基于大风流综合净化技术的深井可控循环通风系统研究

聂兴信 赵好瑞 付小艳 高 建 郭进平 孙锋刚

（1.西安建筑科技大学管理学院，陕西 西安 710055；2.西安建筑科技大学资源工程学院，陕西 西安 710055）

0 引 言

随着金属非金属矿山开采深度不断增加，通风不足成为深井开采面临的共性问题。国内外研究表明，目前控制深井通风环境最有效的措施仍然是加强通风［1］。以往增强通风的方法有两种：①重建通风系统，更换通风设备，其实施难度大且花费成本较高；②提高通风设备的运行功率，这样不仅要付出高额的能耗代价，且因通风线路长、通风阻力大、漏风点多等原因使得传输效率大大降低［2］。如何经济合理地解决深井通风不足的问题，是深井开采面临的一个重大问题，其研究具有重要意义。

可控循环通风技术为深井通风提供了一种新选择，该技术是将采区高温高湿的含尘污风经净化冷却后重新送回用风点的通风工艺［3］。金属非金属矿山自身具有低瓦斯或无瓦斯的特性，为可控循环通风系统的应用提供了有利条件［4］。实施可控循环通风技术的难点在于循环风量受空气净化系统的制约，为保障风质，风量不宜太大，而限制风量的同时也影响了通风不足问题的解决。因此若要解决这一问题，需建立高效的大风量净化系统。对此，国内外学者对大风量净化技术展开了有益探索：2014年，吴洁葵等［1］提出了金属矿井下应用大风流净化技术，2015年，周英烈［5］提出了深井可控循环风水浴丝网净化技术，以上研究为大风量供风提供了新的发展思路。

在矿山领域，现使用的净化技术尚有很大的完善空间，且很少研究循环风质的整体安全水平。笔者将综合考虑各净化手段，拟设计高效低成本的空气净化方案，将其结合可控循环通风技术应用于承德某铜矿，分别从风量、风质和能耗方面进行分析。

1 可控循环通风技术特性分析

可控循环通风即人为控制部分风流重复流经同一用风点，使其被循环使用，以增加用风区的风量，同时对该区域风质进行监控，确保有毒有害物质浓度符合矿山安全规程［6］，原理见图1。

根据原理可知，可控循坏风具有以下作用：

（1）增风降温。循环风重复利用回风的特性，可在不增加系统供风量的情况下，增加用风区的风量和风速，改善用风区的通风环境［7-9］。如红透山矿利用可控循环风后风量增加36.2%［10］。风速加快使得温度降低，利用增风实现降温被认为是矿井降温技术中易实现且经济可行的方法［11］。

（2）节能降耗。使用循环风节省了从地面送入井下的一部分风量，大巷的总进风量和回风量减少，降低通风阻力，提高通风效率，减少了通风能耗［12］。如蒲白矿务局马村矿应用可控循环风后，一年节约电费41.76万元，红透山矿应用该技术节约能耗32.1%［13-14］。其特性分析见图2。

2 大风流综合净化方案设计

针对CO、SO2、H2S、NO2和矿尘5种主要有毒有害物质，设计了以下净化方案：①利用采空区和旧巷自净作用，并引入复合型化学抑尘剂用于矿山除尘；②将光触媒净化技术引入矿井，优化工作面空气质量；③提倡采用水浴丝碳式净化系统，高效净化有毒有害气体且节约成本。

2.1 矿井空气净化方案设计

2.1.1 除尘方案

首先充分利用采空区和旧巷的自净作用，矿尘经过时在自重作用下实现初级净化。在湿润的条件下自净效果更明显，原因是矿尘颗粒与水雾结合后容重增加，使得自身加速沉降，因此可在空区和旧巷内装雾化喷淋装置对污风进行湿润洗涤。净化水主要来源于矿山开采的地下水，经沉淀过滤后供采空区和循环横巷使用。

由于矿尘自净效果受空区的大小和旧巷的长度限制，使得自净作用受限。因此，在自净作用的基础上，将复合型化学抑尘剂引入矿井，对矿尘进行强化吸收。该抑尘剂为粉末状，兼具湿润、中和、保水和凝聚的作用。实践表明，该复合型抑尘剂的降尘率、保水性、湿润性、凝聚时间均达到了较好的效果，且绿色环保、成本低廉，单次喷洒抑尘效果能持续24 h，且后期只需补喷低浓度抑尘剂或补加清水［15］。因此该化学抑尘剂可在矿山除尘中推广使用，有较大的应用价值。

2.1.2 气体净化方案

2.1.2.1 利用光触媒空气净化技术

该技术作用为：①有效降解空气中的有毒有害气体，如甲醛、氨气、SO2、CO、NOx等污染物；②具有高效广泛的消毒功能以及除臭抗污的作用，可灭杀多种细菌真菌；③释放负氧离子，有利于人体健康。

将该技术引入矿山，定期在工作区域喷涂光触媒剂来净化矿井空气。其借助荧光灯和LED等照明工具即可发挥作用，且具有作用时间持久的优点。利用光触媒剂可净化矿井中的氨气、CO、SO2、NOx等有毒有害气体，快速分解空气异味，杀灭有害细菌，实现优化矿井空气、提高矿工舒适度的目的。

2.1.2.2 采用水浴丝碳式净化系统

水浴丝碳式净化系统可针对性地净化污风中的主要有毒有害气体和残余矿尘。净化装置见图3，由喷雾水幕、纤维栅栏、湿式喷淋纤维栅和碳式吸附网构成［5］，采取空间迷宫式布置，即净化装置在循环巷道内呈上下或左右交替分布，以便污风通过该巷道时，有毒有害物质产生充分的碰撞和反射，进而易于被吸收，布置简图见图4。

具体布置方式和作用为：①水幕喷淋装置抽取井下水，选用主管内径25 mm、壁厚2.5 mm的无缝水管作为喷雾系统供水主管，从顶板将水喷出形成水帘对污风做截面喷淋，加速矿尘沉降，吸收易溶于水的有毒有害气体；②纤维栅网采取左右交替布置的方式，每组间隔4 m左右，使污风呈S型震荡流动，增加气流碰撞，使其与净化装置充分接触；③湿式喷淋纤维栅对巷道全断面净化处理，风流冲刷纤维网上的水膜，形成水雾，更充分地净化污风；④碳式吸附网在净化巷道末端采取上下交错布置的方式，对污风进行脱水和终极净化处理，吸附污风中残存的矿尘以及有毒有害气体成分。

净化降温途径为：①SO2、H2S和NO2易溶于水，通过水幕喷淋和喷淋综合纤维栅得以吸收；②CO难溶于水，通过活性碳吸附装置进行净化；③残余矿尘可在湿润的净化系统中被进一步地吸收；④通过控制水浴温度可有效控制循环风的温度，在水浴与循环风的热交换过程中，蒸发的水分能够在一定程度上提高空气湿度，从而达到降温的效果［5］。

2.2 矿井空气净化辅助方案

（1）利用定时爆破时段排污。规定各作业点都集中在一个很短的时间段内进行爆破作业，其他时段只进行零星的爆破作业，以避免炮烟进入深井循环。充分利用定时爆破的作业时段集中排出污风，可显著降低非集中爆破作业时段内井下空气中有毒有害气体浓度。在此基础上采用基于大风流综合净化技术的可控循环通风系统，风质达到安全标准的目标更易于实现。

（2）采用循环风监控联动技术。构建实时数据监控系统，并在循环风路上安装人工风门、电动风门和有毒有害气体传感器，根据以太网实时监测系统对循环风质的监侧数据，对电动风门进行远程控制，保证在污染物浓度超过设定值时，及时封堵循环风路。这样便可实现对循环风量的自动调控，优化循环风利用率的同时，也保障了系统安全可靠的运行。

3 可控循环通风系统应用研究

3.1 工程概况

河北省承德市某铜矿采用盲竖井开拓，已开采60余a，上部形成了大量的采空区，通风系统为单翼对角抽出式。目前生产工作面主要分布于下八至下十中段，下五至下七中段存在零星残采。该矿有主平峒、主井、副井和斜坡道4个进风口，回风平硐一个出风口。下六中段风机为主风机，回风平硐口和下五中段风机不运行。通过对全矿的仿真模拟与解算，得到全矿总阻力为1 071.6 Pa，属于中等阻力矿井。测得系统总回风量为56.20 m3/s，按照60万t/a的生产能力实际需风量为90 m3/s。

存在的主要问题是：①风量供需矛盾突出，主扇风机功效不足，不能克服井下通风系统风阻，无法有效解决下部中段通风问题；②下九、下十、下十一中段井下污风已严重影响井下生产；③自然风压较大，为影响井下风流风向的主要因素。该矿属于比较有代表性的高温乏风深井，为了便于实现通风系统优化，利用3DMINE软件构建了该矿井通风系统三维通风系统图，详见图5。

3.2 方案实施

为解决上述问题，在利用定时爆破作业时段集中排出污风的基础上，将基于大风流综合净化技术的可控循环通风系统投入实际的生产应用，循环风机在集中爆破以外的时间段运行。拆除下五中段原30 kW风机，选用现有的型号为K45-4-№13#的风机作为循环风机，功率为90 kW。根据该矿井下作业点需风量，设计循环风量为37.15 m3/s，将净化后的风流与新风混合后放入深井作业区域循环利用。

首先将下五中段作为循环巷道，循环区域为下五中段至下十中段，循环风通过下八、下七、下六3个中段巷道和采空区，充分利用采空区和旧巷的自净作用并在其间设立水雾喷淋装置，该装置由内径25 mm、壁厚2.5 mm的水管组成，抽取井下水，使矿尘初步净化，并在其间定期喷洒复合型化学抑尘剂强化除尘；其次由循环风净化巷道下五中段回至进风井，途经布设的水浴丝碳式净化系统进行强效净化处理；然后在工作区域喷涂光触媒剂，对工作区域进行杀菌消毒、消臭防臭，并在一定程度上净化矿井中的氮氧化物、硫氧化物、氨气等气体；最后由设在巷道末端的检测系统和电动风门进行自动监测和调控。若循环风质达标，则由电动风门控制风流进入深部作业区循环使用，若风质不合格，则向回风井排出。详见图6、图7。

3.3 结果测定与分析

3.3.1 风量测定

经现场实测，当37.15 m3/s的净化风被放出参与循环利用时，下六风机排风量达到93.38 m3/s，循环风量约占总风量的39.78%，风量满足实际用风要求。下八至下十中段主要用风点应用前后风量比较见图8。对比可知，应用可控循环通风系统后，用风区的风量显著增加。理论和实践均可证明可控循环通风技术具有明显的优越性［9］，可有效增加风量，缓解通风不足的难题。

3.3.2 风质评定

选取 CO、SO2、H2S、NO2和矿尘5种主要有毒有害物质的浓度作为矿井空气质量的评价因子。检测循环风中有毒有害物质的浓度，然后建立对比加权综合标度指数模型对循环风质安全等级做出评定。

3.3.2.1 标度分指数的计算

标度分指数计算公式为

与上式对应的归一化标度分指数计算公式为

表1列出了评价因子背景浓度、危害限值及标准要求，为深井空气质量等级评定提供依据。

注：矿尘4项指标单位均为：mg/m3

选取5个主要用风点进行检测，浓度实测数据以及由式（3）计算出的归一化标度分指数见表2。

注：矿尘实测浓度单位为mg/m3，其他指标实测浓度单位为cm3/m3

3.3.2.2 广义对比加权值的计算

广义对比加权值计算［16］为

式中，Wj为广义对比加权值；Ij为归一化标度分指数；p为控制权值变化快慢的可调参数（0＜p＜1），一般取p为1/2。将Wj计算出来后，归一化为Wj*，其计算结果见表3。

3.3.2.3 矿井空气质量等级的判定

依据国内外研究成果，选取4个评价等级对金属非金属矿山井下空气质量以标度指数形式进行评定，详见表4［17］。

广义对比加权综合标度指数（I）计算式为

广义对比加权综合标度指数计算结果以及风质等级评定见表5。

由表5可得：5个监测点的空气质量等级均为II级，属于“较安全”的范围，大风流综合净化方案达到了用风区对风质的要求，实现了预期的净化降尘的效果，为深井可控循环通风系统的安全应用提供了可靠的保障。

3.3.3 节能分析

可控循环风使用前后通风网络的变化见图9。

设循环进风巷到循环回风巷的风阻为R，循环风系统循环巷道的阻力为R2。

（1）采用传统通风方式时，通风系统主扇克服的阻力和消耗的功率分别为

为满足生产需求，使进风量由原来的Q0增加到Q1，所耗功率为

（2）采用可控循环风时，设循环率F=Q2/Q1，此时，系统进风量保持Q0，工作面的风量为Q1，系统主扇所耗功率为

循环风机需克服进回风巷之间的压力差以及循环横向风阻R2，并传递一定的循环风量。所消耗的功率为

在区域可控循环通风系统中R2远小于R，可忽略不计，则可控循环通风系统所耗总功率可计为

因此，当工作面增加相同风量时，可控循环通风系统与传统通风系统的能耗比值可表示为

利用Matlab绘出可控循环通风系统与传统通风系统能耗比随循环率的变化趋势图，见图10。

由图10可知，随着F增加，能耗比呈现先减小后增大的趋势。计算得：当F取0.423时，能耗比可达到最低，此时P/PS为0.615，可控循环通风相较传统通风方式最多可节约能耗38.5%。

承德某铜矿可控循环通风系统的循环风量为37.15 m3/s，F为0.398，此时可控循环通风能耗占传统通风系统能耗的61.65%。在此循环率下，采用传统通风系统将用风点风量由56.20 m3/s增加到93.38 m3/s时，所耗功率是原系统的4.587倍，而采用可控循环通风系统，所耗功率仅为原来的2.827倍。

虽然可控循环通风系统增加了循环风机、净化装置及监测装置等，但对于一个生产能力为60万t/a的区域而言，通风设备的电费消耗占主体地位。因此，降低功率消耗对全矿系统而言具有较好的经济效益。因此，采用可控循环风系统可有效节约通风成本，提高经济效益。

4 结 论

（1）在金属非金属矿山深井作业区应用可控循环通风技术，能够大幅提高用风区的有效风量，且该技术操作简单，易于实现，具有灵活性和可控性的特点；大风流综合净化技术既能对循环风进行有效净化，又能起到冷却循环风的作用，从而可以有效地改善井下作业环境。

（2）通过运用对比加权综合标度指数评价法对承德某铜矿进行循环风质安全等级评定，结果表明矿井风质等级为II级，属于“较安全”的级别，通风安全性良好；通过节能分析，证实了可控循环风通风系统具有良好的经济效益。

（3）研究表明基于大风流综合净化技术的可控循环通风系统有效解决了承德某铜矿原通风系统存在的问题，增加了井下通风系统的有效风量，实现了净化降温和节能降耗的目标，具有良好的经济效益和社会效益，是一种技术上可行、安全上可靠的方法，可为其他矿山深井开采过程中解决通风方面问题提供借鉴，具有极大的推广应用价值。