基于大風(fēng)流綜合凈化技術(shù)的深井可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)研究

聶興信 趙好瑞 付小艷 高 建 郭進(jìn)平 孫鋒剛

（1.西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

0 引 言

隨著金屬非金屬礦山開采深度不斷增加，通風(fēng)不足成為深井開采面臨的共性問題。國內(nèi)外研究表明，目前控制深井通風(fēng)環(huán)境最有效的措施仍然是加強(qiáng)通風(fēng)［1］。以往增強(qiáng)通風(fēng)的方法有兩種：①重建通風(fēng)系統(tǒng)，更換通風(fēng)設(shè)備，其實施難度大且花費(fèi)成本較高；②提高通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行功率，這樣不僅要付出高額的能耗代價，且因通風(fēng)線路長、通風(fēng)阻力大、漏風(fēng)點多等原因使得傳輸效率大大降低［2］。如何經(jīng)濟(jì)合理地解決深井通風(fēng)不足的問題，是深井開采面臨的一個重大問題，其研究具有重要意義。

可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)為深井通風(fēng)提供了一種新選擇，該技術(shù)是將采區(qū)高溫高濕的含塵污風(fēng)經(jīng)凈化冷卻后重新送回用風(fēng)點的通風(fēng)工藝［3］。金屬非金屬礦山自身具有低瓦斯或無瓦斯的特性，為可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用提供了有利條件［4］。實施可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)的難點在于循環(huán)風(fēng)量受空氣凈化系統(tǒng)的制約，為保障風(fēng)質(zhì)，風(fēng)量不宜太大，而限制風(fēng)量的同時也影響了通風(fēng)不足問題的解決。因此若要解決這一問題，需建立高效的大風(fēng)量凈化系統(tǒng)。對此，國內(nèi)外學(xué)者對大風(fēng)量凈化技術(shù)展開了有益探索：2014年，吳潔葵等［1］提出了金屬礦井下應(yīng)用大風(fēng)流凈化技術(shù)，2015年，周英烈［5］提出了深井可控循環(huán)風(fēng)水浴絲網(wǎng)凈化技術(shù)，以上研究為大風(fēng)量供風(fēng)提供了新的發(fā)展思路。

在礦山領(lǐng)域，現(xiàn)使用的凈化技術(shù)尚有很大的完善空間，且很少研究循環(huán)風(fēng)質(zhì)的整體安全水平。筆者將綜合考慮各凈化手段，擬設(shè)計高效低成本的空氣凈化方案，將其結(jié)合可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用于承德某銅礦，分別從風(fēng)量、風(fēng)質(zhì)和能耗方面進(jìn)行分析。

1 可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)特性分析

可控循環(huán)通風(fēng)即人為控制部分風(fēng)流重復(fù)流經(jīng)同一用風(fēng)點，使其被循環(huán)使用，以增加用風(fēng)區(qū)的風(fēng)量，同時對該區(qū)域風(fēng)質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，確保有毒有害物質(zhì)濃度符合礦山安全規(guī)程［6］，原理見圖1。

根據(jù)原理可知，可控循壞風(fēng)具有以下作用：

（1）增風(fēng)降溫。循環(huán)風(fēng)重復(fù)利用回風(fēng)的特性，可在不增加系統(tǒng)供風(fēng)量的情況下，增加用風(fēng)區(qū)的風(fēng)量和風(fēng)速，改善用風(fēng)區(qū)的通風(fēng)環(huán)境［7-9］。如紅透山礦利用可控循環(huán)風(fēng)后風(fēng)量增加36.2%［10］。風(fēng)速加快使得溫度降低，利用增風(fēng)實現(xiàn)降溫被認(rèn)為是礦井降溫技術(shù)中易實現(xiàn)且經(jīng)濟(jì)可行的方法［11］。

（2）節(jié)能降耗。使用循環(huán)風(fēng)節(jié)省了從地面送入井下的一部分風(fēng)量，大巷的總進(jìn)風(fēng)量和回風(fēng)量減少，降低通風(fēng)阻力，提高通風(fēng)效率，減少了通風(fēng)能耗［12］。如蒲白礦務(wù)局馬村礦應(yīng)用可控循環(huán)風(fēng)后，一年節(jié)約電費(fèi)41.76萬元，紅透山礦應(yīng)用該技術(shù)節(jié)約能耗32.1%［13-14］。其特性分析見圖2。

2 大風(fēng)流綜合凈化方案設(shè)計

針對CO、SO2、H2S、NO2和礦塵5種主要有毒有害物質(zhì)，設(shè)計了以下凈化方案：①利用采空區(qū)和舊巷自凈作用，并引入復(fù)合型化學(xué)抑塵劑用于礦山除塵；②將光觸媒凈化技術(shù)引入礦井，優(yōu)化工作面空氣質(zhì)量；③提倡采用水浴絲碳式凈化系統(tǒng)，高效凈化有毒有害氣體且節(jié)約成本。

2.1 礦井空氣凈化方案設(shè)計

2.1.1 除塵方案

首先充分利用采空區(qū)和舊巷的自凈作用，礦塵經(jīng)過時在自重作用下實現(xiàn)初級凈化。在濕潤的條件下自凈效果更明顯，原因是礦塵顆粒與水霧結(jié)合后容重增加，使得自身加速沉降，因此可在空區(qū)和舊巷內(nèi)裝霧化噴淋裝置對污風(fēng)進(jìn)行濕潤洗滌。凈化水主要來源于礦山開采的地下水，經(jīng)沉淀過濾后供采空區(qū)和循環(huán)橫巷使用。

由于礦塵自凈效果受空區(qū)的大小和舊巷的長度限制，使得自凈作用受限。因此，在自凈作用的基礎(chǔ)上，將復(fù)合型化學(xué)抑塵劑引入礦井，對礦塵進(jìn)行強(qiáng)化吸收。該抑塵劑為粉末狀，兼具濕潤、中和、保水和凝聚的作用。實踐表明，該復(fù)合型抑塵劑的降塵率、保水性、濕潤性、凝聚時間均達(dá)到了較好的效果，且綠色環(huán)保、成本低廉，單次噴灑抑塵效果能持續(xù)24 h，且后期只需補(bǔ)噴低濃度抑塵劑或補(bǔ)加清水［15］。因此該化學(xué)抑塵劑可在礦山除塵中推廣使用，有較大的應(yīng)用價值。

2.1.2 氣體凈化方案

2.1.2.1 利用光觸媒空氣凈化技術(shù)

該技術(shù)作用為：①有效降解空氣中的有毒有害氣體，如甲醛、氨氣、SO2、CO、NOx等污染物；②具有高效廣泛的消毒功能以及除臭抗污的作用，可滅殺多種細(xì)菌真菌；③釋放負(fù)氧離子，有利于人體健康。

將該技術(shù)引入礦山，定期在工作區(qū)域噴涂光觸媒劑來凈化礦井空氣。其借助熒光燈和LED等照明工具即可發(fā)揮作用，且具有作用時間持久的優(yōu)點。利用光觸媒劑可凈化礦井中的氨氣、CO、SO2、NOx等有毒有害氣體，快速分解空氣異味，殺滅有害細(xì)菌，實現(xiàn)優(yōu)化礦井空氣、提高礦工舒適度的目的。

2.1.2.2 采用水浴絲碳式凈化系統(tǒng)

水浴絲碳式凈化系統(tǒng)可針對性地凈化污風(fēng)中的主要有毒有害氣體和殘余礦塵。凈化裝置見圖3，由噴霧水幕、纖維柵欄、濕式噴淋纖維柵和碳式吸附網(wǎng)構(gòu)成［5］，采取空間迷宮式布置，即凈化裝置在循環(huán)巷道內(nèi)呈上下或左右交替分布，以便污風(fēng)通過該巷道時，有毒有害物質(zhì)產(chǎn)生充分的碰撞和反射，進(jìn)而易于被吸收，布置簡圖見圖4。

具體布置方式和作用為：①水幕噴淋裝置抽取井下水，選用主管內(nèi)徑25 mm、壁厚2.5 mm的無縫水管作為噴霧系統(tǒng)供水主管，從頂板將水噴出形成水簾對污風(fēng)做截面噴淋，加速礦塵沉降，吸收易溶于水的有毒有害氣體；②纖維柵網(wǎng)采取左右交替布置的方式，每組間隔4 m左右，使污風(fēng)呈S型震蕩流動，增加氣流碰撞，使其與凈化裝置充分接觸；③濕式噴淋纖維柵對巷道全斷面凈化處理，風(fēng)流沖刷纖維網(wǎng)上的水膜，形成水霧，更充分地凈化污風(fēng)；④碳式吸附網(wǎng)在凈化巷道末端采取上下交錯布置的方式，對污風(fēng)進(jìn)行脫水和終極凈化處理，吸附污風(fēng)中殘存的礦塵以及有毒有害氣體成分。

凈化降溫途徑為：①SO2、H2S和NO2易溶于水，通過水幕噴淋和噴淋綜合纖維柵得以吸收；②CO難溶于水，通過活性碳吸附裝置進(jìn)行凈化；③殘余礦塵可在濕潤的凈化系統(tǒng)中被進(jìn)一步地吸收；④通過控制水浴溫度可有效控制循環(huán)風(fēng)的溫度，在水浴與循環(huán)風(fēng)的熱交換過程中，蒸發(fā)的水分能夠在一定程度上提高空氣濕度，從而達(dá)到降溫的效果［5］。

2.2 礦井空氣凈化輔助方案

（1）利用定時爆破時段排污。規(guī)定各作業(yè)點都集中在一個很短的時間段內(nèi)進(jìn)行爆破作業(yè)，其他時段只進(jìn)行零星的爆破作業(yè)，以避免炮煙進(jìn)入深井循環(huán)。充分利用定時爆破的作業(yè)時段集中排出污風(fēng)，可顯著降低非集中爆破作業(yè)時段內(nèi)井下空氣中有毒有害氣體濃度。在此基礎(chǔ)上采用基于大風(fēng)流綜合凈化技術(shù)的可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)質(zhì)達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)更易于實現(xiàn)。

（2）采用循環(huán)風(fēng)監(jiān)控聯(lián)動技術(shù)。構(gòu)建實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，并在循環(huán)風(fēng)路上安裝人工風(fēng)門、電動風(fēng)門和有毒有害氣體傳感器，根據(jù)以太網(wǎng)實時監(jiān)測系統(tǒng)對循環(huán)風(fēng)質(zhì)的監(jiān)側(cè)數(shù)據(jù)，對電動風(fēng)門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，保證在污染物濃度超過設(shè)定值時，及時封堵循環(huán)風(fēng)路。這樣便可實現(xiàn)對循環(huán)風(fēng)量的自動調(diào)控，優(yōu)化循環(huán)風(fēng)利用率的同時，也保障了系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。

3 可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用研究

3.1 工程概況

河北省承德市某銅礦采用盲豎井開拓，已開采60余a，上部形成了大量的采空區(qū)，通風(fēng)系統(tǒng)為單翼對角抽出式。目前生產(chǎn)工作面主要分布于下八至下十中段，下五至下七中段存在零星殘采。該礦有主平峒、主井、副井和斜坡道4個進(jìn)風(fēng)口，回風(fēng)平硐一個出風(fēng)口。下六中段風(fēng)機(jī)為主風(fēng)機(jī)，回風(fēng)平硐口和下五中段風(fēng)機(jī)不運(yùn)行。通過對全礦的仿真模擬與解算，得到全礦總阻力為1 071.6 Pa，屬于中等阻力礦井。測得系統(tǒng)總回風(fēng)量為56.20 m3/s，按照60萬t/a的生產(chǎn)能力實際需風(fēng)量為90 m3/s。

存在的主要問題是：①風(fēng)量供需矛盾突出，主扇風(fēng)機(jī)功效不足，不能克服井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)阻，無法有效解決下部中段通風(fēng)問題；②下九、下十、下十一中段井下污風(fēng)已嚴(yán)重影響井下生產(chǎn)；③自然風(fēng)壓較大，為影響井下風(fēng)流風(fēng)向的主要因素。該礦屬于比較有代表性的高溫乏風(fēng)深井，為了便于實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，利用3DMINE軟件構(gòu)建了該礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維通風(fēng)系統(tǒng)圖，詳見圖5。

3.2 方案實施

為解決上述問題，在利用定時爆破作業(yè)時段集中排出污風(fēng)的基礎(chǔ)上，將基于大風(fēng)流綜合凈化技術(shù)的可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)投入實際的生產(chǎn)應(yīng)用，循環(huán)風(fēng)機(jī)在集中爆破以外的時間段運(yùn)行。拆除下五中段原30 kW風(fēng)機(jī)，選用現(xiàn)有的型號為K45-4-№13#的風(fēng)機(jī)作為循環(huán)風(fēng)機(jī)，功率為90 kW。根據(jù)該礦井下作業(yè)點需風(fēng)量，設(shè)計循環(huán)風(fēng)量為37.15 m3/s，將凈化后的風(fēng)流與新風(fēng)混合后放入深井作業(yè)區(qū)域循環(huán)利用。

首先將下五中段作為循環(huán)巷道，循環(huán)區(qū)域為下五中段至下十中段，循環(huán)風(fēng)通過下八、下七、下六3個中段巷道和采空區(qū)，充分利用采空區(qū)和舊巷的自凈作用并在其間設(shè)立水霧噴淋裝置，該裝置由內(nèi)徑25 mm、壁厚2.5 mm的水管組成，抽取井下水，使礦塵初步凈化，并在其間定期噴灑復(fù)合型化學(xué)抑塵劑強(qiáng)化除塵；其次由循環(huán)風(fēng)凈化巷道下五中段回至進(jìn)風(fēng)井，途經(jīng)布設(shè)的水浴絲碳式凈化系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)效凈化處理；然后在工作區(qū)域噴涂光觸媒劑，對工作區(qū)域進(jìn)行殺菌消毒、消臭防臭，并在一定程度上凈化礦井中的氮氧化物、硫氧化物、氨氣等氣體；最后由設(shè)在巷道末端的檢測系統(tǒng)和電動風(fēng)門進(jìn)行自動監(jiān)測和調(diào)控。若循環(huán)風(fēng)質(zhì)達(dá)標(biāo)，則由電動風(fēng)門控制風(fēng)流進(jìn)入深部作業(yè)區(qū)循環(huán)使用，若風(fēng)質(zhì)不合格，則向回風(fēng)井排出。詳見圖6、圖7。

3.3 結(jié)果測定與分析

3.3.1 風(fēng)量測定

經(jīng)現(xiàn)場實測，當(dāng)37.15 m3/s的凈化風(fēng)被放出參與循環(huán)利用時，下六風(fēng)機(jī)排風(fēng)量達(dá)到93.38 m3/s，循環(huán)風(fēng)量約占總風(fēng)量的39.78%，風(fēng)量滿足實際用風(fēng)要求。下八至下十中段主要用風(fēng)點應(yīng)用前后風(fēng)量比較見圖8。對比可知，應(yīng)用可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)后，用風(fēng)區(qū)的風(fēng)量顯著增加。理論和實踐均可證明可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性［9］，可有效增加風(fēng)量，緩解通風(fēng)不足的難題。

3.3.2 風(fēng)質(zhì)評定

選取 CO、SO2、H2S、NO2和礦塵5種主要有毒有害物質(zhì)的濃度作為礦井空氣質(zhì)量的評價因子。檢測循環(huán)風(fēng)中有毒有害物質(zhì)的濃度，然后建立對比加權(quán)綜合標(biāo)度指數(shù)模型對循環(huán)風(fēng)質(zhì)安全等級做出評定。

3.3.2.1 標(biāo)度分指數(shù)的計算

標(biāo)度分指數(shù)計算公式為

與上式對應(yīng)的歸一化標(biāo)度分指數(shù)計算公式為

表1列出了評價因子背景濃度、危害限值及標(biāo)準(zhǔn)要求，為深井空氣質(zhì)量等級評定提供依據(jù)。

注：礦塵4項指標(biāo)單位均為：mg/m3

選取5個主要用風(fēng)點進(jìn)行檢測，濃度實測數(shù)據(jù)以及由式（3）計算出的歸一化標(biāo)度分指數(shù)見表2。

注：礦塵實測濃度單位為mg/m3，其他指標(biāo)實測濃度單位為cm3/m3

3.3.2.2 廣義對比加權(quán)值的計算

廣義對比加權(quán)值計算［16］為

式中，Wj為廣義對比加權(quán)值；Ij為歸一化標(biāo)度分指數(shù)；p為控制權(quán)值變化快慢的可調(diào)參數(shù)（0＜p＜1），一般取p為1/2。將Wj計算出來后，歸一化為Wj*，其計算結(jié)果見表3。

3.3.2.3 礦井空氣質(zhì)量等級的判定

依據(jù)國內(nèi)外研究成果，選取4個評價等級對金屬非金屬礦山井下空氣質(zhì)量以標(biāo)度指數(shù)形式進(jìn)行評定，詳見表4［17］。

廣義對比加權(quán)綜合標(biāo)度指數(shù)（I）計算式為

廣義對比加權(quán)綜合標(biāo)度指數(shù)計算結(jié)果以及風(fēng)質(zhì)等級評定見表5。

由表5可得：5個監(jiān)測點的空氣質(zhì)量等級均為II級，屬于“較安全”的范圍，大風(fēng)流綜合凈化方案達(dá)到了用風(fēng)區(qū)對風(fēng)質(zhì)的要求，實現(xiàn)了預(yù)期的凈化降塵的效果，為深井可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)的安全應(yīng)用提供了可靠的保障。

3.3.3 節(jié)能分析

可控循環(huán)風(fēng)使用前后通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的變化見圖9。

設(shè)循環(huán)進(jìn)風(fēng)巷到循環(huán)回風(fēng)巷的風(fēng)阻為R，循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)巷道的阻力為R2。

（1）采用傳統(tǒng)通風(fēng)方式時，通風(fēng)系統(tǒng)主扇克服的阻力和消耗的功率分別為

為滿足生產(chǎn)需求，使進(jìn)風(fēng)量由原來的Q0增加到Q1，所耗功率為

（2）采用可控循環(huán)風(fēng)時，設(shè)循環(huán)率F=Q2/Q1，此時，系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量保持Q0，工作面的風(fēng)量為Q1，系統(tǒng)主扇所耗功率為

循環(huán)風(fēng)機(jī)需克服進(jìn)回風(fēng)巷之間的壓力差以及循環(huán)橫向風(fēng)阻R2，并傳遞一定的循環(huán)風(fēng)量。所消耗的功率為

在區(qū)域可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)中R2遠(yuǎn)小于R，可忽略不計，則可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)所耗總功率可計為

因此，當(dāng)工作面增加相同風(fēng)量時，可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)的能耗比值可表示為

利用Matlab繪出可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)能耗比隨循環(huán)率的變化趨勢圖，見圖10。

由圖10可知，隨著F增加，能耗比呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。計算得：當(dāng)F取0.423時，能耗比可達(dá)到最低，此時P/PS為0.615，可控循環(huán)通風(fēng)相較傳統(tǒng)通風(fēng)方式最多可節(jié)約能耗38.5%。

承德某銅礦可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)量為37.15 m3/s，F(xiàn)為0.398，此時可控循環(huán)通風(fēng)能耗占傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)能耗的61.65%。在此循環(huán)率下，采用傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)將用風(fēng)點風(fēng)量由56.20 m3/s增加到93.38 m3/s時，所耗功率是原系統(tǒng)的4.587倍，而采用可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)，所耗功率僅為原來的2.827倍。

雖然可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)增加了循環(huán)風(fēng)機(jī)、凈化裝置及監(jiān)測裝置等，但對于一個生產(chǎn)能力為60萬t/a的區(qū)域而言，通風(fēng)設(shè)備的電費(fèi)消耗占主體地位。因此，降低功率消耗對全礦系統(tǒng)而言具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，采用可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)可有效節(jié)約通風(fēng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

（1）在金屬非金屬礦山深井作業(yè)區(qū)應(yīng)用可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)，能夠大幅提高用風(fēng)區(qū)的有效風(fēng)量，且該技術(shù)操作簡單，易于實現(xiàn)，具有靈活性和可控性的特點；大風(fēng)流綜合凈化技術(shù)既能對循環(huán)風(fēng)進(jìn)行有效凈化，又能起到冷卻循環(huán)風(fēng)的作用，從而可以有效地改善井下作業(yè)環(huán)境。

（2）通過運(yùn)用對比加權(quán)綜合標(biāo)度指數(shù)評價法對承德某銅礦進(jìn)行循環(huán)風(fēng)質(zhì)安全等級評定，結(jié)果表明礦井風(fēng)質(zhì)等級為II級，屬于“較安全”的級別，通風(fēng)安全性良好；通過節(jié)能分析，證實了可控循環(huán)風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）研究表明基于大風(fēng)流綜合凈化技術(shù)的可控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)有效解決了承德某銅礦原通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，增加了井下通風(fēng)系統(tǒng)的有效風(fēng)量，實現(xiàn)了凈化降溫和節(jié)能降耗的目標(biāo)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是一種技術(shù)上可行、安全上可靠的方法，可為其他礦山深井開采過程中解決通風(fēng)方面問題提供借鑒，具有極大的推廣應(yīng)用價值。