金廠溝梁金礦冬季通風系統設計

地溫預測是利用地層溫度變化來加熱礦山通風的一項技術措施。有大量廢舊井巷和采空區的礦山,可充分利用巖體的吸熱和散熱作用,進行冷空氣的預熱,它既節約能源,又安全可靠。內蒙古金陶股份有限公司金廠溝梁金礦多年存在提升井結冰影響安全生產問題,但由于采礦方法采用削壁充填法,不存在足以預熱全礦冷風流的采空區和舊巷道,采用地溫預熱入風流的技術方案曾不可能實現。但本設計利用沒有淋水的井筒直接進風,各中段限流預熱冷風的技術,根據傳熱原理計算了各中段可進的冷風量,經過風量調節,形成了冬季防凍通風系統。1既有豎井部分金廠溝梁金礦現有通風系統為多井口入排風系統(見圖1所示)。入風井為1#、2#、15#和35#豎井。七中段以上各中段已基本采完,從七中段往下,有57#盲井,35#盲井和35#盲副井往下開拓,設計開拓至十三中段。排風井有26#、35#和56#風井,分別裝有K40BNO.15、K40BNO.16和K55NO.11風機。26#和56#風井均延深至七中段,35#風井已延深至十中段。26#、35#風井風機正常開動,56#風井風機未開動。在26#、35#風井抽出式風機開動下,新風從1#、2#、15#和35#豎井流入井下。由于這些豎井都是提升井,且均有不同程度淋水,冬季大量冷風流入時結冰嚴重,影響安全生產。為此,需要研究適應冬季正常生產的預熱防凍通風系統,防止提升井結冰。2防止結構壓制35#風井已延深至十中段且無淋水,七中段以上各中段已基本采完,因此可讓35#風井直接進冷風。限制26#和56#風井的排風量,保證有部分冷風,經35#風井,六、七中段平巷預熱后,由各提升井排出,防止結冰。據此規劃的通風系統如圖2所示。在冬季,35#風井為主要進風井巷,大黃線平峒與三中段有一斜井相聯,作為一條補充進風道。根據井筒中段之間的聯系,35#風井處于中間,26#、56#風井處在兩翼,將35#風井風機改成壓入式后,便構成了中間壓入,兩翼抽出的壓抽混合式通風。冬季壓入式風機把冷風由35#風井壓入井下,由于限定壓入式風機風量大于抽出式風機風量,則迫使有小部分冷風經35#風井,六、七中段平巷預熱后由各提升井排出。大部分冷風則經35#風井,各中段井巷預熱后送至深部各作業地點,廢風由26#、56#風井排出。3全礦坑口充填采礦按年產量估算風量,全礦需風量為38～45m3/s,全礦按采區分布劃分為三個坑口,每個坑口采礦工作面數大致相同,所以每個坑口需風量為12～15m3/s。3.1空氣熱交換系數k大黃線平峒斷面2.8～3m2,平均周長7m,總預熱長度500m,圍巖為斜長角片麻巖,取巖體的熱導率λ=1.3W/(m·℃),巷道風速取v=3.3m/s,大黃線平峒所能預熱的風量q為:q=SKρCplntn?t0tn?tl(1)q=SΚρCplntn-t0tn-tl(1)式中:S——預熱坑道暴露的面積,m2;Cp——空氣的定壓比熱,Cp=1005J/(kg·℃);ρ——空氣密度,ρ=1.2kg/m3;tn——巖體溫度,經計算tn=8℃;t0——冷空氣溫度,t0=-28℃;tL——空氣經L巷道長度后的溫度,tL=2℃;K——空氣熱交換系數,由下式計算:K=10λ1.55+λ0.8v(2)Κ=10λ1.55+λ0.8v(2)式中符號意義同前。將已知代入式(2)、(1),可算出空氣熱交換系數K=6.3W/(m2·℃),大黃線平峒的最大預熱風量q為10.57m3/s。大黃線平峒最大設計進風量取10m3/s。3.23預熱參數的計算35#風井進風量為全礦需風量減去大黃線平峒進風量,即:q35=(38～45)-10=(28～35)m3/s35#風井從地表到十中段為366m,由于各中段的巖溫不同,各中段的進風量也不同,所以應當采用分段計算的方法進行預熱參數的計算,區段劃分見圖3,基本計算公式為式(1)和式(2)。將式(1)變成溫度計算的迭代式,得:tLi=tni(1-emi)+tcie-mi(3)mi=piKqiLiqiρiCp(4)mi=piΚqiLiqiρiCp(4)式中:tLi——第i段巷道的終點風溫,℃;tci——第i段巷道起點風溫,℃;tni——第i段巷道平均巖溫,℃;qi——第i段巷道過風量,℃;ρi——第i段巷道空氣密度,kg/m3。第i段巷道平均巖溫按地溫增升規律計算,取地溫增深率為65m/℃;Ki按式(2)計算。4各中段分風方案研究分三種方案進行解算:方案一:再在大黃線平峒安裝1臺風機作壓入式工作,形成“兩壓兩抽”的風機工作方式,限制35#風井進風30m3/s,大黃線進風10m3/s;26#、56#風井各排風10m3/s,按自然分配解算各提升井的排風量;方案二:進風同方案一,56#風井風機停開,形成“兩壓一抽”的風機工作方式,解算各提升井及56#風井的自然排風量;方案三:進風同方案一,停開26#、56#風井風機,形成“兩壓”的風機工作方式,解算各提升井及26#、56#風井的自然排風量。以上三個方案均在六、七、八、九、十等5個中段同時分風進行計算。把全系統簡化成107條風道,67個節點,41個回路,解算結果見表1。溫度計算主要針對35#進風井至各個中段直到各中段提升井井底,大黃線進風至三中段運輸巷及26#風井、2#井井底。各主要節點處風流溫度見表2。從表1和表2可以看到,5個中段同時分風時,如果抽出式風量保持每個風井10m3/s左右,則能使各個提升井都能排風,且井底風溫都在0℃以上,能防止提升井結冰。由表2還可看到三個方案提升井底風溫無多大差別。表1、表2解算通風網絡未考慮自然風壓的影響。把35#風井風機葉片安裝角調至32°的特性曲線輸入,同時還輸入各井筒按高程差計算出的空氣柱重的差,即自然風壓,仍按5個中段分風,解算結果見表3和表4。比較表1和表3可以看出,由于多?井?筒排風,風阻小,自然風壓對網絡風量影響較大。有自然風壓作用時,2#豎井出風量增加較多,15#、35#豎井出風量明顯減?少。為?控制15#、35#豎井不致于下風凍井,可控制26#、56#風井出風量。此外,可在連接15#和2#豎井的中段巷道上加阻,無運輸的中段,如三中段和五中段可加密閉。表4表明,35#風井風量全部送入最下三個中段,則有些節點溫度相應下降3℃左右,個別節點達不到零上溫度。故應采用4個或5個中段分散送風的方式。表3、表4還表明,三種方案都能滿足冬季防凍的需要,為節約能源,可在大黃線平峒再裝一臺K40NO.9風機,采用方案3,實行風機“兩壓”的工作方式。26#、56#風井風機停開,可在六、七中段安裝1臺K40NO.8風機往上送風。5地表氣溫情況防凍通風系統已經可靠地運行了三年,經實測,礦井總入風量達46.56m3/s(礦井設計風量為45m3/s),地表氣溫為-18℃時,1#、2#、15#、35#提升井井底(七中段各井馬頭門處)的氣溫分別高達9、13、12、13℃,各井均未結冰,保證了安全生產。6現場試驗效果(1)對不存在足夠的空區和舊巷預熱全礦冷風流的礦山,采用限流冷風的技術,也能利用地溫預熱入風流,防止提升井結冰