氣混合，以達到循環(huán)使用回風風流的目的，是一種新型通風技術[4]。上世紀40年代，可控循環(huán)風技術試驗在英國錫漢礦成功試行，此后，歐美及南非一些國家也相繼進行了理論分析和現(xiàn)場試驗，諸多試驗及實踐證實該技術切實可行且經(jīng)濟合理。應用可控循環(huán)風技術能夠達到兩個目的：①減少了主輔扇的供風壓力，間接降低了礦山在通風系統(tǒng)上的運營成本；②在保證了風質(zhì)的前提下，滿足了礦山井下局部作業(yè)對風量的需求。另外，若是對巷道的循環(huán)風風流進行相應的冷卻降溫處理，則能有效治理井下的熱害問題，大大降低井下通風風流的制冷降溫成本。

2.2 可控循環(huán)風的技術原理

可控循環(huán)風技術的技術原理見圖1。

圖1 可控循環(huán)風技術原理

由圖1可知：

(5)

式中，Q1為進風井供給用風區(qū)的新鮮風量；Q2為循環(huán)風機供給的循環(huán)風量；Q3為供給用風區(qū)的總進風量；Q4為用風區(qū)的回風量；Q5為整個局部通風系統(tǒng)的回風量。

通過布置在循環(huán)橫巷的循環(huán)風機，將部分用風區(qū)的回風量引入到進風巷道，與進風井的供給風量混合，增加了用風區(qū)的風量，與直接通過加大主風機供給風量而言，大大減少了通風成本[5-6]。

2.3 應用可控循環(huán)風對用風區(qū)的降溫分析

可控循環(huán)風技術對區(qū)域的降溫效果有兩個方面：①在不增加進風井進風量的前提下增加了局部用風區(qū)的有效風量，提高了有效風速，高風速能夠帶走作業(yè)區(qū)部分熱量；②對進入作業(yè)區(qū)的可控循環(huán)風進行凈化和冷卻處理，冷卻的循環(huán)風混入作業(yè)區(qū)能夠降低作業(yè)區(qū)的空氣溫度。

3 水浴絲網(wǎng)凈化降溫技術研究

采取機械方式對流入作業(yè)區(qū)的可控循環(huán)風降溫處理，會提高降溫成本，而且在巷道中安裝降溫設備，會妨礙礦山運輸設備的正常運行。水浴絲網(wǎng)裝置既能大大減少凈化降溫成本，又不影響運輸設備的正常運行。另外，由于水浴的用水量及用水特性是可控的，因而最終的降溫效果也是可以預計的。

3.1 水浴絲網(wǎng)凈化降溫裝置

水浴絲網(wǎng)凈化降溫裝置包括噴射水幕、纖維柵欄、噴淋濕式纖維柵、活性碳吸附裝置。

凈化裝置迷宮式布置：水霧噴淋裝置從頂板對污風做截面噴淋；纖維柵網(wǎng)采取左右交替布置，并間隔5 m左右，使污風在水平上做S型流動；噴淋濕式纖維網(wǎng)對巷道全斷面凈化處理；碳式吸附網(wǎng)采取上下交錯布置，使污風在豎向上做S型流動。

現(xiàn)場安裝見圖2。

圖2 水浴絲網(wǎng)凈化降溫裝置安裝

3.2 凈化裝置的空間迷宮式分布

在充分發(fā)揮采空區(qū)自凈能力的基礎上，采取水浴絲碳式凈化方式，進一步改善空氣質(zhì)量。凈化裝置在循環(huán)風回風巷道中呈迷宮式分布，即凈化設施在循環(huán)風凈化巷道內(nèi)左右交替分布或上下交替分布，使粉塵粒子、有害氣體等在通過凈化巷道時，風流產(chǎn)生碰撞、反射等，以易于被吸附、吸收。

3.3 循環(huán)風全時段遠程監(jiān)控系統(tǒng)

當循環(huán)區(qū)域內(nèi)有污染物大量涌出時(如火災、大規(guī)模爆破)，凈化效果往往達不到正常要求，此時繼續(xù)使用循環(huán)風就會把高濃度污染物再次帶入工作面污染新風流，對工作面構成威脅。風質(zhì)的可控是循環(huán)風可控性的具體體現(xiàn)之一，為了給循環(huán)風凈化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，構建全流程的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。在對循環(huán)風監(jiān)測的基礎上實現(xiàn)控制或預警，即在污染物濃度超過設定值時，監(jiān)控系統(tǒng)封堵循環(huán)風路。

3.4 凈化效果分析

(1)粉塵在經(jīng)過大面積空區(qū)時可在自重作用下凈化，特別是在潮濕的空氣中。

(2)除一氧化碳外，硫化氫、二氧化氮、二氧化硫等氣體都溶于水，可以通過潮濕空氣，噴淋水幕吸收。

(3)一氧化碳氣體為中性，常溫下難以發(fā)生反應，不易溶于水，要采用活性碳吸附裝置進行吸附。

3.5 降溫效果分析

在可控循環(huán)風系統(tǒng)的應用中，依據(jù)循環(huán)率的大小，工作面會有部分熱量返回循環(huán)通風巷道，此時，水霧首先被加熱至無相變狀態(tài)。之后水霧轉化為能夠吸熱的水蒸汽。當水處于無相變的水霧狀態(tài)時，循環(huán)風流中的熱量使得水霧中水分溫度升高，假設水霧使溫度t1變?yōu)閠2，則此過程水霧吸收熱量為Cs(t2-t1);當水處于水蒸氣狀態(tài)時，水蒸氣開始吸收循環(huán)風中的熱量，假設此時吸收的熱量為r。設整個過程作用時間為T，則單位水分的總吸熱量為：

QT= Cs(t2-t1)+r .

(6)

對于使用高壓水浴降溫的可控循環(huán)風系統(tǒng)，可以通過控制水浴溫度有效控制循環(huán)風的溫度。另外，在水浴與循環(huán)風的熱交換過程中，蒸發(fā)的水分能夠一定程度地提高空氣濕度，有利于增加井下作業(yè)人員的作業(yè)舒適度。

4 應用實例

遼寧紅透山礦目前已經(jīng)進入深部開采，隨著開采深度的增加，井下熱害嚴重，礦山通風系統(tǒng)不合理，通風線路長、阻力大，受自然風壓影響較大，總風量存在供求矛盾等一系列問題。為此，礦山進行了深井循環(huán)風水浴絲網(wǎng)凈化降溫技術的研究與應用，通風系統(tǒng)見圖3所示[8]。

圖3 紅透山礦循環(huán)通風系統(tǒng)示意

紅透山礦循環(huán)風凈化巷道為-287 m中段的水平巷道，水霧噴淋裝置從頂板噴淋而下，對污風做截面噴淋；纖維柵網(wǎng)采取左右間隔5 m交替布置，使污風在水平上做S型流動；噴淋濕式纖維網(wǎng)對巷道全斷面凈化處理；碳式吸附網(wǎng)采取上下交錯布置，使污風在豎向上做S型流動，礦山構建一套立體式全流程“循環(huán)風水浴絲碳式凈化系統(tǒng)”。 安裝使用后，測定-287 m中段循環(huán)風,風質(zhì)合格,放出風量可達32.08 m3/s進入風源參與循環(huán)。整個通風系統(tǒng)風量由原來約94 m3/s增加至126 m3/s，增幅達34.1%[9]。

5 結 論

(1)礦山開采進入深部開采以后，由于地下巖石放熱、礦井空氣壓縮熱、礦石氧化反應等熱源因素的影響，熱害問題開始逐漸顯現(xiàn)。

(2)增加通風系統(tǒng)供風量能夠有效解決深井作業(yè)區(qū)的高溫熱害問題，然而風量的增加必然導致能耗的增加，因此，在深井局部作業(yè)區(qū)應用可控循環(huán)風，能夠在不增加系統(tǒng)能耗的前提下大幅度提高用風區(qū)有效風量，是一種經(jīng)濟合理的通風方法。

(3)水浴絲網(wǎng)凈化降溫技術既能對循環(huán)風進行有效凈化，達到用風區(qū)的循環(huán)風風質(zhì)要求，又能起到冷卻循環(huán)風作用，從而改善井下作業(yè)環(huán)境，提高工人的勞動效率。

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Research on the Deep Well Controlled Circulation Wind Purify Cooling Technology with Water Bath and Silk Screen

Zhou Yinglie1,2

(1. Hunan Labor Protection Institute of Nonferrous Metals; 2. Hunan Province Key Laboratory of Metal and Non-metal Mine Ventilation and Dust Prevention)

Based on analyzing the main heat source of deep well, the deep well controlled circulation wind purify cooling technology with water bath and silk screen based on the theory of controlled circulation wind is proposed. The purify cooling devices of the technology are including the injection water curtain, fibre fence, purifying wet type fiber grating and activated carbon, they are arranged into a labyrinth. The dirty wind's section is sprayed by the water mist spraying device, and it is made to flow with S-type by the fiber reseau. The spray wet type of fibers are basically belongs to the roadway purification treatment method with whole section, the carbon adsorption type network makes the dirty wind flow with S-type. The poisonous-harmful gas and dust are purified by the circulation wind of the circular roadway, and the cooling purposes can also be achieved. The cooling technology proposed in this paper is applied in the construction of underground wind circulation system in Hongtoushan mine. The application results show that the the desired cooling and purification purposes are achieved, and good economic and social benefits are obtained, the cooling technology proposed in this paper can provide a technically feasible, safe and reliable,comprehensive benefit method to solve the problem of deep well ventilation.

Deep well ventilation, Controlled circulation wind, Water bath and silk screen, Purify cooling

2015-04-22)

周英烈(1987—)，男，工程師，碩士，410083 湖南省長沙市雨花區(qū)香樟路601號。