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        高寒地區(qū)清潔高效井筒防凍綜合技術(shù)研究與應(yīng)用

        2023-01-04 02:40:54肖利民
        中國錳業(yè) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:主井副井結(jié)冰

        肖利民,彭 斌,姚 炯

        (1. 長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012; 2. 金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室,湖南 長沙 410012)

        0 前 言

        當(dāng)?shù)V區(qū)地表氣溫低于0 ℃時,地表冷空氣會造成進(jìn)風(fēng)井井口及井筒結(jié)冰,進(jìn)而影響到礦井提升系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)及通風(fēng)系統(tǒng)的正常運行。尤其是豎井,一旦地表氣溫回升,井筒內(nèi)的冰塊融化時,冰塊將沿井筒下落至井底。而在冰塊下落過程中,常常會砸壞井筒裝備及提升容器等設(shè)施,導(dǎo)致提升系統(tǒng)癱瘓,甚至危及井底車場人員,對礦山安全生產(chǎn)極為不利[1-2]。因此,在高寒地區(qū)應(yīng)為進(jìn)風(fēng)井巷采取有效的井筒保溫防凍措施,以防止井筒結(jié)冰。

        某金屬礦山地處新疆維吾爾自治區(qū)內(nèi),礦區(qū)冬季嚴(yán)寒,每年10月中旬降雪,次年3月融化,積雪達(dá)0.94 m,最低氣溫可達(dá)-27 ℃,冰凍期長達(dá)5個月。該礦采用主井+副井+斜坡道+平硐的聯(lián)合開拓方式,目前主要開拓有1 385,1 335,1 285,1 235,1 130 m以上5個中段。副井井口標(biāo)高為1 673 m,井口房以上井架采用巖棉鋼板密封約20 m高;主井為新建成的箕斗豎井,井口標(biāo)高1 672 m,井架未封閉。該礦采用副井、斜坡道進(jìn)風(fēng),1 380 m回風(fēng)平硐回風(fēng)的單翼對角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)。在1 380 m回風(fēng)平硐口安裝有1臺FBDCZ(B)-10-No28(2×250 kW)型主扇。

        由于該礦回風(fēng)口標(biāo)高為1 380 m,而作為進(jìn)風(fēng)井的副井井口標(biāo)高為1 673 m,較回風(fēng)口高出293 m。因此,在每年冬季,礦井自然風(fēng)壓成為礦井正常通風(fēng)的阻力,且影響較大。在往年,礦井冬季主要利用斜坡道進(jìn)風(fēng),而副井受自然風(fēng)壓影響,呈出風(fēng)狀態(tài),造成副井井口房及井筒霧氣彌漫、視線受阻,作業(yè)環(huán)境很差,對礦山安全生產(chǎn)非常不利。同時,新建的主井井口標(biāo)高又略低于副井井口,且較副井距離1 380 m回風(fēng)平硐更近。因此,主井建成后,呈進(jìn)風(fēng)狀態(tài)。而礦山在主井建成后經(jīng)歷的第一個冬季,主井井筒結(jié)冰。到次年3月氣溫回升時,井筒內(nèi)冰塊逐漸融化,冰塊與井壁附著力降低,此時冰塊沿井筒自由下落,砸毀了主井井底裝備,對礦山造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失,并推遲了主井投入使用時間。

        為解決該礦目前存在的副井反風(fēng)、冬季井筒結(jié)冰等問題,開展清潔高效的井筒防凍綜合技術(shù)研究已勢在必行。

        1 清潔高效井筒防凍綜合技術(shù)研究

        1.1 副井井筒清潔高效防凍技術(shù)研究

        新疆維吾爾自治區(qū)政府為改善區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量,降低可吸入顆粒物濃度,減少溫室氣體排放量,于2014年4月17日出臺了《關(guān)于印發(fā)新疆維吾爾自治區(qū)大氣污染防治行動計劃實施方案的通知》等文件。該文件要求在供熱供氣管網(wǎng)不能覆蓋的地區(qū),改用電、新能源或潔凈煤,推廣應(yīng)用高效節(jié)能環(huán)保型鍋爐。經(jīng)調(diào)查,該地區(qū)電能充足,且電費較其他地區(qū)優(yōu)惠。因此,本次推薦采用一種遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐作為副井井筒預(yù)熱設(shè)備。

        遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐運用了傳熱的三大主要方式:對流、導(dǎo)熱、輻射;爐內(nèi)紅外線加熱管為陣列布置,整個爐內(nèi)的每根加熱管均有相應(yīng)的熱量直接對空氣加熱。故該類型電熱風(fēng)爐對電能利用率極高,一般其熱效率在95%以上;關(guān)鍵是該類型電熱風(fēng)爐在運行過程中,無廢棄物排放,環(huán)保節(jié)能。遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐自動化程度高,可實現(xiàn)無人員值守,出風(fēng)溫度可在額定范圍內(nèi)任意調(diào)整[3]。

        現(xiàn)根據(jù)該礦副井實際需要的進(jìn)風(fēng)量,對其進(jìn)風(fēng)預(yù)熱需要的熱負(fù)荷進(jìn)行計算,在選用合適的遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐供副井進(jìn)風(fēng)預(yù)熱使用。

        副井總進(jìn)風(fēng)量G=60 m3/s,室外通風(fēng)計算干球溫度取t=-20 ℃,冷熱風(fēng)混合后溫度提高至t2=2 ℃。副井進(jìn)風(fēng)預(yù)熱需要的熱負(fù)荷Qz按公式(1)計算[4-5]:

        Qz=1.284×K1×G×(2-t)

        (1)

        式(1)中:Qz為耗熱量,kW;K1為附加熱損系數(shù),取1.10;G為風(fēng)井總進(jìn)風(fēng)量,m3/s;t為室外空氣計算溫度,℃。

        經(jīng)計算,副井進(jìn)風(fēng)預(yù)熱需要的熱負(fù)荷Q=1 864 kW。

        該礦山副井井口房已建成并使用多年,為磚混結(jié)構(gòu),井口房保溫效果較差,且不方便密閉。故本次考慮將熱風(fēng)直接送至副井井口以下5 m處,再與井口進(jìn)入的冷風(fēng)進(jìn)行混合。一般送往豎井的熱風(fēng)溫度不低于50 ℃,本次取遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐出風(fēng)口熱風(fēng)溫度為t1=50 ℃。則需要的熱風(fēng)量Gz按公式(2)計算[4-5]:

        (2)

        式(2)中:Gz為需要加熱的風(fēng)量,m3/s;G為風(fēng)井總進(jìn)風(fēng)量,m3/s;t為室外空氣計算溫度,℃;t1為熱風(fēng)的溫度,℃;t2為冷熱風(fēng)混合后的溫度,℃。

        依據(jù)公式(2),計算出副井需要加熱至50 ℃的熱風(fēng)量Gz=18.9 m3/s。

        依據(jù)計算得出的副井預(yù)熱負(fù)荷量,選用3臺電功率為680 kW的遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐,其熱效率為95%,單臺供熱風(fēng)量為8 m3/s總供熱風(fēng)量為24 m3/s。熱風(fēng)爐總功率2.04 MW。選用的遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐滿足副井進(jìn)風(fēng)預(yù)熱需要。

        1.2 主井井筒節(jié)能防凍技術(shù)研究

        該礦主井井筒結(jié)冰主要是因為冬季進(jìn)冷風(fēng),導(dǎo)致井壁滲水結(jié)冰。目前,該礦山已有副井、斜坡道進(jìn)風(fēng),進(jìn)風(fēng)能力足夠,故本礦山已無須主井進(jìn)風(fēng)。且主井進(jìn)風(fēng),還需單獨為主井新增進(jìn)風(fēng)預(yù)熱設(shè)備,否則主井井筒冬季會結(jié)冰。

        為防止冬季主井井筒結(jié)冰,除了采取在主井井口設(shè)置進(jìn)風(fēng)預(yù)熱設(shè)施外,還可以利用高于0 ℃的井下暖空氣對井筒進(jìn)行保溫防凍。為此,需要將主井的風(fēng)流方向由進(jìn)風(fēng)調(diào)整為出風(fēng),這樣既防止了主井冬季進(jìn)風(fēng)造成井筒結(jié)冰,又利用井下暖空氣為井筒保溫,從而起到井筒防凍作用[6-7]。

        1)自然風(fēng)壓作用分析

        根據(jù)礦山開拓系統(tǒng)布置情況,主井距離副井約為158 m,相距較近。目前,礦山在冬季時,由于自然風(fēng)壓的作用,副井呈現(xiàn)出風(fēng)狀態(tài),主井呈現(xiàn)進(jìn)風(fēng)狀態(tài),與實際需要的風(fēng)流方向剛好相反。

        本礦井開拓深度已達(dá)500 m。對于井深超過100 m的礦井,其自然風(fēng)壓可采用公式(3)計算[8]。

        (3)

        式(3)中:g為重力常數(shù),9.8 N/kg;Z為由井口到井底最深處的深度,m;P0為井口氣壓,Pa;R為空氣的氣體常數(shù),J/(kg·K);T1、T2為進(jìn)、出風(fēng)井的平均絕對溫度,K。

        經(jīng)按公式(3)對冬季最冷月時期,主井與副井之間的自然風(fēng)壓進(jìn)行估算,得出自然風(fēng)壓為345.7 Pa,自然風(fēng)壓作用為利于主井進(jìn)風(fēng)。從自然風(fēng)壓估算結(jié)果可知,自然風(fēng)壓對主井進(jìn)風(fēng)起到很大的正向作用,相應(yīng)的對副井進(jìn)風(fēng)造成反向阻礙作用。

        2)主井、副井風(fēng)流方向優(yōu)化調(diào)控研究

        根據(jù)礦山主井、副井的相對位置關(guān)系及其布置形式可知,副井從地表通至1 285 m中段,副井井底1 285 m中段車場端部設(shè)有一條管纜井通至1 130 m中段。主井在1 235 m中段、1 130 m中段均有中段聯(lián)絡(luò)巷與管纜井相通。

        為調(diào)整主井、副井風(fēng)流方向,經(jīng)研究,本次推薦在1 285 m中段副井井底車場附近新增1臺K40-6-No19(110 kW)型輔扇,以便強制將地表新鮮風(fēng)流經(jīng)副井壓送入井下,再經(jīng)管纜井進(jìn)入井下各中段平巷(見圖1)。同時,少部分從副井進(jìn)入井下的新鮮風(fēng)流在輔扇出風(fēng)側(cè)正壓作用下,經(jīng)過管纜井進(jìn)入1 130 m中段后,再從1 130 m中段主井聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入主井,然后經(jīng)由主井井筒排出至地表。地面冷空氣通過在副井井口與電熱風(fēng)爐加熱后的熱風(fēng)混合至2 ℃及以上后再送入井下,再在副井和管纜井井筒巖溫作用下進(jìn)一步升高,風(fēng)流到達(dá)主井后,其溫度已接近當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁? ℃。因此,當(dāng)井下暖空氣經(jīng)由主井排出至地表的同時,在持續(xù)為主井井筒保溫,從而起到井筒防凍的作用。

        圖1 主井、副井風(fēng)流方向優(yōu)化調(diào)控方案

        2 清潔高效井筒防凍綜合技術(shù)實踐應(yīng)用

        前期通過開展清潔高效井筒防凍綜合技術(shù)研究,最終推薦在1 285 m中段副井井底車場附近新增壓入式輔扇來解決副井反風(fēng)問題,同時起到將主井風(fēng)流方向由進(jìn)風(fēng)調(diào)整為出風(fēng),起到對主井井筒保溫防凍的作用;針對副井井筒防凍則采用清潔高效的遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐預(yù)熱井口冷空氣技術(shù)。

        根據(jù)本課題推薦的技術(shù)方案,該礦山先后在副井井口房附近新建了遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐房,以及安裝預(yù)熱設(shè)備和熱風(fēng)道;在1 285 m中段副井井底車場附近新建了輔扇硐室,并安裝好壓入式輔扇。在實施完上述工程后,正好進(jìn)入11月份,礦山隨后開展了副井井口預(yù)熱設(shè)備、井下壓入式輔扇的試運行。試運行期間,礦區(qū)地表氣溫已降至0 ℃以下,最低氣溫達(dá)到-15 ℃。經(jīng)過近3個月的試運行表明:

        ①遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐和井下輔扇均運行正常,副井總進(jìn)風(fēng)量能夠控制在60 m3/s及以上;副井進(jìn)風(fēng)后,其井口房內(nèi)再無霧氣彌漫等現(xiàn)象,井口房內(nèi)工作環(huán)境得到明顯改善。

        ②在實際運行過程中,遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐能夠成功將一部分冷風(fēng)(約24 m3/s)加熱至50 ℃左右后,經(jīng)熱風(fēng)道送入副井井口以下5 m處,再與另一部分直接從副井井口進(jìn)入的冷風(fēng)混合至2 ℃,然后再送往井下。

        ③電熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)能夠自動根據(jù)設(shè)置在副井井口5 m以下的溫度傳感器傳回混合后空氣溫度,實現(xiàn)對電熱風(fēng)爐出風(fēng)溫度進(jìn)行實時調(diào)節(jié),以確保混合后的溫度保持在2 ℃左右。

        ④經(jīng)測定,主井1 130 m中段聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)的風(fēng)流溫度保持在9 ℃左右,主井出風(fēng)量達(dá)到8.22 m3/s。在保持主井為出風(fēng)狀態(tài)后,試運行期間再未發(fā)現(xiàn)其井筒有結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生。

        3 結(jié) 語

        通過開展清潔高效井筒防凍綜合技術(shù)的研究和應(yīng)用,成功解決了該礦山主井井筒結(jié)冰、副井反風(fēng)等一系列問題。該項技術(shù)對其他地下礦山的井筒防凍同樣具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。本課題的研究和應(yīng)用主要得出以下結(jié)論:①將井下適量的暖空氣經(jīng)井筒排出至地表,能有效起到井筒保溫防凍的作用;②采用遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐預(yù)熱進(jìn)風(fēng)井空氣溫度是可行的,且實現(xiàn)了零排放,清潔高效;③通過在井下合適地點設(shè)置能力相當(dāng)?shù)妮o扇,能有效克服自然風(fēng)壓的反作用,并為增加礦井總進(jìn)風(fēng)量、改善井下作業(yè)環(huán)境等起到積極作用。

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