工业通风空调与矿井通风空调的差异.doc

工业通风空调与矿井通风空调的差异摘 要 地面工业通风空调与矿井通风空调在理论基础及技术原理上是相同的，但由于矿井地下环境的特殊性，二者也存在较大差异。从工业通风与矿井通风、矿井除尘、矿井降温等方面分析了工业通风系统与矿井通风系统的异同点，论述了矿井通风在矿用通风机、矿井通风网络解算、矿井降尘与除尘、矿井降温与空调等方面的特点，并提出了针对矿井通风除尘降温领域需进一步探讨的问题及发展方向。关键词 工业通风；矿井通风；矿井除尘与降尘；矿井空调1 前言地面建筑通风空调可分为民用建筑通风空调与工业建筑通风空调两类，两类通风空调的共同点就是排除污染物，送入新风和保证人员热舒适等；民用建筑通风空调侧重于满足室内空气质量和热舒适的要求，而工业通风空调则侧重于控制生产过程中的粉尘、微生物、有害气体、高温、高湿，创造良好的工作和生产环境，以及保护大气环境1。矿井通风空调属地下特殊环境的通风与空气调节，由于矿井井下存在爆炸性气体、有毒有害气体、生产过程中的产尘、高温、高湿及无氧区等有毒有害污染源，因此，矿井通风空调对保障矿井安全生产显得尤为重要。矿井通风的基本任务包括2：（1）连续不断的供给井下足够的新鲜空气；（2）将井下有毒有害气体和粉尘冲淡到安全浓度以下，并排出矿井；（3）稀释、排除井下的热量和水蒸气，为井下创造适宜的气候条件。矿井开采也是工业生产的一种形式，工业通风空调与矿井通风空调有着共同点，那就是稀释和排除有毒有害物质，创造良好的气候环境。但工业通风空调与矿井通风空调在概念、方式、计算及设备要求等方面存在一定的差异。下面从通风、除尘与空调三个方面进行分析对比。2 工业通风与矿井通风2.1 矿井通风的特点矿井开采必须从地面向地下开掘一系列井巷，其生产过程是地下作业，自然条件比较复杂，地面空气在进入井下并流经各作业场所的过程中，将掺入有毒有害气体和矿尘，成分逐渐发生变化。同时，由于地热作用、人体和机械散热、水分的蒸发等原因，井下空气的温度和湿度都会显著增高，造成不良的气候条件，因此，开采过程中，通常需要对矿井进行机械强制通风。 矿井通风系统是由一系列的井巷构成的通风网络，为了把地面的新鲜空气按需要分送到各个工作地点，又将井下的污浊空气排出到地面来，需要设置进风井和回风井。风机安装在进风井称为压入式通风；风机安装在回风井称为抽出式通风；进、回风井有时有多个，称为多进多回系统，这时需要由多风机联合工作进行通风；在井下各巷道中，根据通风的需要设置风墙、风门、风桥等通风构筑物；在有些巷道里还装有调节风窗，用来调节风量；如进风与回风在同一地点交汇时，为了使进、回风分开，在这一地点必须设置风桥；为了隔断风流，在巷道某些地点需要设置风门，风门一般设两道，矿车或人员从风门经过时，两道风门不能同时开启，以避免风流短路。因此，与一般工业通风管路系统相比，矿井通风网络要复杂得多。较一般工业通风来说，矿井通风风量大，距离长，一般几千米到几十千米，独头通风（局部通风）距离也较长（最长达几千米），通风系统动态性大（采场位置的变化，掘进工作面不断延长），空气湿度高（一般在90%以上）。工业通风与矿井通风在通风方式、通风动力等方面存在一定的差异，见表1。表1 工业通风与矿井通风的异同点工业通风矿井通风定义利用技术手段将车间内被生产活动所污染的空气排走，把新鲜的或经专门处理的清洁空气送入车间内。利用机械或自然通风动力，使地面空气进入井下，并在井巷中作定向和定量地流动，最后排出矿井的全过程称为矿井通风通风动力机械通风（无需备用风机）、自然通风机械通风（需备用风机）通风机工作方式送风、排风压入式、抽出式、压抽混合式作用范围全面通风、局部通风全矿井通风、局部通风（独头巷道通风）通风系统类型集中式、分散式中央并列式、两翼对角式、分区式、混合式风道人工成型风道矿井井巷风量调节风机风量调节、风阀调节风机风量调节、通风网络调节（风门开度调节、风窗调节）通风计算均匀送风计算网络解算反向通风无要求灾变时要求风流能反向系统稳定性通风系统较稳定，一般为定风量通风系统动态变化，需经常进行分支巷道风量调节2.2 矿井通风机特点2.2.1 矿井主通风机的特点矿井主通风机是为全矿井通风系统服务的动力设备，一般安装在地面。其主要特点：（1）风机风量大，压头高。矿井主通风机风量高达几十m3/s到几百m3/s，压头有几百到几千Pa。（2）风量风压应在一定范围内可调节。矿井主通风机一般要服务一个水平或一个阶段，随着开采范围的扩大，瓦斯涌出量增大，通风路线增加，阻力不断增加，风机选型应能同时满足矿井通风容易时期和困难时期通风阻力的要求，同时还需考虑自然风压的影响，风机工况应可调节。一般情况下，离心风机采用调转速的方法；轴流风机采用调叶片角度的方法；也可以采用变频调节的方法。（3）必须安装2套同等能力的主要通风机装置。其中1套作备用，备用通风机必须能在10min内开动。（4）风机要能实现反风，以实现灾变抗灾的需要。轴流风机可以采用风机反转反风，离心风机一般采用反风道反风；当风流方向改变后，主要通风机的供给风量不应小于正常供风量的40%。（5）直联接动的轴流风机电机需防爆。矿井通风多采用负压抽出式，风流中含有爆炸性的瓦斯气体，风机的驱动电机需防爆。2.2.2 矿井局部通风机的特点矿井在开掘巷道时，需进行独头巷道通风，一般是采用局部轴流式通风机接风筒将新鲜风流压入送到工作区。其主要特点：（1）矿井局部通风一般采用防爆轴流式风机。（2）风压高。一般局部通风外接风筒压入到用风地点，风筒断面小，通风路线长，有时好几千米，需要的局部通风机压头高，一般采用两级对旋轴流风机，最高全压可达10000Pa以上。（3）局部通风机要求能风电闭锁。使用局部通风机供风的地点必须实行风电闭锁，保证停风后切断停风区内全部非本质安全型电气设备的电源，防止停风造成瓦斯积聚引起爆炸。2.3 矿井需风量计算特点矿井需风量，按下列要求分别计算，然后取其中最大值3。按井下同时工作最多人数计算，每人每分钟供给风量不得少于4m3；按采煤工作面、掘进工作面、硐室及其他需要用风地点风量的总和进行计算。在通常情况下，煤矿采掘工作面需风量主要是依据稀释矿井瓦斯到安全浓度的风量，同时采掘工作面断面风速应符合煤矿安全规程的要求，即采掘工作面断面风速应在0.25m/s4m/s，风速过低，易出现瓦斯分层现象，风速过大，易造成煤尘飞扬而导致二次污染。2.4 矿井通风网络解算工业通风管路系统一般是一种树状结构，很少有环路存在，因此，系统比较简单，风量分配和阻力计算比较容易，而矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的一个复杂系统网络状结构，系统中存在很多环路和角联支路，而且，随着矿井开采范围及用风地点的变化，通风系统也是动态变化的，在给定的巷道条件和风机的作用下，掌握井下各分支巷道的风量分配情况及其调节方案十分重要，通常矿井通风需进行通风网络解算4。用图论的方法对矿井通风系统进行抽象描述，把通风系统变成一个由线、点及其属性组成的系统，称为矿井通风网络。矿井通风网络图是通风系统的抽象表示，集中反映风流的流动情况及各用风地点之间的关系。利用网络图论的理论和方法来分析复杂通风系统，就是要求解算其总风阻，并计算当它和某一风机配合时可实现的总风量，以及各分支巷道的风向和风量，以便验算各地的风速和风量是否符合规程的要求，是否要采取某些调节措施。2.5 通风系统评价方法工业通风中，一般使用换气效率、排污效率来表示通风有效性；而矿井通风一般用矿井有效风量率和矿井内、外部漏风率表示通风有效性。在矿井通风系统中，通常用矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。即假定在无限空间有一薄壁，在薄壁上开一面积为A的孔口，当孔口通过的风量等于矿井风量，而且孔口两侧的风压差等于矿井通风阻力时，孔口面积A称为该矿井的等积孔。它是反映矿井通风难易程度的一个重要指标，以m2表示；通常根据矿井等积孔值的大小将矿井通风难易程度分为三级，即通风容易、通风中等、通风困难。等级孔愈大，通风愈容易。3 矿井降尘与除尘煤矿采掘工作面是煤矿井下尘害最严重的作业场所之一，生产过程中，其粉尘浓度高达1000mg/m3以上，有的地点甚至达5000mg/m3，而且呼吸性粉尘占总粉尘的比例也高达20%左右，无论是总粉尘还是呼吸性粉尘均严重超标。粉尘不仅污染环境，阻挡视线，导致煤尘爆炸，而且易造成职业危害。我国煤矿现有尘肺病患者30余万人，占全国尘肺病患者总数的46.5%，每年死于尘肺病的人数达20003000人。煤尘所造成的尘肺病是一把“软刀子”。据统计，尘肺病患者死亡人数是煤矿工伤死亡人数的35倍。全国每年尘肺病造成的直接经济损失100多亿元，间接经济损失更是高达300400亿元5。矿井粉尘控制问题日趋严峻。与地面工业除尘不同，矿井粉尘有如下特点6：（1）产尘量大，采煤机及掘进机截煤，爆破落煤，煤炭运输等生产过程均产生大量粉尘；（2）产尘面大，不易控制和捕集；（3）呼吸性粉尘比例大，粉尘中含游离二氧化硅，易导致尘肺病。目前煤矿井下采掘工作面控制粉尘的方法主要通风稀释，喷雾，煤体注水等方法降尘，在一些机械化掘进工作面也有采用除尘器除尘。由于煤矿空间环境及粉尘的爆炸特性，许多地面工业用除尘器在煤矿井下不能使用。例如：由于有爆炸性气体电除尘器不能使用；由于清灰困难，袋式除尘器不宜使用；另外，由于空间受限，较大体积的除尘器也不宜使用。目前国内矿井除尘器主要有：湿式除尘器（文丘里、水浴、振弦、湿式旋流），风量一般为180300m3/min，除尘效率一般在85%左右，但由于采掘工艺及矿井井下环境空间受限，除尘器仅在少部分矿井的机械化掘进工作面使用。4 矿井降温与空调随着煤矿开采深度的增加，矿井高温问题也显得越来越突出。我国煤矿35%的采掘工作面风流温度超过30。根据煤炭资源开发和资源保护资料显示, 在预测的煤炭资源总储量中，73.12%的储量埋深在1000m以下, 预测围岩温度39457。西德伊本比伦煤矿现采深达1530m，地温梯度1/43m，井底岩温可达60，南非斯太总统金矿的工作面深度超过3000m，原始岩温度达63以上。南非阿曼代巴尔特金矿1号井工作面温度高达558。我国煤矿安全规程第102条规定9，生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26，机电设备硐室的空气温度不得超过30。通风是矿井采掘工作面降温的措施之一，但由于部分矿井温度高，加之井巷风速及风机能力的限制，靠通风满足不了降温排热的要求，还需进行矿井空调。矿井空调虽然已有80余年的历史，但迅速发展和较广泛地应用仅是近30年的事10。1977年，原苏联研制成移动式矿用制冷机，在煤矿和金属矿的独头掘进巷道中应用。1985年11月，南非在世界上首次用冰做载冷剂冷却空冷器的冷却水，该系统的制冷能力达628MW。1989年，南非一金矿建成压缩空气制冷空调系统，将空气在地面压缩为液态，通过管道输送到井下，首先膨胀成气态后，再进入空气制冷机，排出的低温空气冷却工作面的风流。同年，波兰研制出涡流管式空气制冷装置，在煤矿掘进工作面试用，取得了一定的降温效果。早在20世纪70年代，我国曾研制过压气引射器和涡流管制冷装置。1993年7月，平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所联合研制成KKL101矿用无氟空气制冷机。1995年，山东矿业学院陈平等提出用压气引射器和制冷机结合进行矿井空调。在此之前，我国采用的制冷设备主要是以氟里昂和氨为制冷剂的冷水机组11-13。与地面空调不同，矿井空调有如下特点：（1）负荷大。其负荷主要包括：井巷围岩传热、机电设备放热、运输中煤炭及矸石的放热、矿物及其它有机物的氧化放热、人员放热、热水放热等。另外，由于矿井存在地下水、生产用水及喷雾降尘用水等，矿井空气环境中湿度大，一般采掘工作面空气相对湿度在90%以上。（2）环境差。矿井风流相对湿度大，风流中含有粉尘，粉尘易凝结，矿用空冷器易堵塞；（3）系统分散。矿井巷道一般有几千米到几十千米，井深达1000m以上，如果采用集中制冷，冷水系统路线长，系统压力大，冷量损失大；（4）井下集中制冷冷凝排热困难；（5）设备需防爆。目前，我国矿井空调系统主要有三种基本类型：（1）地面集中式空调系统。将制冷站设置在地面，冷凝热也在地面排放，而在井下设置高低压换热器将一次高压冷冻水转换成二次低压冷冻水，最后在用风地点用空冷器冷却风流。（2）井下集中式空调系统。井下集中式空调系统如按冷凝热排放地点不同分两种不同的布置形式：一是制冷站设置在井下，并利用井下回风流排热。这种布置形式具有系统比较简单，冷量调节方便，供冷管道短，无高压冷水系统等优点；二是制冷站设置在井下，但冷凝热在地面排放。这种布置形式虽可提高冷凝热的排放能力，但需在冷却水系统增设一个高低压换热器，系统比较复杂。（3）井上、下联合式空调系统。在地面、井下同时设置制冷站，冷凝热在地面集中排放。它实际上相当于两级制冷，井下制冷机的冷凝热是借助于地面制冷机冷水系统冷却。5 需要进一步研究问题总而言之，尽管工业通风空调与矿井通风空调在理论上及技术原理上有相同之处，但由于矿井地下环境的特殊性，二者也存在较大差异，应尽快结合地面工业通风空调的研究成果，研究矿井通风空调新理论、开发新技术，笔者分析认为，有以下问题需要进一步研究探讨：（1）智能通风设备的研发。目前矿井主通风机主要是采取停风调节风机叶片的方法进行调节，局部通风风量不能调节，需研发能根据矿井通风阻力、矿井瓦斯浓度等自动调节增减风量的通风设备，确保瓦斯不超限。（2）建立矿井空气品质、热舒适标准及其评价体系。目前，关于矿井空气品质及热环境还没有评价标准及方法，需进一步研究评价方法，制定评价标准及体系。（3）研发高效矿井除尘设备。研发新型高效，特别是能够有效降低呼吸性粉尘浓度的防治技术，呼吸性粉尘是最难从空气中分离捕集的微细粉尘，也是导致尘肺病的直接因素之一，降低作业场所呼吸性粉尘浓度是关键，因此，要重点研究能够有效降低呼吸性粉尘浓度的防控技术及设备，以有效控制尘肺发病率。（4）小型移动防爆空调机组研发。研发体积小，方便移动，冷凝排热方便，制冷量大的局部供冷设备，减少集中制冷长距离输送的冷量损失及输送设备耗能。（5）研发大风量除湿设备。空气相对湿度对采掘工作面热环境有较大影响，采用除湿方法，去除空气水分，降低送入掘进工作面空气的相对湿度，同样可改善热舒适环境，达到安全舒适的要求，开辟新的改善矿井热环境途径。（6）低浓度瓦斯及回风高温风流的热回收与利用。目前矿井瓦斯抽放的低浓度瓦斯和风井风流中的低瓦斯是直接排放到大气中的，不仅污染大气，而且造成能源浪费。需研究低浓度瓦斯减排方法及配套的能量回收装置。多数矿井排风井空气温度相对比较恒定，在夏季它比地面空气温度低，而冬季则比地面空气温度高。因此，矿井回风在夏季可作为空调系统的高温冷源，而冬季可作为空调系统的低温热源，实现夏季供冷、冬季供暖。为此，需要开发适合矿井排风特点的热回收技术及设备。参考文献1 李先庭, 蔡浩. 我国通风领域面临的挑战J. 暖通空调, 2008, 38(2): 31-362 赵以蕙主编. 矿井通风与空气调节M. 徐州: 中国矿业大学出版社, 19903 张国枢. 通风安全学