袁梅芳

(湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南長沙 410014)

目前國內(nèi)許多有色金屬礦山都已進入中深井、深井(開采深度300～800 m稱為中深井、800～2 000 m為深井［1］)開采。例如:湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限責(zé)任公司開采深度為702 m，遼寧紅透山銅礦開采深度已達到1 337 m，甘肅金川公司龍首礦開采深度為1 076 m，湘西金礦開采深度為1 109 m。隨著礦井的不斷延伸，開采深度增加，進、回風(fēng)線路長，通風(fēng)阻力大，造成通風(fēng)系統(tǒng)能耗居高不下。經(jīng)對湖南省18個有色金屬黃金礦井的通風(fēng)系統(tǒng)測定和統(tǒng)計，通風(fēng)能耗占整個礦井能耗的24.4%～40.5%。既要解決礦山進入中深井、深井開采的通風(fēng)技術(shù)難題，又要達到礦井通風(fēng)節(jié)能的目的，這是我國采礦工程技術(shù)人員面臨的一個現(xiàn)實課題。

1 礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與通風(fēng)聯(lián)動節(jié)能

1.1 礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與通風(fēng)聯(lián)動機理

1.按我國《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》對井下采掘工作面空氣成分要求(按體積計算):氧氣不低于20%、一氧化碳(最大允許24 μL/L)、二氧化氮(最大允許2.5 μL/L)、硫化氫(最大允許6.6 μL/L)、二氧化硫(最大允許5 μL/L)、粉塵(最大允許2 mg/m3)。采用MIC－300系列變送器(探頭)對主要采掘面(或主要作業(yè)中段)的空氣進行現(xiàn)場實時跟蹤采樣。

2.根據(jù)現(xiàn)場采樣和安全允許的最大濃度的對比計算得出各種污染物的污染分指數(shù)，各污染分指數(shù)最大者為采掘面空氣品質(zhì)綜合指數(shù)［2］，相對應(yīng)的該項污染物即為井下空氣中的首要污染物。然后根據(jù)采掘面空氣品質(zhì)綜合指數(shù)來判斷采掘面空氣環(huán)境狀況。

3.經(jīng)對采掘(或主要作業(yè)中段)面的作業(yè)環(huán)境空氣品質(zhì)進行實時檢測，將檢測到的信號通過收集器(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng))轉(zhuǎn)化成4～20 mA的模擬信號，根據(jù)收集器提供的空氣品質(zhì)綜合指數(shù)值來控制主風(fēng)機變頻器的輸出頻率，從而改變主風(fēng)機轉(zhuǎn)速和達到節(jié)能的目的。其原理如圖1所示。

圖1 有毒有害氣體檢測與聯(lián)動控制主風(fēng)機轉(zhuǎn)速節(jié)能系統(tǒng)組成圖

1.2 采掘面空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與主風(fēng)機聯(lián)動節(jié)能效果分析

根據(jù)井下生產(chǎn)狀況采掘面(或主要作業(yè)中段)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)分級設(shè)置，與主風(fēng)機聯(lián)動控制調(diào)節(jié)風(fēng)量，使主風(fēng)機的運轉(zhuǎn)工況符合實際生產(chǎn)通風(fēng)的需要，實現(xiàn)了按污染程度對主風(fēng)機進行節(jié)能聯(lián)動數(shù)字化科學(xué)管理，詳情見表1。

表1 生產(chǎn)狀況采掘面空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與主風(fēng)機節(jié)能對應(yīng)

1.3 礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與風(fēng)機聯(lián)動節(jié)能應(yīng)用

礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與風(fēng)機聯(lián)動節(jié)能是國家科技部下達的專項資金項目，已在實驗室建立了一套完整的實驗系統(tǒng)，同時在遼寧紅透山銅礦深井開采部分循環(huán)風(fēng)通風(fēng)項目中應(yīng)用了這一項技術(shù)，實現(xiàn)了根據(jù)礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)值的變化改變主風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，達到了良好的通風(fēng)和節(jié)能效果。

2 采用LOGO分時段自動控制主風(fēng)機節(jié)能與應(yīng)用

2.1 LOGO分時段控制變頻主風(fēng)機簡介

LOGO是一種微型可編程序控制模塊，體積小、性價比高、編程方便簡單(適用于控制過程不是很復(fù)雜的場合)。將LOGO與變頻器組合形成對主風(fēng)機進一步調(diào)速節(jié)能的控制系統(tǒng)，即變頻系統(tǒng)是將主風(fēng)機電機從工頻(50 Hz)調(diào)到與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)相匹配所需的頻率實現(xiàn)節(jié)能，而LOGO是按各礦山采掘爆破作業(yè)具體時段設(shè)置，實現(xiàn)每天晝夜自動調(diào)整主風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，使主風(fēng)機晝夜以不同的轉(zhuǎn)速運行，從而達到比單一的變頻器調(diào)速更加節(jié)能的目的。

2.2 采用LOGO分時段控制變頻主風(fēng)機與轉(zhuǎn)速節(jié)能應(yīng)用

水口山有色金屬有限責(zé)任公司康家灣礦采用斜坡道開采，每年采礦量45萬t，井下通風(fēng)系統(tǒng)是中央進風(fēng)兩翼對角抽出式通風(fēng)，即新鮮空氣從斜坡道和豎井進入井下，污風(fēng)從1#、2#回風(fēng)井排到地表。將1#回風(fēng)井DK40－6－NO21－2×220 kW主風(fēng)機采用LOGO分時段控制轉(zhuǎn)速節(jié)能這一技術(shù)，其節(jié)能效果見表2。

表2 主風(fēng)機變頻及LOGO分時段調(diào)速前后年耗能比較

2.3 LOGO分時段控制變頻主風(fēng)機與單一變頻控制節(jié)能效果比較

1.將DK40－6－NO21－2×220 kW主風(fēng)機使用單一的變頻控制，每年節(jié)電950 460 kWh，節(jié)約電費80.79萬元。

2.若DK40－6－NO21－2×220 kW主風(fēng)機采用LOGO分時段控制，每年可節(jié)電1 925 886 kWh，節(jié)約電費163.70萬元，所以節(jié)能效果更加顯著。

3 深井開采部分循環(huán)風(fēng)利用節(jié)能及實踐

3.1 部分循環(huán)風(fēng)利用節(jié)能意義

隨著淺部資源的逐漸枯竭和深部資源勘探力度的加強，我國愈來愈多的礦山進入深井開采階段。如山東新汶礦業(yè)集團孫村煤礦、安徽銅陵冬瓜山銅礦、廣西高峰礦等開采深度已經(jīng)超過1 000 m［3］。進入深井開采后，對井下通風(fēng)的需求也將發(fā)生變化。一是正常生產(chǎn)排除有毒有害氣體通風(fēng);二是礦巖散熱通風(fēng)降溫。這些變化必然導(dǎo)致深井開采需風(fēng)量不斷增加，同時通風(fēng)線路長、阻力大、通風(fēng)能耗高，所以將部分污風(fēng)經(jīng)凈化處理后作為循環(huán)通風(fēng)是一條重要的節(jié)能途徑，也是未來深井通風(fēng)技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。

3.2 利用部分循環(huán)風(fēng)通風(fēng)機理

循環(huán)風(fēng)是在工作區(qū)域內(nèi)，利用凈化后的循環(huán)風(fēng)流或加入新鮮空氣的循環(huán)風(fēng)流進行通風(fēng)的方法。循環(huán)風(fēng)通風(fēng)方式分為開路式和閉路式。開路式循環(huán)風(fēng)的作業(yè)面有進風(fēng)道和回風(fēng)道，在循環(huán)通風(fēng)過程中，有外界提供部分新鮮風(fēng)流與循環(huán)風(fēng)流相混合供給作業(yè)面，有將作業(yè)面排除的污風(fēng)的一部分循環(huán)使用，另一部分排到回風(fēng)道［4］。閉路式循環(huán)通風(fēng)不需要外界風(fēng)源，只利用凈化后的風(fēng)流進行通風(fēng)。

3.3 深井開采利用部分循環(huán)風(fēng)通風(fēng)節(jié)能在遼寧紅透山礦的應(yīng)用

1.遼寧紅透山礦已進入深井開采多年，目前的開采深度為1 337 m，通風(fēng)系統(tǒng)為中央豎井進風(fēng)，東西兩翼風(fēng)井兩級主扇抽出式通風(fēng)，西部通風(fēng)線路長4 945 m，其中進風(fēng)段長2 237 m，回風(fēng)段長2 708 m，通風(fēng)阻力為2 548 Pa，風(fēng)阻高達0.924 Ns2/m8。不宜再通過增加動力提高風(fēng)壓的手段來增加總進風(fēng)量了。

2.該礦每年采礦量50萬t，其供風(fēng)量94 m3/s。回采每噸礦石通風(fēng)動力費11.77元/t。而且由于通風(fēng)困難致使采礦生產(chǎn)能力多年無法增加。

3.將+73中段形成上下隔離層，一是避免深井的自然風(fēng)壓影響;二是利用+73 m到+450 m以上的采空區(qū)回風(fēng)，降低通風(fēng)阻力。

4.水浴絲碳式凈化系統(tǒng)布置在－287中段，污風(fēng)從－467中段放出后，首先經(jīng)30 000 m3空區(qū)凈化，然后匯入到－287中段凈化巷道內(nèi)，通過迷宮式布置的噴射水幕、纖維柵欄、噴淋濕式纖維柵、活性碳等凈化裝置，使－287中段循環(huán)風(fēng)風(fēng)質(zhì)合格放出風(fēng)量可達32.08 m3/s，進入風(fēng)源參與循環(huán)。

3.4 深井開采利用部分循環(huán)風(fēng)通風(fēng)節(jié)能經(jīng)濟效益

1.利用32.08 m3/s循環(huán)風(fēng)量，使整個通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量由原來94 m3/s增加到126 m3/s，增幅達34.1%。

2.利用循環(huán)風(fēng)后使礦山的生產(chǎn)能力由50萬t增加60萬t，并在2010～2011年實現(xiàn)擴產(chǎn)，每年提高產(chǎn)能10萬t，按每噸礦石效益1 100元/t銅鉬礦，每年增加經(jīng)濟效益為1.1億元，扣除項目投資，每年可創(chuàng)經(jīng)濟效益1.084億元，本項目被評為中國有色金屬工業(yè)科技進步二等獎。

4 結(jié)語

1.礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與通風(fēng)聯(lián)動節(jié)能和采用LOGO分時段控制變頻主風(fēng)機轉(zhuǎn)速節(jié)能是目前主風(fēng)機節(jié)能先進的自動控制技術(shù)，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

2.礦山通風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)利用技術(shù)是解決深井開采通風(fēng)困難和節(jié)能的一種新途徑，也是當(dāng)今井下通風(fēng)研究的前沿技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的通風(fēng)改造方法相比，投資少、見效快、節(jié)能效果顯著，并且有進一步研究和發(fā)展的空間。

［1］ 古德生.現(xiàn)代金屬礦床開采科學(xué)技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，235.

［2］ 袁梅芳.礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與通風(fēng)節(jié)能聯(lián)動的研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2013，33(1):103－105.

［3］ 廘廣利，王寶通.可控循環(huán)風(fēng)形式及通風(fēng)特性分析［J］.山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，1999，18(1):58－62.

［4］ 袁梅芳，石長巖，李志超.紅透山深井開采通風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)研究與應(yīng)用［J］.金屬礦山，2012，12:92－94.