姚銀佩,劉偉強(qiáng),王 志,李印洪,袁梅芳

(1．湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院, 湖南 長(zhǎng)沙 410014;2．非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410014)

0 引 言

我國(guó)有2000多座大中型地下開(kāi)采金屬礦山,其礦井通風(fēng)系統(tǒng)普遍存在一些共性難題,而且在我國(guó)礦井通風(fēng)技術(shù)幾十年發(fā)展過(guò)程中一直存在著,如礦井同時(shí)開(kāi)采中段多、作業(yè)面多、污染源多、網(wǎng)路復(fù)雜、井巷斷面小、風(fēng)路長(zhǎng)、阻力大、寒冷季節(jié)進(jìn)風(fēng)溫度低、采礦工藝雜、設(shè)備落后,從而使礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控困難、檢測(cè)不準(zhǔn)、管理復(fù)雜,進(jìn)而造成礦井通風(fēng)能耗高、死角多、污風(fēng)多,使礦山傷亡多、中毒多、職業(yè)病多、產(chǎn)能低等。以金屬礦井空氣環(huán)境安全與通風(fēng)動(dòng)力聯(lián)動(dòng)為關(guān)鍵核心,進(jìn)而開(kāi)發(fā)出與之配套和相互支撐的四項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù),能夠有效解決我國(guó)礦井通風(fēng)存在的安全問(wèn)題[1]。

1 礦井空氣品質(zhì)指數(shù)與通風(fēng)聯(lián)動(dòng)節(jié)能技術(shù)

該技術(shù)由多個(gè)有毒有害氣體及粉塵指標(biāo)關(guān)聯(lián)模型、礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)表達(dá)數(shù)學(xué)模型[2]、有毒物遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線檢測(cè)與調(diào)控、風(fēng)機(jī)變頻與節(jié)能管理聯(lián)動(dòng)技術(shù)等組成,以井下作業(yè)區(qū)(或主要作業(yè)中段)檢測(cè)有毒氣體和粉塵濃度為指標(biāo),同時(shí)結(jié)合我國(guó)法律法規(guī)的允許限值,得出礦井作業(yè)區(qū)空氣品質(zhì)綜合指數(shù),再以空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與通風(fēng)系統(tǒng)主、輔扇進(jìn)行節(jié)能聯(lián)動(dòng)控制[3]。該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室和遼寧紅透山銅礦井下應(yīng)用,使礦井通風(fēng)綜合節(jié)能率達(dá)到15%以上,空氣品質(zhì)合格率提高約16．4%。

(1)金屬礦山井下空氣品質(zhì)綜合指數(shù)模型。通過(guò)選定礦井空氣中最常見(jiàn)和對(duì)安全威脅最大的5種有毒有害物質(zhì)作為評(píng)價(jià)因子,并建立數(shù)學(xué)模型關(guān)聯(lián)為礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)。該指數(shù)與目前大氣空氣污染指數(shù)的表達(dá)模式相統(tǒng)一,可以對(duì)礦井空氣品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),充分反映作業(yè)區(qū)的作業(yè)環(huán)境狀況。

(2)礦井作業(yè)區(qū)有毒有害物質(zhì)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)與遠(yuǎn)程控制。在井下作業(yè)區(qū)域(或主要作業(yè)中段)安裝相應(yīng)的有毒有害物質(zhì)探測(cè)傳感器,以氣體和粉塵濃度為指標(biāo)進(jìn)行24 h在線檢測(cè),見(jiàn)圖1,將傳感器檢測(cè)到的有毒有害物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)為微弱的模擬電流(m A)或電壓(m V)信號(hào),把模擬信號(hào)傳送到可編程控制器(PLC),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),傳送至工控機(jī)。

圖1 礦井空氣品質(zhì)在線檢測(cè)與遠(yuǎn)程控制界面

(3)礦井通風(fēng)系統(tǒng)主輔扇節(jié)能聯(lián)動(dòng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了安全通風(fēng)節(jié)能和科學(xué)管理。由工控機(jī)對(duì)各作業(yè)區(qū)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析、運(yùn)算、顯示,并產(chǎn)生控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)變頻器對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)主、輔扇進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。當(dāng)主、輔扇供電不正常而引起故障時(shí),作業(yè)區(qū)的空氣品質(zhì)綜合指數(shù)超標(biāo)情況將在中心調(diào)度室得到反映并報(bào)警,恢復(fù)供電后在中心調(diào)度室對(duì)主、輔扇開(kāi)停進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,不需管理人員到深部井下機(jī)房操作,避免中毒事故的發(fā)生,提高了礦山通風(fēng)的安全控制能力,實(shí)現(xiàn)通風(fēng)安全科學(xué)管理。

2 地能預(yù)熱冷風(fēng)與溫控聯(lián)動(dòng)防凍井技術(shù)

該技術(shù)由廢舊井巷或空區(qū)預(yù)熱冷風(fēng)流精算技術(shù)、導(dǎo)風(fēng)板引導(dǎo)調(diào)控風(fēng)流技術(shù)、風(fēng)溫調(diào)控與導(dǎo)風(fēng)板智能聯(lián)動(dòng)技術(shù)等組成,主要針對(duì)我國(guó)北方礦山寒冷季節(jié)5個(gè)月(11月至次年3月)凍井現(xiàn)象而研究的防凍進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)。寒冷季節(jié)時(shí)由預(yù)熱風(fēng)機(jī)將入風(fēng)流冷空氣抽入礦山淺部井巷或采空區(qū),進(jìn)行巖溫預(yù)熱和凈化處理,與提升進(jìn)風(fēng)豎井連通形成預(yù)熱系統(tǒng)[4],如圖2所示。在豎井口安設(shè)溫度傳感器與預(yù)熱風(fēng)機(jī)的變頻系統(tǒng)形成聯(lián)動(dòng),控制井口冬季溫度保持＋2℃以上。通過(guò)在河北峪耳崖金礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,使礦井通風(fēng)綜合節(jié)能率達(dá)到15%以上。

圖2 地能預(yù)熱入風(fēng)流和風(fēng)溫聯(lián)控系統(tǒng)

(1)我國(guó)地下金屬礦山開(kāi)采一般是從上往下開(kāi)采,則上部存在巷道和采空區(qū),充分利用井下增溫巖層的升溫效應(yīng)與新鮮冷空氣發(fā)生熱量交換,即上部的已有巷道和采空區(qū)巖體的散熱作用,對(duì)寒冷季節(jié)新鮮入風(fēng)流進(jìn)行預(yù)熱,為了保證進(jìn)風(fēng)源空氣質(zhì)量,將空區(qū)預(yù)熱的風(fēng)流采取噴淋水霧等凈化措施后,由預(yù)熱風(fēng)機(jī)送至提升豎井,一部分從豎井口排出防止凍井,另一部分經(jīng)豎井進(jìn)入各生產(chǎn)中段的作業(yè)面。

(2)利用導(dǎo)風(fēng)板靈活控制風(fēng)流方向及風(fēng)量大小,在預(yù)熱巷道與豎井連通處安設(shè)可調(diào)節(jié)上下角度的弧形導(dǎo)風(fēng)板,既可調(diào)節(jié)預(yù)熱風(fēng)量從豎井排出的大小,又減少預(yù)熱風(fēng)機(jī)的電能消耗。

(3)豎井口溫度調(diào)控和預(yù)熱風(fēng)機(jī)及導(dǎo)風(fēng)板聯(lián)動(dòng)技術(shù),當(dāng)冬季豎井井口溫度低于＋2℃時(shí),預(yù)熱風(fēng)機(jī)通過(guò)變頻增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)增大導(dǎo)風(fēng)板與巷道底板之間的夾角,增加井口導(dǎo)風(fēng)量,使豎井井口溫度上升并達(dá)到防止結(jié)冰的要求溫度。當(dāng)井口溫度超過(guò)＋2℃,可降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)減小導(dǎo)風(fēng)板與巷道底板之間的夾角,使大部分風(fēng)流通過(guò)豎井進(jìn)入深部作業(yè)中段,保證井下通風(fēng)。這樣既可減少預(yù)熱風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量,節(jié)約電能,又可保證礦山寒冷季節(jié)進(jìn)風(fēng)豎井的安全生產(chǎn)。

3 風(fēng)流凈化與局部循環(huán)風(fēng)安全監(jiān)控聯(lián)動(dòng)技術(shù)

該技術(shù)由化學(xué)抑塵技術(shù)、大采空區(qū)污風(fēng)初級(jí)自?xún)艏夹g(shù)、循環(huán)風(fēng)水浴絲碳式凈化技術(shù)、循環(huán)風(fēng)監(jiān)控聯(lián)動(dòng)技術(shù)、定時(shí)爆破集中污風(fēng)管理模式等組成。通過(guò)采空區(qū)低速自?xún)糇饔眉盎瘜W(xué)抑塵劑、水浴絲碳式凈化井下污風(fēng)風(fēng)流,再利用探測(cè)系統(tǒng)在線監(jiān)控凈化風(fēng)流品質(zhì),將合格風(fēng)流循環(huán)送入井下,達(dá)到礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流受控循環(huán)和風(fēng)質(zhì)控制的目的,實(shí)現(xiàn)礦山節(jié)能減排,改善井下環(huán)境的目標(biāo),如圖3所示。該技術(shù)在遼寧紅透山銅礦深部開(kāi)采應(yīng)用,使得通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量增幅達(dá)34．1%,有效風(fēng)量率提高約16%。

圖3 空區(qū)＋凈化技術(shù)及循環(huán)風(fēng)利用

(1)充分利用大采空區(qū)的自?xún)艄δ芎蜆?gòu)建空間立體式全流程“循環(huán)風(fēng)水浴絲碳式凈化系統(tǒng)”,有害物質(zhì)首先通過(guò)紊流擴(kuò)散、彌散、以及自由沉降、吸收、碰撞等機(jī)理進(jìn)行自然凈化,然后在進(jìn)行人工凈化系統(tǒng)[5],即水浴絲碳式凈化系統(tǒng),其包括4種類(lèi)型:噴霧水幕、纖維柵網(wǎng)、濕式噴淋纖維柵、活性碳。

(2)運(yùn)用清洗礦井大氣飄塵復(fù)合濕潤(rùn)劑技術(shù),其濕潤(rùn)效率更高,且成本低。該抑塵劑對(duì)鉛鋅礦粉塵的濕潤(rùn)時(shí)間可縮短幾倍甚至幾十倍,而且沒(méi)有毒副作用。

(3)充分利用“定時(shí)爆破”作業(yè)時(shí)段,集中排出污風(fēng),保障通風(fēng)安全。非集中爆破作業(yè)時(shí)段,也恰好是作業(yè)人員最多、需風(fēng)量最大的時(shí)段。首先充分利用非集中爆破的有利時(shí)段,實(shí)現(xiàn)“人員集中作業(yè)時(shí)段內(nèi)”系統(tǒng)循環(huán)通風(fēng)[6],使得通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行有充分安全保障,并具有良好的調(diào)整余地。

(4)基于以太網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),優(yōu)化循環(huán)風(fēng)利用率,在線檢測(cè)自動(dòng)調(diào)控。系統(tǒng)可按照各自的權(quán)限查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表、曲線、圖形和按照程序控制井下設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況等操作,實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄,同時(shí)在循環(huán)風(fēng)路上安裝人工和遠(yuǎn)程控制電動(dòng)風(fēng)門(mén),對(duì)循環(huán)風(fēng)量利用率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控,以保證通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全可靠。

4 分區(qū)通風(fēng)降阻與主輔扇匹配聯(lián)動(dòng)技術(shù)

該技術(shù)由礦山深部開(kāi)采隔離式通風(fēng)降阻方案、通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)、主輔扇匹配通風(fēng)聯(lián)動(dòng)技術(shù)等組成。構(gòu)建隔離層而形成上部匯風(fēng)中段,匯集下部作業(yè)中段污風(fēng),再通過(guò)上部已有的井巷工程和采空區(qū)進(jìn)行區(qū)域式回風(fēng),從而大大增加了回風(fēng)斷面積,有效降低回風(fēng)阻力[7]。采用主、輔扇匹配技術(shù)優(yōu)化風(fēng)機(jī)聯(lián)合工況[8],達(dá)到扇風(fēng)機(jī)的高效節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)在河北石湖金礦中深部開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,使得礦山通風(fēng)綜合節(jié)能率達(dá)到15%以上,漏風(fēng)率降低約18%。

(1)中深部開(kāi)采隔離式降阻通風(fēng)技術(shù)。結(jié)合實(shí)際提出隔離式降阻通風(fēng)技術(shù),即利用已開(kāi)采殆盡的上部中段巷道和采空區(qū),新建風(fēng)門(mén)、風(fēng)墻等相關(guān)通風(fēng)構(gòu)筑物,及封堵與下部中段各個(gè)通道,構(gòu)建區(qū)域的通風(fēng)隔離層,將用風(fēng)區(qū)與廢風(fēng)區(qū)隔離開(kāi)來(lái),避免污風(fēng)與新鮮風(fēng)串聯(lián),同時(shí)也減少了自然風(fēng)壓對(duì)深部通風(fēng)系統(tǒng)的影響;利用施工相關(guān)的回風(fēng)巷道、上部已有采空區(qū)和巷道,將主扇抽出的深部生產(chǎn)區(qū)域的污風(fēng)進(jìn)行分流,形成多路并聯(lián)回風(fēng)網(wǎng)路,最大程度地降低回風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力,既解決了通風(fēng)的技術(shù)難題,又降低了通風(fēng)能耗。

(2)深部主扇通風(fēng)與上部單翼輔扇回風(fēng)匹配技術(shù)。根據(jù)礦山實(shí)際情況,設(shè)立多翼回風(fēng)線路,主扇風(fēng)機(jī)安裝于主采中段的上部中段,負(fù)擔(dān)下部主要生產(chǎn)開(kāi)采區(qū)域的回風(fēng),通過(guò)在上部單翼安裝輔扇風(fēng)機(jī),實(shí)現(xiàn)風(fēng)流的引導(dǎo)、解決上部殘采通風(fēng)的目的,采用非線性數(shù)學(xué)算法及三維數(shù)值軟件,對(duì)主扇與單翼風(fēng)機(jī)進(jìn)行合理優(yōu)化匹配,以實(shí)現(xiàn)最大程度通風(fēng)效率的目的。

5 結(jié) 論

(1)礦井空氣環(huán)境安全與通風(fēng)動(dòng)力聯(lián)動(dòng)綜合技術(shù)解決了我國(guó)2000多座大中型金屬礦山的礦井通風(fēng)系統(tǒng)幾十年普遍存在的共性技術(shù)問(wèn)題,提高礦井通風(fēng)綜合節(jié)能率15%以上,提升礦井空氣品質(zhì)合格率約16．4%,增加有效風(fēng)量率約16%,降低漏風(fēng)率約18%。

(2)在環(huán)境安全、勞動(dòng)保護(hù)、節(jié)能降耗、推廣應(yīng)用和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有顯著的社會(huì)效益。既提高了礦山生產(chǎn)安全性,又改善了井下作業(yè)環(huán)境條件,保證了勞動(dòng)者的身心健康,可以降低我國(guó)200多萬(wàn)井下礦工由于炮煙、粉塵等通風(fēng)不良情況帶來(lái)的生命風(fēng)險(xiǎn)和塵肺等嚴(yán)重職業(yè)病危害。降低了通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行成本,節(jié)約了大量電能,減少了能源浪費(fèi),符合當(dāng)前我國(guó)節(jié)能減排相關(guān)政策。利用風(fēng)流凈化措施與循環(huán)風(fēng)安全監(jiān)控聯(lián)動(dòng)技術(shù),拓展了受控循環(huán)風(fēng)的應(yīng)用范圍,利用地能預(yù)熱冷風(fēng)與溫控聯(lián)動(dòng)防凍井技術(shù),解決北方地區(qū)礦山寒冷季節(jié)凍井難題,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。