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采矿工程黄 金
GOLD
2009年第9期/第30卷
中国金属矿山深井通风技术研究现状综述
收稿日期:2009-06-13
作者简介:张维滨(1964—),男,黑龙江青冈人,采矿高级工程师,现从事岩金矿山采矿技术及管理工作;吉林省长春市南湖大路4726号,130012
张维滨1
,郭树林2
,姚 香2
,严 鹏2
,邀广斌3
,张雨春
3
(1.长春黄金设计院;2.长春黄金研究院3.中国黄金集团夹皮沟矿业有限公司)
摘要:中国金属矿山深井通风技术研究始于20世纪80年代,现已有近40多个(包括煤矿)矿井井下气温达到或超过30℃,开采深度600～1200m 。详述了中国金属矿山深井通风降温现状,
介绍了深井通风主要技术;研究国外有关深井开采资料表明,中国金属矿山目前的开采深度,采用普通通风降温技术是可行的。
关键词:金属矿山;深井通风;技术现状;研究综述
中图分类号:T D 727+12 文献标识码:B 文章编号:1001-1277(2009)09-0026-04
0 概 述
中国金属矿山深井通风技术研究是于20世纪80年代开始的,因为,只有在这个时期某些金属矿山
才进入深部开采,如辽宁红透山、云南大红山、甘肃金川、安徽冬瓜山等矿山。关于金属矿山深井开采这个定义,各国不尽相同:中国《采矿手册》规定,开采深度600～900m 为深部开采,深度大于2000m 为超深开采;而美国则认为,所谓深部开采通常解析为5000英尺以下,相当于1524m;南非深部金矿开采,是指平均作业深度1600m 。因为,浅于这个深度开采的矿山,不需要使用制冷降温技术,仅用普通通风
降温就可以解决问题[1]
。
南非、印度、俄罗斯、美国、加拿大、德国等国家的矿山在19世纪末期或20世纪初期就已经进入深井开采阶段,其开采深度远远超过了1600m 。采取通风降温技术已经解决不了深部开采问题,因而必须采用制冷降温技术。在这里,印度科拉尔金矿于20世纪80年代中期采深已经超过3000m ,岩层温度超过69℃,工人无法工作,采用制冷技术通过冷却空气向
井下通风,其降温费用达到每吨矿石10美元;南非在这个时期金矿采矿深度超过4000m ,岩层温度达到70℃以上。自20世纪80年代的25年来,制冷容量增长25倍,达到11.25亿W 。1980年,南非的西部-迪普莱韦尔斯(W estern Deep Levels )金铀矿安装制冷容量即等于当时整个德国(原西德)所有矿山安装的制冷容量总和。在浅部矿体开采时,南非曾经使用过在热环境下工作而挑选工人、局部制冷通风等技术措施去组织生产,但是,这些都解决不了深井开采高温问题。随着开采深度的增加,地下岩温越来越高。这里有个地温梯度问题。而不同国家、不同地区、不
同矿山或同一矿山的不同开采深度其地温梯度也是
不一样的:比如,德国伊本比伦煤矿采深为1530m ,地温梯度为1℃/43m;南非金矿的平均地温梯度为1℃/83m;印度科拉尔金矿地温梯度随着深度增加
而增大,1200～1800m 为0.75℃/100m ,1800～2400m 为1.15℃/100m ,2400～3000m 为1.30℃/100m;中国广西某金属矿中深部开采,地温梯度为2.55℃/100m ,安徽冬瓜山铜矿采深1000m ,平均地温梯度为2.2℃/100m ,河南平顶
山煤矿地温梯度为3.4℃/100m
[2]
。
1 中国金属矿山深井通风概况
1.1 辽宁红透山铜矿降温通风
辽宁红透山铜矿于20世纪80年代中期就进入深部开采,从地面以下采深960m ,风井深度超过1000m 。该矿采用中央主竖井进风,两翼风井排风的对角式通风系统,东西两翼排风井各安装1台轴流式扇风机,其功率分别为370k W 与250k W 。自矿山生产以来一直使用多种形式的充填采矿法,进入80年代末期或90年代中期,井下作业环境日趋恶劣。为此,曾经进行过改善作业环境的课题研究,提出提高井下作业面的通风量,减少各种热源放热,改善热环境等措施。但随着开采深度增加,由于受到进风井筒断面的限制,即使采用多级机站通风技术,也没有完全解决井下高温问题:井下湿度达到100%,900m
阶段温度达到28.2℃[3]
。
通过对巷道埋深与入风温度、风速、风量、空气流动速度进行研究,得到提高风速可以降低巷道温度的规律。后来该矿分别在-287m 和-407m 两个阶段安装2台接力主扇,使深部各中段的入风量有较大
的提高,分别提高了10～13m 3
/s ,对深部作业通风
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及气候改善起到良好的作用。该矿通过研究还指出:对于高温的独头巷道通风,不应该采用大功率局扇作为局部通风机,而应该采用小功率射流风机通风为好;因为大功率局扇其散热量比较大,不利于井下降温。在无条件开凿新风井或扩大井筒断面的情况下,采用多级机站串联通风可以改善井下作业条件,但由于通风阻力变大而通风能耗也较高[4]。
1.2 冬瓜山铜矿多级机站通风系统
铜陵有色金属集团股份有限公司最大的生产矿山是冬瓜山铜矿。冬瓜山铜矿床赋存于狮子山铜矿带深部,为目前长江中下游探明的大型铜、硫矿床。矿山设计生产规模为1.2万t/d。矿体赋存标高在-680～-1000m,缓倾角,矿体平均厚度32m。该矿区恒温带深度(20±5)m,低温常温17.55℃,平均地温梯度2.2℃/100m。矿体所处层位原岩温度为30～39.8℃。在基建期间测得深度1000～1050m 井巷地温为38.92℃,790m石门工作面气温达31～34℃,可见热害问题的严重性。于是,在矿山设计时曾提出选择合理的通风系统、加大工作面的风速与增加风量,并利用整体通风降温技术。根据《冶金地下矿山安全规程》中的规定,井下采掘作业面的空气温度不得超过27℃,热水型矿井和高硫矿井的空气温度不得超过27.5℃要求[5]。
2004年冬瓜山铜矿对通风系统进行优化之后,确定了多个主副井进风、集中总回风道排风、多级机站的接力通风方式;一共设置了4级机站,所有32台风机总容量达到3110k W,其中总回风巷安装4台K45-6-No.19型风机,两两串并联,每台容量200k W;与大主扇通风系统相比,多级机站通风系统能使通风压力分布均匀,漏风量减少,有效风量率高,能耗低,风流易于控制,风量调节灵活,能根据生产对通风的需要开启或停止某些风机或某些机站,从而在满足生产需风量的同时最大限度地节约通风能耗,降低通风费用。为了充分发挥多级机站通风系统的优越性,2006年研究和解决了多级机站风机的远程集中监控问题[6]。
1.3 湖南湘西金矿通风降温技术
湖南湘西金矿是一座已有120多年开采历史的老矿山,建矿初期以采钨、锑为主,所以又叫湘西钨矿,自20世纪70年代发现矿石中含金以来,才改名为湘西金矿。该矿共有32个开采中段,120多个采矿作业地点,开采垂直深度接近1000m,开采倾斜长度已经超过2000m。因此,地热显现强烈,而该矿的通风系统属国内外罕见的深井复杂通风系统。因为它开采4条不同形态的矿脉,有用元素有金、钨、锑,既有上部老采区探矿与回收过去遗留资源,又有下部新矿体开拓,多中段采矿,多中段出矿,年生产矿石量15.5万t。原有通风系统主要存在问题:风流混乱、污风串联现象严重;缺少专用的通风井,深部风量明显不足;风流线路长、风阻大、风压不足;风源污染、井下粉尘的危害比较大;深部作业环境温度较高。
湘西金矿通风降温技术研究是国家黄金“九五”攻关研究项目的一个子专题。通过采用深井子域分区的通风方式,即按多路井筒进风,两翼集中排风的统一通风系统,并按各生产区的需风情况借助井下主扇进行调风,需要时打开风机进风,停车时即关闭风机,从而达到各区按需分风之目的。其特点是以统一通风方式为基础,按照不同的生产区域所组成的子域通风网络为单元,再将各子域分区网络归并到统一通风系统上去,从而使两种传统的通风方式结合到一起,形成一个有机的整体。它必须和多级机站通风技术相结合,才能达到预期之目的。多级机站的建立,可有效地降低井下通风系统的内外部漏风,提高系统运行的可靠性,强化风网的调控程度,增强通风系统的稳定性,进而实现统一通风系统、子域分区管理的通风方式。
岩层预冷入风流技术的应用在湘西金矿之具体条件下是可以实现的。该矿区夏季气温可达到36～42℃,地表的温度接近气温,地表以下岩层的温度随着标高的降低而降低,到了恒温层时,岩层温度达到了最低,即年平均气温17℃。湘西金矿井下0～3中段的岩石温度接近恒温层的温度,并且存在着大量的废弃巷道和采空区。利用这些采空区进风,可以在很大程度上降低入风流的温度。经现场实测,在井下的同一标高处,经过竖井流进的风流是21.8℃,要比预冷后的风流高出4.505℃。由此可见,低温岩层预冷入风流的降温效果是十分显著的[7]。
2 深井通风主要技术简介
2.1 高风速降温技术
辽宁红透山铜矿是中国最早进入深部开采的金属矿山之一,20世纪80年代采深就超过1000m。该矿采用中央主竖井进风、两翼风井排风的对角式通风系统。在进行通风降温研究时发现井下岩层温度随着深度的变化呈线性规律增长,其关系见式(1):
t h=0.02h+11.06(1)式中:t
h
为埋藏深度h处的岩石温度(℃);h为岩层深度(m)。
辽宁红透山铜矿岩体导热规律,通过研究、分析、推导、演化可以得出一个计算公式(2),即:
t x=t n-Q/K(2)
式中:t
x
为巷道中某点的空气温度(℃);t
n
为岩体的
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表面温度(℃);Q为单位面积导热量[J/(m2?h)];
K为岩体与空气的热交换系数[W/(m2?K)]。
通过对巷道深度与入风温度、风速、风量、空气流
动速度(u)进行研究,得到提高风速可以降低巷道温
度(t)的结论。其计算公式如下:当风
速u≤0.6m/s,t=3u-3.6u+28.5;当风速u≥
0.6m/s,t=-0.0373u+27.1。
这样看来,提高风速对降低作业面温度有非常重
要的作用。后来该矿分别在-287m和-407m两个
阶段安装2台接力主扇,使深部各中段的入风量有较
大的提高,分别提高了10～13m3/s,对深部作业通
风及气候改善起到良好的作用。
2.2 低温预冷入风流技术
湖南湘西金矿在通风降温技术研究中,充分利用
了岩层预冷风温技术。在研究中发现利用岩层预冷
风温技术的工程计算中,时间的影响因素甚小,可以
忽略不计,并将巷道轴向的温度视为不变化,而温度
仅沿半径方向变化,这样就将非稳态过程简化为一维
稳态过程。可以依据东北大学王英敏教授的研究成
果,即:
L=Gc p
KP
ln
t r-t o
t r-t l
(3)
式中:L为预冷巷道长度(m);G为预冷风量(kg/s);
c p为空气的比定压热容[J/(kg?K)];K为岩体与空气的热交换系数[W/(m2?K)];P为预冷巷道的周
界(m);t
o 为地表的气温(℃);t
r
为预冷岩层岩体的
温度(℃);t
l
为入风口相距l处的巷道气温(℃)。
根据式(3)整理后,得式(4):
t l=
t o-t r
exp(L KP/Gc
p
)
+t r(4)
式(4)即为计算低温岩层预冷入风流温度的公式。在现场调查,湘西金矿各项参数为:t
o
=38℃, t r=17℃,L=350m,K=4.146W/(m2?K),P=
9.6m,G=3.25kg/s,c
p
=1005J/(kg?K)。其中K 值,是按照风速u=0.5m/s、传热系数λ=2.23时,
经过计算求得t
l
=17.295℃。经过竖井流进的风流温度为21.8℃,要比预冷后的风流高出4.505℃。由此可见,低温岩层预冷入风流的降温效果是十分显著的[8]。
3 局部降温技术
3.1 个体防护
在中国开发埋深更深矿体(如开采深度下降到了1600m以下时)的生产作业中,也可能采取一些局部制冷技术,或采用个体高温防护技术来处理深井高温问题。个体防护的主要措施是让工人穿冷却服。冷却服使用范围广,既可以应用于独头巷道的高温作业,又可以用于各种大型机电设备操作人员,以及未采用中央制冷空调时的井下游动工作人员与管理人员。
井下作业工人穿冷却服的冷却成本仅是其他制冷成本的1/5左右,所以,在一般深度的矿山生产中,各个国家都开展了这一方面的研制工作。仅美国、加拿大、英国和以色列在20世纪60年代以来,介绍冷却服的科技论文就多达200篇。冷却服的工作介质有二氧化碳干冰、压缩空气、冷水、自冷却作用的冷却服。各国在这一方面主要研究成果有:德国德勒格尔公司的液体介质和二氧化碳干冰混合背心,南非的冰水背心,美国制造以液体介质和冰水为冷却剂的阿波罗背心,等等。这些工作服的质量都在5kg以上,最重达到15.7kg,冷却功率低于200W,冷却时间为1～6h不等。从使用情况来看,用冰作为介质的冷却服质量最为可靠,效果也最好,但是,其冷却时间一般只有2h左右。南非加尔德-莱特公司生产、充以干冰的冷却夹克资料如下:干冰装在4个袋子里,其升华的温度很低,干燥的气态二氧化碳直接流向人身体表面来冷却身体,冷却时间可能达到6～8h,干冰的质量为4kg,冷却功率只有80～106W。这是在诸多冷却服质量最优、效果最好的一种。
在矿工分散的井下高温作业地点,当不便采取集中降温措施时,可以采用这种个体防护办法。试验结果表明:当使用水冷却工作服时,人体出汗可减少25%,而当使用空气冷却服时,人体出汗可减少35%。假使井下温度高达40℃,这种工作服仍然可将温度调节到适合人体的温度。
3.2 局部冷却风流
局部冷却风流的方法有:①冰块冷却风流;②压气引射器冷却风流;③局部制冷冷却风流。
中国早于1979年辽宁省北票矿各局台吉煤矿就已经采用武汉冷冻机厂生产的JKT-20型移动式矿用空调机在-700m掘进工作面进行制冷降温。该处巷道在煤系地层底板砾岩及凝灰砂质岩中,原岩温度33℃,工作面温度为27.5～31.1℃,相对湿度为90%～95%。该机使用SK-4F型氟里昂活塞压缩机,电动机功率22k W,产冷量达11.73～25.12万J。空调机先冷却水,再用管路供给冷凝器,水温为22.4℃,水量10m3/h,冷却后的空气用局扇经双层隔热风筒送至工作面,使工作面温度保持在24～26℃,可平均降温3.5～5.0℃。
4 结 语
中国金属矿山深井通风技术的研究前提:一是大
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多数矿井是20世纪建设的,后期经过多次技术改造而达到目前的生产能力或开采深度,很多工程无法改造,只有在原有基础上加以修补;二是开采深度是逐渐增加的,所以其开拓系统、通风系统、提升系统等存在问题也日积月累,所谓“冰冻三尺,非一日之寒”,可见其技术改造难度之大;三是大多数矿山开采深度不到1300m或1600m,按照国外已经成功应用的技术,即是利用许多矿山都有的靠近地表低温岩层(即该地区年平均温度上下)预冷入风流,并增加矿井的通风风量或提高入风速度来达到降低工作面的环境温度问题;四是采用多级机站、分区通风、净化矿井污风等技术措施,就是少花钱、多办事、办实事,以较少的投入达到最大的产出。这也是中国现阶段很多矿山常常采用的一种通风降温技术改造方法。
可以预言,中国在21世纪初期开采深度很少有达到或超过2000m的金属矿山,所以,在中国使用制冷通风技术在近一个时期是可以解决深井开采降温问题。如果在一些特殊深或特别长或附近有温泉的矿井之井巷进行作业,也仅可能开展局部制冷技术的试验研究。金属矿山深井通风技术是中国近年来才开始研究的,所以,在许多方面都是刚刚起步,还没有一个矿山真正完全地解决了所有问题,可能在一些大的问题解决的比较好,而在一些小问题还需进一步完善解决。
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Curren t st a tus of deep shaft ven til a ti on techn i que research i n do m esti c m et a l m i n es
Zhang W eibin1,Guo Shulin2,Yao Xiang2,Yan Peng2,Yao Guangbin3,Zhang Yuchun3
(1.Changchun Gold D esign Institute;2.Changchun Gold R esea rch Institute;
3.J iapigou M in ing Industry Co.,L td.,China N ationa l Gold Group Corpora tion)
Abstract:The research on deep shaft ventilati on in metal m ines began in the1980s in China.And there are a2 bout40m ines(including coal m ines)whose undergr ound te mperature exceed30℃and whose dep th are bet w een600 m and1200m.The paper describes the current status of ventilati on and cooling technique in domestic metal m ines. According t o the foreign deep shaft m ining researches,the common ventilati on and cooling technique is suitable f or the current m ining dep th in China’s metal m ines.
Keywords:metal m ine;deep shaft ventilati on;technical status;research summary(编辑:邢万芳)
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