冬季防冻通风系统的设计与应用

冬季防冻通风系统的设计与应用

1冬季防冻通风系统地温预测是利用地层温度变化和加热矿山流量的技术措施。有大量废旧井巷和采空区的矿山,可充分利用岩体的吸热和散热作用,进行冷空气的预热,它既节约能源,又安全可靠。金厂沟梁金矿多年存在提升井结冰影响安全生产的问题。但由于采矿方法采用削壁充填法,不存在足以预热全矿入风量的采空区和旧巷道,采用地温预热入风流的技术方案一度成为不可能。本设计利用没有淋水的井筒直接进风,各中段限流预热冷风的技术,根据传热原理计算了各中段可进的冷风量,经过风量调节,形成了冬季防冻通风系统。金厂沟梁金矿现有通风系统为多井口入排风系统(见图1所示)。入风井为1#、2#、15#和35#竖井,排风井有26#、35#和56#风井,分别装有K40Bue08115、K40Bue08116和K55ue08111风机,三台风机均作抽出式工作。七中段以上各中段已基本采完,从七中段往下,有57#盲井,35#盲付井和35#盲竖井往下开拓,设计开拓至十三中段。在排风井抽出式风机的作用下,新风从1#、2#、15#和35#提升井流入井下;这四个井又均有不同的淋水,冬季结冰严重,影响安全生产。为此,需要研究适应冬季正常生产的预热防冻通风系统,防止提升井结冰。2冬季防冻通风系统规划35#风井已延深至十中段且无淋水,因此可让35#风井直接进冷风,限制26#、56#风井的排风量,保证有部分冷风,经35#风井,六、七中段平巷预热后,由1#、2#、15#和35#提升井排出,防止结冰。据此指导思想规划出来的冬季防冻通风系统如图2所示,图中各序号1、2、3……11所代表的井巷同图1中的说明。冬季压入式风机把冷风由35#风井和大黄线平峒压入井下,由于限定压入式风机风量大于26#风井和56#风井的总排风量,则迫使有小部分冷风经35#风井、六、七中段平巷和大黄线平峒预热后由各提升井排出,大部分冷风则经35#风井,各中段井巷预热后送至深部各作业地点,然后由26#、56#风井排出。3段内风压的计算按年产量估算风量,全矿需风量38～45m3/s,全矿按采区分布划分为三个坑口,每个坑口采矿工作面数大致相同,每个坑口需风量为12～15m3/s。入风流预热路线有两条,一是大黄线平峒,二是35#风井及六、七中段平巷。大黄线平峒断面2.8～3m2,平均周长7m,总预热长度500m,围岩为斜长角片麻岩。35#风井从地表到十中段为366m,由于各中段的岩温不同,所以应当采用分段计算的方法,计算出各中段所能预热的风量,以便采取限流技术,调节各中段的进风量,保证各个提升井不结冰。区段划分见图3。大黄线平峒所能预热的风量qi由式(1)算得为10.57m3/s,预热井巷第i段巷道的终点风温由式(2)计算,35#风井进风量应为(28～35)m3/s。mi=PiKqiLiqiρiCp(3)mi=ΡiΚqiLiqiρiCp(3)式中Si——第i段预热坑道暴露的面积,m2;CP——空气的定压比热,CP=1005J/(kg.℃);ρi——空气密度,取ρi=1.2kg/m3;tni——第i段巷道平均岩温,℃;toi——第i段巷道起点风温,℃;tLi——第i段巷道的终点风温,℃;Li——第i段巷道的长度,m;ρi——第i段巷道的周长,m;qi——第i段巷道预热的风量,m3/s;Kqi——第i段巷道空气热交换系数,可由下式计算。Kqi=10λi1.55+λiV0.8‚W/m2.℃(4)Κqi=10λi1.55+λiV0.8‚W/m2.℃(4)式中Vi——第i段巷道的风速,m/s;λi——第i段巷道岩体的热导率,W/m·℃;第i段巷道的平均岩温按地温增升规律计算,此文计算中取地温增深率为65m/℃。4最大风压解算方案分3个方案进行解算。方案1:35#风井和大黄线平峒风机作压入式工作,26#及56#风井风机作抽出式工作;限制35#风井进风30m3/s,大黄线平峒进风10m3/s,26#、56#风井各排风10m3/s,按自然分配解算各提升井的排风量;方案2:停开56#风井风机,进风限量同方案1,解算各提升井及56#风井的自然排风量;方案3:停开26#及56#风井风机,进风限量同方案1,解算各提升井及26#、56#风井自然排风量。以上3个方案均是在六、七、八、九、十等五个中段同时分风的情况下进行解算的,解算时还输入了各井筒按高程差计算出的空气柱重的差,即考虑了自然风压对各井筒入排风量的影响。全系统简化成107条风道,67个节点,41个回路,网络图见图4,解算结果见表1。温度计算主要针对35#入风井至各个中段直到各中段提升井井底;大黄线平峒进风至三中段平巷及26#风井、2#竖井井底,各主要节点处风流温度见表2。由表1和表2可以看到,五个中段同时分风时,三个方案都能使1#、2#、15#和35#四个提升井排风,且其井底(六、七中段)的风温均在+2℃以上,能防止提升井结冰。从表1中还可看到2#竖井排风量较大,15#、35#竖井排风量较小,为减小2#竖井的排风量,可控制26#、56#风井的出风量,也可在连接15#和2#竖井的中段巷道上加阻。三种方案都能满足四个提升井冬季防冻的需要,为节约能源,可在大黄线平峒内装一台K40BNo9风机,采用方案3,实行风机“两压”的工作方式。26#、56#风井风机停开,而在六、七中段安装一台K40BNo8风机往上送风。5当地表气温为-18时,数据分析结果防冻通风系统已经安全可靠地运行了三年,各井入排风量实测结果如表3所示,当地表气温为-18℃时,经实测1#、2#、15#及35#竖井井底(七中段各井马头门处)的风温分别可达9℃、13℃、12℃、13℃。实测结果与表1、表2的计算结果基本吻合。三年来,各井均未结冰,保证了安全生产。6防止提升井凝结(1)对不存在足够的空区和旧巷预热全矿冷风流的矿山,采用限流预热冷风的技术,也能利用地温预热入风流,防止提升井结冰;(2)把矿井入风量分