第9章铀矿井排氡通风设计

1、绪论第1章矿 内 空 气第2章矿井空气流动基本理论第3章矿井通风系统和通风动力第4章铀矿山辐射危害与安全第5章辐射防护标准与矿井防氡指标第6章氡来源及性质第7章氡析出与氡传播第8章排氡通风与控氡技术第9章铀矿井排氡通风设计第10章氡测量和其他辐射测量方法第11章矿井通风系统测定与评价第第9章铀矿井排氡通风设计章铀矿井排氡通风设计排氡通风设计除了要满足一般通风要求外,还必须考虑把氡和氡子体的浓度控制到可以接受的程度。为此通风系统设计的最优化最好是在矿山原始设计中完成,而不应寄托于对改进现状的事后调整。因此矿井通风设计是矿床开采总设计的一个不可缺少的组成部分。9.1矿井通风设计的任务与内容矿井通风

2、设计的任务与内容 通风设计是矿井开采总体的一部分。它的基本任务在于和开拓、采矿方法相配合,建立一个安全可靠、经济合理的控氡矿井通风系统;计算各时期各工作面所需的风量及矿井总风量;计算通风系统的总风压;然后以此为依据,选择通风设备。通风设计分为新建矿井与改建或扩建矿井的通风设计。对新建矿井的设计既要考虑到当前的需要,又要考虑到发展与扩建的可能性。对于改建或扩建矿井在进行通风设计时,首先应对生产情况,氡来源作周密的调查研究,分析通风系统存在的主要问题,在此基础上研究改进的途径。在改建及扩建中必须充分利用所有的井巷及设备。凡新建、改建、扩建矿井的通风设计都必须考虑通风防护最优化原则,做到经济上合理、

3、技术上可行,有利于通风管理,有利于生产发展和符合有关规程规范。有关最优化的通风设计请参考核行业标准铀矿通风防护最优化方法(EJ/ T94495)。新建矿井的通风设计一般分为两个时期,即基建时期与生产时期,这两个时期应分别进行设计计算。 矿井基建时期的通风是指基建井巷掘进时的通风,即开掘井筒(或平硐),井底车场,井下硐室,第一水平的运输巷道和通风巷道的通风。此时期多用局扇对独头巷道进行局部通风,应按局部通风设计考虑。当两个井筒贯通,主扇已安置完毕,便可用主扇对已开凿的井巷实行总风压通风,从而可缩短其余井巷与硐室掘进时局部通风的距离,此时的通风计算与生产时期相似。 9.1.1矿井基建时期的通风矿井

4、基建时期的通风矿井生产时期的通风包括矿井投产后,全矿开拓、采准、切割和回采工作面以及其他井巷的通风。当矿井服务年限在20年以内时,一般是选取开采规模最大,生产量最高和通风线路最长时期进行设计计算,只作一次通风设计。当矿井服务年限超过20年以上时,需分两个时期来设计。因为通风设备的折旧年限约20年左右,故前20年作为第一期进行详细设计;至于20年以后,由于生产情况和科学技术的发展很难确定,因此只能作一般的原则规划。9.1.2矿井生产时期的通风矿井生产时期的通风9.1.3矿井通风系统设计的程序和内容矿井通风系统设计的程序和内容一个完整的矿井通风系统设计应包括以下程序和内容:(1)确定通风系统是采用

5、统一通风还是采用分区通风;(2)确定进风井与回风井的布置方式;(3)确定主扇工作方式与安装地点;(4)确定中段通风网路结构;(5)确定采场通风网路结构及通风方式;(6)确定矿井通风构筑物和通风设施;(7)进行风量和压力计算,确定风量分配,估计可能漏风的地点以及提高有效风量率的措施;(8)选择通风设备;(9)建立氡渗流分布图,对通风系统进行评价,制定减少氡析出的措施,绘制矿井通风系统图;(10)编制通风工程的施工;(11)编制通风设计的经济部分和说明书。9.2矿井通风系统的合理选择矿井通风系统的合理选择 由于矿井通风系统对全矿井的通风降氡与安全状况具有全局性影响,完善通风系统是搞好井下通风降氡、

6、防尘工作的基础。在合理选择矿井通风系统时应遵循通风系统的基本原则,并根据通风系统各个部分的要求合理选取。这里仅讨论拟定通风系统应注意的问题和考虑的原则。矿井通风系统与开拓系统密切相关,相辅相成。因此在选择开拓系统时必须同时提出相应的通风系统方案,以便全面分析比较有关的技术因素,给通风系统方案的最终确定提供有利的前提条件。9.2.1拟定矿井通风系统应注意的几个问题拟定矿井通风系统应注意的几个问题应注意的问题有:(1)拟定矿井通风系统,应从矿山具体条件出发,因地制宜,不拘一格。要根据矿山地形地貌,矿床赋存状况,矿体产状形态,矿井开拓方式和开采方法等特点及矿井生产能力,开采强度等客观要求,确定合理的

7、通风系统。(2)拟定矿井通风系统,要根据矿井氡析出和氡来源等特点,要尽量减少通风空间的氡析出量,保证入风风质良好,并要充分利用通风压力来控制氡的析出。(3)拟定的矿井通风系统不宜过大,有条件尽量采用分区通风,并要使风机能有效地控制整个通风系统。(4)拟定的矿井通风系统要能消除自然风流的干扰,并合理规划进回风网路,注意风量分配,减少通风死角,防止氡及子体积聚,要尽量缩小通风体积,缩短换气时间,减少风流老化。(5)拟定的矿井通风系统应实行最优化,力求技术经济合理。(6)矿井通风系统不是一成不变的,要能适应生产变化的要求,并能及时调整。 9.2.2拟定矿井通风系统应遵守几项规定拟定矿井通风系统应遵守

8、几项规定(1)矿井总入风流中含尘量应小于0.2 mg/m3,氡及氡子体浓度不超过当地本底或背景值水平,一般在0.15 kBq/m3。采掘工作面入风流中粉尘,氡及氡子体浓度应不超过最大允许浓度的30%。采掘工作面温度应不超过28 ,电机硐室温度不超过 30 。(2)主要回风井巷不得作为人行道,回风道排除的污风不得造成公害。(3)矿井有效风量率不得低于60%70%,矿井入风道的风压损失不得超过总风压损失的50%以上,井巷风速要符合规定的要求。(4)采场、二次破碎巷道应有贯通风流,电扒司机应位于上风侧,避免废风串联和循环。(5)井下炸药库及充电硐室,必须设有独立的回风线路。(6)不用的井巷及采空区必

9、须及时密闭。风门、密闭墙、风墙、风硐等通风构筑物和建筑物必须严密完好。(7)有自然发火的矿山,主扇应有反风装置,并保证10分钟内改变风向。(8)主扇风机的运行效率应在70%以上。选择通风系统时,应根据矿山特点,提出几个技术上可行的方案,然后进行技术经济比较,最后选择最合理的通风系统方案。9.3全矿需风量的计算全矿需风量的计算矿井风量的计算是矿井通风设计的一个极其重要的内容,亦是矿井通风技术中的一个重要问题。按排氡及其子体计算铀矿山的通风量,这是不同于非铀矿山通风的主要特点之一。9.3.1风量计算应考虑的原则风量计算应考虑的原则矿井通风的风量是根据通风的目的和卫生要求,按排出井下有害物,使之符合

10、法定标准的要求进行计算,对铀矿山应进行不间断地机械通风,禁止自然通风。风量计算应按采掘工作最大展开时期的排氡和排氡子体分别计算风量,取其最大值。合理地分配风压和风量,把井下空气中的氡及氡子体浓度降低到浓度目标值以下。同时还应满足下列要求:(1)采掘工作面和运输巷道中的氡及氡子体浓度控制值根据 铀矿井排氡及通风技术规范(EJ/T3592006),其氡浓度不超过2.7 kBq/m3,氡子体潜能不超过5.4 J/m3。(2)矿井所需风量按采掘工作最大展开期的进需风段的氡析出量计算风量。(3)按稳定通风状态下的安全防护要求标准计算风量。(4)总回风风流中的氡及子体浓度控制值:氡浓度取7.4 kBq/m

11、3,氡子体浓度取10.4 J/m3。(5)新设计矿山总入风流污染一般很小,可忽略不计;而生产矿井则应考虑矿井入风流的污染情况;采掘工作面计算需风量时应考虑入风污染,矿井总入风流和工作面入风量质量见表9.1。 矿井所需风量按排氡和排子体分别计算后取其最大值。铀矿山一般按排氡计算的风量较大。(6)任何一个矿井都同时存在多种有害因素,风量的设计必须同时满足排除这些有害因素的要求。以氡及其子体为主要有害因素的矿山,除按排氡及其子体计算风量外,还应同时按排除其他因素计算的风量来进行校核。其要求如下:按井下同时工作的最多人数计算,风量不得少于4 m3/(min人); 按排尘风速计算,硐室采场最低风速不宜低

12、于0.15 m/s,巷道型采场井下爆破和掘巷道不应低于0.25 m/s,电扒道和二次破碎巷道不应低于0.5 m/s;井下爆破器材库每小时供风量不应小于总容积的4倍;使用柴油设备的矿井,按同时作业台数其风量不低于4 m3/kWmin;压入式通风的漏风系数可按1.21.3选取,抽出式通风的漏风系数可按1.151.25选取; 进风井巷冬季的空气温度应高于2 ,低于2 时,应有供暖风设备,禁止用采空区直接将预热的空气引入矿井;井下风速不得超过表9.2的规定。 根据我国铀矿床埋藏复杂、规模小及分散的特点,结合现在通风管理水平,在风量计算中,不按矿井总体计算,而是按矿井各工作地点分别计算风量。这样计算比较

13、具体,而且风量计算与风量分配相结合,更切合矿井通风实际情况。全矿井总风量可按下式计算: (9.1) 9.3.2新建矿井通风风量计算方法新建矿井通风风量计算方法 式中,Q为全矿井所需风量,m3/s;n1q1分别为某类采矿方法采场数目(个)和每个采场所需风量,备用采场风量按生产采场所需风量供风,m3/s;n2q2分别为某类掘进工作面数目(个)和每个掘进工作面所需风量,m3/s;n3q3分别为某类硐室数目(个)和每个硐室所需风量, m3/s;K1为采场备用风量系数,根据含矿品位,当量氡析出率和生产不均衡系数选取,K1=1.101.30; K2为矿井风量备用系数。风量备用系数是考虑到矿井有难以避免的漏

14、风,同时也包含风量调整不及时和生产不均衡等因素而设立大于1的系数,如地表无崩落区,K=1.251.40;一般矿井,K=1.31.45;地表有崩落区,K=1.351.5。1.采场回采工作面所需风量计算采场回采工作面所需风量计算(1)按氡析出量计算风量按采场氡浓度不超过法定允许浓度(2.7 kBq/m3)进行计算。按硐室型采场风量q计算:q=R/Kt(2.7-C0) m3/s (9.2)式中,q为硐室型采场所需风量,m3/s;C0为采场入风流污染的氡浓度,kBq/m3,C01 kBq/m3;Kt为紊流扩散系数,它决定于硐室与其进风巷道的形状及位置关系,当硐室中有多个进回风口时,可取Kt=0.81;

15、R为采场氡析出量,Bq/s;R=JSd+R2 式中,J为当位当量氡析出率,Bq/(sm21%);Sd为当量射气面积,sm21%;R2为采场崩落矿堆氡析出量,Bq/s。 J值由地质报告提供或进行实测取得。根据我国若干铀矿井的实测资料,值一般在0.0370.185 kBq/(sm21%)范围内,如风量计算中确实无法获得该矿值时,可以根据其他地质特征采用类似矿山的值,并用矿山的射气系数进行校正:1/2=J1/J2 (9.3)式中,1为某生产矿山的射气系数;2为设计矿山的射气系数;J1为某生产矿山的单位当量氡析出率;J2为设计矿山的单位当量氡析出率。 Sd为当量射气面积(sm21%)。主要包括采场工作

16、面,采准巷道,入风天井,充填表面的射气面积。Sd=(S1a1+S2a2+Snan)Kp (9.4)式中,Kp为铀镭平衡系数;S1,S2,Sn为不同铀品位矿围岩的裸露面积,m2;a1,a2,an为矿岩和围岩的铀品位,%。矿石和围岩的铀品位主要根据地质报告获得,也可以从下列情况考虑选取:a.矿块中的矿石品位按矿石平均品位计算,不含矿部分取0.01%0.03%。b.围岩如系表外矿石,取表外矿石的平均品位,如系非表外矿石,则根据围岩位置和矿体的远近来选取。c.脉内巷道:顶板围岩可以取0.01%;接触矿体的巷道底板由于有粉矿可以取0.01%略大一点,巷道两帮围岩可以取0.003%。d.脉外巷道:距矿体1

17、520 m时,当矿石品位小于0.1%时取0.001%;当矿石品位大于0.1%时取0.003%;若围岩距矿体大于20 m时,不考虑矿石品位高低一律取0.001%。e.采矿场:接触矿体的顶板可取0.01%,两帮可取0.003%;在壁式采矿法中,底板及采空区可取0.01,而顶板无矿,可取0.01%;工作面接触矿体围岩取0.01%。f.充填面的品位应根据充填料的来源确定,选别回采的充填采矿法取崩落岩石的品位,对外部来的充填料取0.003%。 R2为采矿崩落矿堆的氡析出量,按下式计算:R2=0.258WCuKeKpKs kBq/s (9.5)式中,W为采场崩落矿石的质量,t;Cu为矿石的铀品位,%;Ke

18、为矿石的射气系数;Kp为矿石的铀镭平衡系数;Ks为氡在矿堆析出时的等效衰减系数,Ks为0.421。按巷道型采场风量q计算:q=R/(2.7-C0) m3/s (9.6)式中符号意义同前。(2)按排氡子体计算风量q考虑采场入风流的污染情况,根据采场氡子体潜能值不超过浓度限值5.4 J/m3进行计算:q=1.32 m3/s (9.7)式中,q为一个采场所需风量,m3/s;R为采场氡析出量,其值按排氡中氡析出量计算,kBq/s;V为采场通风体积(包括采场工作面、采准巷道及入风天井的容积),km3;E0为采场入风流氡子体浓度,其值按允许限值的0.10.3倍考虑。2.掘进工作面所需风量掘进工作面所需风量

19、根据经验,每个掘进工作面的风量依具体情况按24 m3/s考虑。如果出现下列情况,应单独计算风量。(1)当独头巷道过长,氡析出量大时,应按下列计算排氡风量。Q=R/K(C-C0) m3/s (9.8)式中,R为巷道内氡析出量,Bq/s;C为规定的最大限值浓度,Bq/m3,取C=2.7 kBq/m3;C0为入风中氡浓度,Bq/m3;K为紊流扩散系数。(2)当独头巷道掘进时,游离二氧化硅含量大时,应按排除矿尘计算风量:Q=Sv m3/s (9.9)式中,S为巷道断面积,m2;v为最低排尘风速,一般v=0.25 m/s。(3)按排炮烟计算风量压入式通风按下式计算:Q压= m3/s (9.10)式中,t

20、为通风时间,s;A为炸药消耗量,kg;Lx为有效射程,m,Lx=(45) ；S为巷道断面积,m2。当有效吸程Le1.5米时,抽出式通风按下式计算:Q抽= m3/s (9.11)式中,L为炮烟抛掷长度,m,电雷管起爆时,L=15+;其余符号同前。混合式通风,压入式和抽出式风机风量分别按下式计算:Q压= m3/s (9.12)Q抽=(1.21.25)Q压 m3/s (9.13)式中,LW为抽出式风机吸入口到工作面的距离,m;其余符号同前。(1)充电硐室3.硐室所需风量硐室所需风量充电过程中产生的氢气量冲淡到允许浓度(0.5%),按下式计算风量:Q充=q/(0.0053 600) m3/s (9.1

21、4)式中,q为充电硐室氢气产生量,m3/s。q=0.000 627(I1a1+I2a2+Inan) m3/s (9.15)式中,0.000 627为一安培电流通过一个电池每小时产生的氢气量,m3;p为充电硐室所处标高大气压力,Pa;t为硐室内空气温度,;I1,I2,In为对应各电池的充电电流,A;a1,a2,an为电池数。(3)压风机及通风机硐室计算式: (9.16)式中,为硐室内所有运转电动机的功率之总和,kW。按炸药库大小供给风量,大型炸药库为23 m3/s,中小型炸药库为12 m3/s。(2)炸药库(3)压风机及通风机硐室计算式: (9.16)式中,为硐室内所有运转电动机的功率之总和,k

22、W。(2)炸药库 (9.17) 意义同前。(5)水仓风量大小取决于水仓容积及水中氡气含量的高低,可按排氡计算风量。(6)其他硐室所需风量可参考类似矿山选取。(4)水泵及卷扬机硐室计算式:风量计算出来后,必须按下列方法校核。1.全矿井所需总风量进行校核全矿井所需总风量进行校核 (9.18)式中,R为矿井通风空间氡析出总量,包括矿岩壁表面、崩落矿堆和矿井水三部分氡析出之总和,R=R1+R2+R3。其中 R1=JSd kBq/sR2=0.258WCuKpKe kBq/s9.3.3风量校核风量校核 (9.19)式中,R1为矿岩表面氡析出量,kBq/s;J为当量氡析出率,kBq/(sm21%);Sd为当

23、量射气面积,m21%;R2为崩落矿堆氡析出量,kBq/s;W为矿堆质量,t;Cu为矿石铀品位,%;Kp为铀镭平衡系数;Ke为射气系数;R3为矿井水氡析出量,kBq/s;G为矿井涌水量,m3/h;C1为矿井涌水氡浓度,kBq/m3;C2为矿井水排出地表其出水口的氡浓度,kBq/m3。2.按全矿总排氡子体风量进行校核按全矿总排氡子体风量进行校核(9.20)式中,R为矿井通风空间氡析出总量,Bq/s;V为全矿井通风空间的体积之和,km3。3.按按冲淡爆破后所产生的有害气体所需风量进行校核冲淡爆破后所产生的有害气体所需风量进行校核 m3/s (9.21)式中,Q为矿井所需总风量,m3/s;n1,q1为

24、分别为某类采矿方法采场数目和每个采场爆破后所需风量;n2,q2为分别为某掘进工作面数目和每个掘进工作面爆破后所需风量;n3,q3为分别为某类硐室数目和每个硐室所需风量;K2为矿井备用风量系数。4.按排尘风速所需风量进行校核按排尘风速所需风量进行校核(9.22)式中,Q为矿井所需总风量,m3/s;S1,S2为分别为采场和掘进巷道的断面积,m2;v1,v2为分别为采场和掘进巷道所要求的最小排尘风速;其余符号意义同前。5.按按井下最大班人数所需风量进行校核井下最大班人数所需风量进行校核 (9.23)式中,N为井下最大班人数;q为井下每个作业人员供风标准,q=4 m3/min;K2为风量备用系数。6.

25、对含铀煤矿对含铀煤矿,按平均日产一吨煤预计涌出的沼气量或二氧化碳量按平均日产一吨煤预计涌出的沼气量或二氧化碳量所需风量进行校核所需风量进行校核对一、二级瓦斯矿井风量按下式计算:Q=TqK2 m3/s (9.24)式中,T为矿井正常日产量,t;q为日产一吨煤所需风量,q1级=1.5 m3/s,q2级=1.2 m3/s,q3级=1 m3/s。对于超级瓦斯矿风量计算:Q=0.092 5qtTK2/60 m3/s (9.25)式中,qt为日产一吨煤矿涌出的甲烷量,m3/t;T为矿井日常产量,t。7.高温矿井高温矿井,按热交换原理按热交换原理,根据降温要求计算出所需风量进行校核根据降温要求计算出所需风量

26、进行校核(9.26)式中,r为矿井空气容重,r=1.293 kg/m3;CP为矿井空气的定压比热,CP=1103 J/(kg);t2为矿井空气允许最高温度28 ;t1为要求进入矿井空气温度,;为矿井单位时间的放热量之和,103 J/s。8.有柴油设备的矿井必须按柴油设备排出的废气所需风量进行校有柴油设备的矿井必须按柴油设备排出的废气所需风量进行校核核按每千瓦每分钟供风量不小于4 m3计算风量: (9.27)式中,为矿井所有工作面柴油设备功率之和。按上述方法进行风量校核后,取其最大风量。总风量确定之后,应按各工作地点实际所需风量进行分配,并以此为依据进行通风系统的阻力计算。9.4全矿通风阻力计算

27、全矿通风阻力计算矿井通风总阻力是指风流由进风口到扇风机风硐(抽出式)或者由扇风机风硐到回风井口(压入式),沿任一风路流动途中所产生的摩擦阻力和局部阻力之总和。矿井通风阻力是由扇风机的风压加上(或减去)自然风压来克服的。所以,选择矿井主扇风机必须首先计算矿井的通风总阻力。9.4.1全矿通风阻力计算线路的选择全矿通风阻力计算线路的选择扇风机整个服务期限内,矿井通风阻力随着矿井生产的发展变化而变化。为了使扇风机在整个服务期限内均能在它的高效稳定范围内运转,在选择扇风机时必须考虑到通风阻力的最大值和最小值。前者对应于扇风机服务期限内通风最困难时期,后者对应于通风最容易时期。此外,还需考虑反向的自然风压

28、。在进行矿井通风总阻力计算时,不需要计算每一条风路的通风阻力,只要选择其中一条阻力最大的风路(分别对上述通风最困难和最容易时期)进行计算。一般,可在通风系统图上根据采掘作业布置情况,找出风流线路最长,风量较大的那条线路作为阻力最大的风路。如果通风系统比较复杂,直观上难以判断哪条风路阻力最大时,则应选择几条阻力可能最大线路,通过计算比较,选出其中最大者。9.4.2全矿通风阻力计算方法全矿通风阻力计算方法图9.1阻力计算线路图 在通风系统图上将选定的线路(最困难时期和最容易时期)从进风口到回风井口逐段编号,并绘制阻力计算线路示意图,如图9.1所示。然后沿选定的线路分段计算摩擦阻力。算出选定线路各段

29、的摩擦阻力,其总和即为矿井总摩擦阻力:hf=h1-2+h2-3+h3-4+式中,hf为总摩擦阻力,Pa;h1-2,h2-3,h3-4为各段摩擦阻力,Pa。各段井巷的摩擦阻力,按下式计算: (9.28)式中,为摩擦阻力系数,Ns2/m4;P为井巷断面的周界长度,m;L为井巷长度,m;S为井巷断面面积,m2;R为摩擦风阻,Ns2/m8;Q为井巷通过风量,m3/s。矿井摩擦阻力的计算,可填写在表9.3中,以便核对。 矿井总通风阻力按下式计算: (9.29)式中,ht为矿井总阻力,Pa;hf为矿井总摩擦阻力,Pa;he为矿井总局部阻力,Pa。对矿井总局部阻力,如无实测资料,则按总摩擦阻力的20%考虑,

30、即he=0.2hf。 1.扇风机的选择扇风机的选择扇风机是根据矿井通风要求的风量、风压来选择的。扇风机的风量: (9.30)式中,为装置的风量备用系数,一般取1.1;Qt为矿井要求的总风量,m3/s。 矿井通风设备是指主扇和电动机。 9.5矿井通风设备的选择矿井通风设备的选择Hf=ht+Hn+hr+hv Pa (9.31)式中,ht为矿井总阻力,Pa;Hn为与扇风机作用相反的自然风压,Pa;hr为扇风机装置阻力之和,一般取147196 Pa;hv为风流流到大气的出口动压损失,Pa。根据通风容易时期与困难时期所算出的两组Qf与Hf数据,在扇风机个体特性曲线上找出相应的工况点,并且要求这两个工况均能落在某一风机特性曲线的合理工作范围内,即效率在70%以上,就可选取该扇风机。扇风机全压:根据扇风机的