（安全技术及工程专业论文）深井系统可控循环通风的可行性研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 f e a s i b i l i t y r e s e a r c ho nc o n t r o l l e d c i r c u l a t ev e n t i l a t i o ni nd e e pm i n e s y s t e m a b s t r a c t a tf i r s tt h i s p a p e r i n t r o d u c e st h e u p d a t e d d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a i d e v e l o p m e n t s a b o u tc i r c u l a t e v e n t i l a t i o n ，a n dt h r o u g ha n a l y z i n g c i r c u l a t e v e n t i l a t i o nt h e o r i e s ，b a s e do nt h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c s o f h o n g t o um o u n t a i n ，b r i n gu p t h en e wi d e ao fc o n t r o l l e dc i r c u l a t ev e n t i l a t i o ni n d e e pm i n es y s t e m p u tg r e a t e m p h a s i so nt h ev e n t i l a t es y s t e mi no p e nc o n t r o l l e dc i r c u l a t i o nw a y , t h ed i f f e r e n t p r o j e c t so f p u r i f y i n g c i r c u l a t ea i rc u r r e n tb yt h ep u r i f y i n gs y s t e m o f e m p t y m i n e da r e a a n dw e tv i b r a t i o nf i b e r 嘶d b a s e do nt h et h e o r i e sa n a l y s i sa n ds p o te x p e r i m e n t ， s t u d y t h ef e a s i b i l i t yo f i t sv e n t i l a t es y s t e m m o u n dt h ef e a s i b i l i t yo f p r o j e c t so f c o n t r o l l e dc i r c u l a t ev e n t i l a t i o ni nd e e pm i n e s y s t e m ，t h i sp a p e r c a r r i e so u ts e v e r a lr e s e a r c h e s a tf i r s t , o nt h eg r o u n do ft r a d i t i o n a l t h e o r yo fc o n t r o l l e dc i r c u l a t ev e n t i l a t i o na n dt h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so fh o n g t o u m o u n t a i n ，p u t f o r w a r dt h en e wm o d e lo f c o n d u c t i n g t h e c o n t r o l l e dc i r c u l a t e v e n t i l a t i o nb yo l dl a n ea n de m p t ym i n e da r e a a n dm a d et h en u m e r i c am o l d c lo f t h i s v e n t i l a t es y s t e mi nt h e o r y f r o m i nt h ee n d ，t h ee q u a t i o nb e t w e e nc i r c u l a t ea i ra m o u n t s a n dl e n g t ho fo l dr o a d w a yi sg o t ，w h i c hp r o v i d e st h et b e o r i e a ib a s ef o rt h ed e s i g no f t h i ss y s t e m i nt h es e c o n d , d r a w i n gl e s s o n sf r o mt h ed o m e s t i ca n di n t c m a t i o n a i e x p e r i e n c e ，c o m b i n e dw i t l lt h ep r e s e n tv e n t i l a t es y s t e m , t h r o u g ht h es p o te x p e r i m e n t a n di n v e s t i g a t i o n ，m a d er e a s o n a b l e l a y o u to fc i r c u l a t ev e n t i l a t es y s t e mt ob e t t e r w o r k i n gc o n d i t i o n s t h el a y o u ti n c l u d e sv e n t i l a t el i n e s ，l o c d t i o n , c o n t r o l l i n gd e v i c e s a n da p p l i c a t i o no f s a f e t ym e a s u r e s t h et h i r d ，a p p l y o dt h es e c o n dp r o j e c t , n a m e l y p 嘶毋d u s tb yw e tt y p ef i b e rg r i d ，a t - 7 0 7l a y e ro fh o n g t o um o u n t a i nc o p p e rm i n e a n dm e a s u r e dt h ef u n c t i o no f f i b e r g r i d ，o b t a i n e d9 0 0 dr e s u l t a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so f t h ef a c t u a le x a m p l e o f h o n g t o um o u n t a i nc o p p e r m i n em e n t i o n e d a b o v e ，ac o n c l u t i o ni sm a d et h a tf o rt h ei t e m so f v e n t i l a t eu n d e rm i n e 东北大学硕士学位论文 摘要 p a r t i c u l a r l y u n d e r t h ed e e pm i n e ，t h et w ok i n d so f p r o j e e t so f s y s t e m sc i r c u l a t e m e n t i o n e di nt h ep a p e ro a re a s i l yr e a l i z ec i r c u l a t ev e n t i l a t i o n , s o l v et h ep r o b l e mo f d e f i c i e n tw i n d q u t i t i a t i o n t h e r e f o r et h i sk i n d o f m e t h o dc a nb e e a s i l ye x p a n d e d 。a n d h a v e g o o d e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ： s y s t e m a t i cc o n t r o l l e dc i r c u l a t ev e n t i l a t i o n o l dl a n eo r e m p t y m i n e da r e a w e tf i b e rg r i d m a i n f a n 查些查堂塑! 兰竺堡兰l 翌一 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的，论文取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或者 撰写过的研究成果，也不包括本文为获得其它学位而使用过的材料。 与我一起工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文做了明确的说 明并表示感谢。 本人签名： 日期： 纵) 影。，z 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 矿井通风是保障矿井安全的最主要技术手段之一。在矿井通风生产过程中。 必须源源不断地经地面把新鲜空气送到井下各个作业地点以供给人员呼吸，并稀 释和排出井下各种有毒、有害气体和粉尘，创造良好的矿内作业环境，保障井下 作业人员的身体健康和劳动安全。这种利用机器通风或自然通风为动力，使地面 新鲜空气进入井下，并在井巷中做定向和定量地流动最后将污风空气排出矿井的 全过程就称为矿井通风【i 】o 据统计资料表明，地下开采的矿山通风费用占总动力费用的1 3 以上。随着开 采深度的增大，井下的环境进一步恶化，用常规的方法通风不仅费用增加，而且 对环境的改善甚微。但是，随着资源的逐步短缺，深井开采将是未来的发展趋势， 随之而来的这一切都给我们提出了一个严峻的课题：那就是如何进一步提高和完 善通风技术，降低通风安全的成本，安全与经济协调发展，共同促进采矿事业的 进步。 随着矿井开采规模的加大，通风路线加长，通风困难程度随之增加，或者随 着产量的提高，采深的增加，导致原岩的温度增高，需风量随之增加。但不少矿 仅增加风量往往是困难的。何况，随着风量的增加，导致通风阻力加大，而且通 风成本提高，在经济上也是不合理的。特别是矿区边远区域工作面，供给足够风 量十分困难。解决这个问题的传统方法由于在技术或经济上的原因，可能并非最 佳。此外，无论是新建、扩建和正在生产的矿山，还是铁路公路建设中长隧道的 开挖工程都存在大量的独头工作面，长独头工作面的通风问题就是矿井及其他地 下工程的一大难题。为了解决这个问题就要探求新的通风技术，受控循环通风就 是在这种情况下提出来的。 受控循环通风方法在国内外以得到了较深的研究，并被较广泛的采用。在我 国，受控循环通风特别是在系统循环通风方法具有广泛的开发远景和应用前景， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 这是因为矿井不断向下延伸，高温热害矿井相继增加，严寒地区矿井空气预热问 题目趋严重，高原地区地下工程通风系统十分复杂。矿井能耗严重，注重经济效 益，必然要降低成本，提高劳动生产率必然要降低成本，必然要求作业环境的改 善。因此，积极的开展有关受控循环通风方面的研究，不仅可望取得重大经济效 益，而且将会更加丰富有关通风安全理论方面的内容。 1 2 研究现状及评述 1 2 1 研究现状综述 众所周之，同一风流通过同一地点的次数超过一次，就叫循环通风。而受控 循环通风就是人为的控制部分风流，使其多次流过同一用风地点，反复循环的被 使用，籍以增加工作地点的有效风量，从而改善工作地点的环境条件。循环方式 分为开路式和闭路式，闭路式循环通风不需要外界风源，只利用净化后的风流进 行通风。开路式循环通风的作业面有进风道和回风道，在循环过程中，有外界提 供部分新鲜风流与循环风流相结混合，供给作业面。由作业面排出的污风，一部 分循环使用，另一部分排至回风道。 过去人们一直认为，循环风流是污浊风流，它的存在会更进一步的污染井下 作业的环境，可能造成瓦斯或粉尘的聚集，以至一些国家以法规的形式规定，矿 井中严禁使用循环风流。但自从英国的l e a c h s 和s l a c k ，a ，首先在1 9 6 4 年提出了 “通风工作面污染物的浓度与工作面污染物的产生强度和进入工作面的新鲜风 量有关，而与循环风量的大小无关”这一受控理论通风基本理论以后，人们对循 环风流才有了一个较本质的认识，接着，许多学者也基于此基础上开展了此方面 的大量研究。 1 2 1 1 国外的循环通风的发展现状 ( 1 ) 英国煤矿掘进巷道及采区循环通风的应用 2 1 1 9 7 1 年英国在锡汉矿超前回采作业面的入、回风巷进行了循环通风技术的 首次实验( 图1 - 1 ) 。该系统属于开路式循环通风系统。新鲜风量为q 。，超前作业 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 面的循环风量为q h ，采煤作业面的风量为o 。在超前入、回风巷安设过滤除尘 风机和风筒。循环风量q h 为新鲜风量的一半，即q h = i 2 q 。试验取得成功，为 这项技术的丌展打下了基础，并在理论上的到了认同。1 9 7 4 年英国皇家矿山监 察局又批准了五个煤矿做循环通风实验。实验结果表明无论是入风侧还是回风侧 超前巷道中测出的粉尘都比以前显著降低。在赛顿矿，超前作业面入风巷中粉尘 浓度由原来的8 m g m 3 , 下降到2 m g m 3o 林毕矿超前作业面的回风巷中粉尘的浓度 由原来的6 5 m g m 3 下降到3 m g m 3 。没有出现沼气聚集的现象。w e a r m o u t h 煤矿， 应用受控循环通风，解决了远距离采区的通风问题，在保证采区需风量1 0 0r r t 3 s 不变的情况下，使用3 0 m 3 s 的循环风，由此可以节省电力9 6 5 k w ，每年节省电 费3 0 万英镑。英国还研究表明，当煤岩层原始温度在3 0 以内时，采用受控循 环通风就能改善采区内的气候条件：而当煤岩层原始温度超过4 0 c 时在循环横 超前入风巷超前回风巷 图1 1 英国循环通风布置图 ) h 0 t f h 巷中布嚣一个功率适当的内喷水冷却器，并采取循环通风，就可大大改善采区气 候条件，同时对降尘、降温方面也有很大效果。 ( z ) 南非金矿深井通风与降温中循环通风的应用网 南非1 9 8 2 年在劳瑞因金矿进行了受控循环通风方法的大规模现场实验如图 2 - 2 。试验主要对受控循环对金矿的通风和降温，受控循环通风的系统安全性以 东北大学硕士学位论文第一章绪论 及受控循环通风的理论模型的正确性加以验证。现场试验获得很大成功。在一年 的时间旱，循环风系统安全可靠。采区生产能力由原来的月6 0 0 0 吨提高到月 1 5 0 0 0 吨。工人普遍认为，循环风和制冷所产生的降温和提高风速的效果好，没 西北入风巷回风巷 ! 矿 jf 6 0 水平 南 冈巷 。+ h 卜_ _ 一_ 1 i 一 f 1 3 嘿 如采 垛 。黼 i li f f ! 一一一。，_ 、l e 77 k 耳e 图12 努瑞因金矿循环通风试验前通风概况 j 、。 5 7 水平 图1 3 循环试验方案 出现不良影响。试验表明： 采区降温显著降低，这是因为循环风系统使原有的制冷能力得到充分发挥 作用； 循环风本身不会引起污染浓度有任何普遍提高，也不会导致污染物的逐渐 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 聚集： 循环风不会延长爆破后工人进入采区的时问，爆破污染物的消散速度主要 取决于入风量大小。 同时，南非还开发了受控循环系统的的计算机专家系统，该专家系统可提供 受控循环的设计方案，其中包括所需的新鲜风量、循环风量、循环风道位置、循 环风机设置地点，以及空气冷却器的功率和位置等。 ( 3 ) 加拿大留顿矿( r u t t a n ) 循环通风在空气预热中的应用【4 】 加拿大留顿矿位于北部冬季气温位于3 0 c 4 0 。c 的寒冷地区。由于气候寒 冷，由地面进入矿井的新鲜风流要求预热。该矿进风量3 3 0m 3 s ，采用丙烷燃烧 器加热，每年的加热费用超过1 0 0 万美元。考虑到矿井已延伸到地表以下8 0 0 m 处，可利用循环通风的方案，经过对井下空气污染物全面调查，除爆破期间外， 让1 0 的循环风流在与新鲜的风流混合，完全可以保证矿井空气质量符合卫生标 准。试验表明，采用受控循环通风后重复利用其回风流中的热量，从而使空气预 热费用大大降低。而且还能使回风巷中的c o 、c 0 2 和粉尘浓度各下降5 0 左右。 ( 4 ) 循环通风与传统通风的经济比较 更进一步的是，澳大利亚昆士兰大学对该校的实习矿井采用传统的通风方法 和循环的通风方法作了经济分析。分析的条件是：主扇的风阻为2 2 1 n s 2 m 8 ， 扇风机的效率为7 0 ，电费o 1 1 $ 瓜w - h 。用于循环通风的购置费3 7 0 0 5 ，用于监 测与控制的费用7 4 0 0 5 。服务年限1 0 年，年利润1 3 。从供风量3 m 3 s 算起。 由于初始投资较高，在供风量小时，总费用高于传统通风方案。随供风量的增加， 循环通风费用增加慢，而传统的通风费用上升快，当风量5 m 3 s 时，达到两方案 盈亏点。可见，在通风困难地带，需风量大时采用循环通风更有利。 1 2 i 2 国内的循环通风的技术应用 在国内于1 9 7 9 年开始有文章介绍这方面的问题，并且得到了许多学者们的 关注，但由于传统的保守思想的束缚，该方法并未引起足够的重视。直到7 0 年 代初，我国锡矿山矿务局在掘进工作面试用了受控循环通风后使工作面通风状况 得到了改善，进一步促进了大家的浓厚兴趣。最为显著的例子是近年义马矿务局 东北大学硕士学位论文第一章绪论 甘豪煤矿运用受控循环解决了1 3 1 8 1 采煤工作面的供风不足问题，获得工作面瓦 斯少、温度低、煤尘浓度降低2 0 左右的良好效果，同时少掘进4 0 0 m ，扣除所用 电费、人工费外，为国家节约资金近2 0 万元。 ( i ) 青城子选矿厂f 部地下运输系统采用受控循环通风 5 1 青城子选矿厂位于寒冷的东北地区，气温低。选厂f 部运输系统，由于排尘 需要风机，从平峒吸入冷空气，并排走热量。给生产和防尘带来许多不利的因素。 采用受控循环通风和除尘净化技术，在除尘巷道中采用三级除尘系统，级为静 电除尘，二级为旋流处尘，末级为d v 滤料过滤除尘。确定循环风量为4 8 8f f l 3 s ， 峒外仍有少量冷风进入，但并没有引起危害。解决了冬季防寒与防尘的矛盾。 ( 2 ) 云锡独头巷道掘进循环通风【6 】 云锡独头巷道掘进的布置采用压抽混合通风方式。放炮时，开动抽出式风机， 将炮烟排除。同时开动压入式风机，在压入式风机后装有r d c 一1 型多级复合除 尘除氡子体净化器，排除和净化氡子体和粉尘，很有效。可在l o 分钟内把作业 面含氡子体浓度很高的空气净化成符合卫生标准的空气。 ( 3 ) 桃冲铁矿采场进路循环通风m 桃冲铁矿7 0 年代引进无底柱分段崩落法，作业面多为独头巷道，很难形成 贯串风流。而且放矿溜井多，各分层相通，形成复杂的通风网络。风流交叉污染， 难以获得有效的通风防尘效果。针对这种情况，在进路中安装高效除尘器和扇风 机，将清洗工作面后的污风经除尘器净化后再循环使用。采用这种通风方法，可 降低作业面的粉尘浓度。并可节省风量，减少能耗。目前，国内还有些煤矿也正 在对受控循环通风进行试验研究。 ( 4 ) 9 2 透山主溜井循环通风除尘净化系统 1 0 红透山铜矿开采深度超过千米，溜井卸矿时，由于矿石下落冲击作用，在下 部溜井口产生强大的冲击气流，大量粉尘溢处。浓度高达4 8m g m 3 ，并向巷道中 扩散，对溜井作业区及全矿造成危害。1 9 9 8 年，根据当时国内外除尘技术的发 展状况，开发了平行卸压溜井与湿式振动纤维栅除尘器的循环通风相结合的除尘 净化系统。该系统的除尘效率，高达9 9 5 。净化后的气流含尘浓度在o 5m g m 3 ， 可作为新鲜风流循环使用。作业区的粉尘浓度在1 0m g m 3 以下，并可再生1 0 m 3 s 的洁净新风供循环利用。这项技术在1 9 9 9 年通过鉴定。2 0 0 0 年获得国家经贸委 东北大学硕士学位论丈第一章绪论 科技进步二等奖。 接着，许多科研单位也纷纷加入了陔种通风方法的理论研究中。其中，东北 大学的研究认为，在采用短压长抽混合式通风的巷道掘进中，利用掺有新鲜风的 受控循环通风系统，能较好的解决排除炮烟、排尘和改善工作面气候条件的问题。 淮南矿业学院的研究认为，采用压入式通风的掘进巷道中，在有循环风的情况下， 只要适当控制循环系数( 循环风量与局部通风机风量的比值) 在一定范围内，巷 道风流中的瓦斯浓度的升高是有一定限度的，并不会超限。在采取长压短抽的混 合式通风巷道掘进中，存在循环通风时，仅使工作面与抽出式风机出口断面间的 风流中的瓦斯浓度增高，但升高浓度是有限的。巷道中其余断面一l 的瓦斯浓度与 循环风无关，只取决于压入式风机的风量大小。当压入式风机风量足以使抽出式 风机出口断面处的瓦斯浓度不超限，则通过抽出式风机的风流中的瓦斯浓度就不 会超限。此外，循环风可使巷道中的风量增大，风速提高，对防止顶板瓦斯聚集 反而有利。 最近，山西矿业学院的樊广明等从另一个较新颖的角度对该方法予以研究。 他在研究中提出了敏感度矩阵和当量风阻的概念，采用合理调节风量与应用可控 循环风相结合的指导思想，最后给出了选择调节分支和应用可控循环分支的依据 及循环系数计算方法，并编制了相应的电算程序。但由于研究中完全忽略了通风 总能耗问题，因此该项研究大有必要完善。 此外，人们还根据循环区范围的大小，对受控循环通风系统进行了分类，将 其分为局部性、区域性、和全矿性的受控循环通风系统。目前局部性受控循环通 风系统大多集中于掘进工作面或独头巷道的研究应用中，并得到了明显的效果。 总之，当前众多学者通过理论分析和生产实践都已证明，在利用受控循环通 风的过程中，只要措施得当，不会造成瓦斯聚集和粉尘浓度的明显增加，威胁安 全生产。相反地，会减少和消除瓦斯的聚集，控制粉尘浓度和改善工作区的气候 条件，并使通风费用降低。因此，近年来，人们对此种通风方法的兴趣大增，随 着研究的深入，讵越来越多推动着该项通风技术的深入发展。 1 2 2 现状评述 东北走学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 许多学者在研究循环通风时，目前研究的受控循环通风系统大多集中 于独头巷道的研究应用中。对整个矿i | l 系统包括通风线路、循环1 x l 机的选型及设 置地点、监控系统及控制装置和应用安全措施等研究较少。 ( 2 ) 人们在研究循环通风时，大多忽略了风流的紊流弥散、扩散等重要的 影响，而仅仅从循环风的整体宏观方面予以研究，因此得出的最总结果将很难完 整地反映循环l x l 的流动本质。 ( 3 ) 目前大量研究常常作出“污染物均匀分布在巷道中”的假设来模拟试 验或计算机模拟等对循环通风的研究。本人认为此种假设对于相当长的巷道或体 积较大的空间，还是可以接受的，但是若对于独头工作面特别是污染物产生较短 时间内，是不可能均匀分布的，于是实现相差较大。因此，这种模拟试验往往会 出现一些错误或者不能完全反映实质结论，从而也就大大影响了理论指导实践的 作用。 本章小结 1 介绍了受控循环通风的方法的重大意义及其利用前景。 2 循环通风方法的研究现状予以了概括性的综述。 3 提出了关于受控循环通风方法目前研究中存在的问题。 4 提出了一种新型受控循环通风方法：系统可控循环通风方法。 东北走学硕士学位论文 第二章循环通风理论 第二章循环通风理论研究 2 1 闭路循环通风过程的分析【 独头巷道或峒室。在不供给外界新风的情况下，单靠空气净化器本身的净化 作用进行通风除尘，其通风除尘与净化器的效率密切相关。图2 1 是闭路循环通 风示意图。净化器出口的新鲜风流清洗作业面后，将含尘的污浊风流送入到净 ，风流路线i l 一。1 一一一1 i 一 一| 净化器，一送风风筒 + i = ? 、一o _ = ：= 1上， l 、r 二一 一 f l = ：一 二：二j 。 i 图2 1 闭路循环通风示意图 化器入口，经过净化后，再送到作业面重复使用。如此多次循环，使作业面的粉 尘降低到卫生的标准。设单位时间内作业面生成的粉尘量为gm g s ，在d t 时间 内作业面生成的粉尘量为g d t 。在同一时间内，循环风流带进作业面的粉尘量为 q c b d t ，其中q 是循环风量( m 3 s ) ：c b 是净化器出口的粉尘浓度( m g m 3 ) 。在 d t 时间内循环风流从作业面带走的粉尘量为q c d t ，其中c 是作业面粉尘浓度 ( m g m 3 ) 。该时间内，作业面空间粉尘量的变化为v d c ，其中v 是作业面空间 的体积( m 3 ) ；d c 是作业面的粉尘浓度的变化量( m g m 3 ) 。 根据质量守恒原则，作业面产生的粉尘量加上循环风流带进作业面的粉尘量 与风流作业面带走的粉尘量之差，应等于该空间在d t 时间粉尘的变化量。即： 查! ! 垄兰壁主兰堡垒查 苎三兰堡堑璺垦兰垒 g d t 。o c b d t q c d t = v d c ( 2 1 ) 在循环通风情况下，净化器出口的粉尘浓度k c 之间存在如下关系： c b = ( 1 一町) c ( 2 2 ) 式中叩一净化器的效率。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，并加以整理后，即可得到闭路循环除尘过程的微分方 程式如下： g d t r l q c d t = v d c ( 2 3 ) 也可以写成； 一d c ：里一堡 ( 2 4 ) d tvv 按污染物产生的特点和不同的通风方式，对通风过程中的风量和污染物浓度分别 加以论述： ( 1 ) 连续产尘过程，闭路循环通风系统中有除尘器 在凿岩、连续放矿或耙矿过程中，产生的粉尘是连续的，通风过程也是连续 的。因此，其粉尘浓度是相对稳定的，可以看成粉尘浓度c 不随时间变化，即 d c 一：0 ，由式( 2 4 ) 式可得： d t c ：旦 ( 2 5 ) q 叩 在正常的贯通风流通风时，粉尘浓度c7 与风量的关系为： c ，：里 ( 2 6 ) g 将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) 得： c ：m c ( 2 7 ) 町 此式表明，在闭路循环通风条件下，如果风量与贯通风流通风时相同，产尘 强度也相同，其粉尘浓度达到一个稳定的平衡浓度，这个浓度是贯通风流通风时 的倍如果需保持与正常通风时同样浓度，则循环风量应为正常的通风量的 倍。 东北大学硕士学位论文第二章循环通风理论 ( 2 ) 连续严尘过程，刚路循蚪系统甲尢陈尘器 在没有除尘器的闭路循环中，相当于式( 2 4 ) 式中的除尘效率刀= o ，此时， 式( 2 r 4 ) 可简化成如下形式： 堕：一g ( 28 ) d tv 。 积分上式可得，c = c t 矿+ 4 ，始终a 是积分常数，当t = o 时，c = c 。，其中c o ；* j 初始浓度，代入式中可求得a = c 0 ，则得到： c = c 。+ 可g t ( 2 9 ) 此式说明，在闭路循环系统中，若空气净化效率为零，必然出现作业面粉尘 浓度积聚现象，其浓度随时间的延长直线上升，而与循环风量无关。 ( 3 ) 瞬间不连续产尘过程，系统中有除尘器 爆破后以及集中放矿过程中，瞬间产生大量粉尘的情况下，粉尘的产生是不 连续的，此时，g = 0 ，式( 2 4 ) 可简化成如下此形式： dc：一,t：q-c(210) d t矿 。 当t = 0 时，c = c 0 ，t = t ，c = c ，积分上式可得： c = c o e x p ( 芋) ( 2 并可求得： q = 导- n c c o 眨 在有贯穿风流通风的情况下，风量的表达式为： 9 ，：_ z l n c o( 2 1 3 ) 。tc 、。 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 一1 4 ) 可得： 9 ：垡( 2 1 4 ) 此时表明，闭路循环通风时，欲使其达到与贯穿风流通风同样的效果，其供 风量应为贯通风流量的l 叩倍。粉尘的浓度随时间成指数衰减，由c 。降到安全 东北大学硕士学位论文 第二章循环通风理论 浓度c 。 如果在系统中无空气净化装置或指数为零，由式( 21 1 ) 式可得： c = c o ( 2 1 5 ) 此式表明，作业面的粉伞浓度将保持初始浓度不变，而与循环风量大小和通 风时间无关。 2 2 掺有外界新鲜风的开路循环通风除尘过程的分析 图2 2 表示，外界供给新鲜风流，同时在独头巷道或峒室作业面内用空 l，一一一、 ij、 jr j 、 l 风流路线一、 i 1 、h l j 、 。 【、净化器j 一一一j - 、一- - 一 一7 图2 。2 掺有外界新鲜风的开路循环通风示意图 气净化装置对含尘气流进行净化的通风除尘系统。设单位时间作业面的粉尘量为 g ，在d t 时间作业面产生的粉尘量为g d t 。外部供给的新鲜风为q 。，粉尘的浓度 为c 。，在d t 时间内外赛新鲜风带进作业面的粉尘量为q 。c 。d t 。循环风量为q b 循环风流在净化器出口处的粉尘浓度为c b ，循环风流带进作业面的粉尘量为 q b c b d t ，在d t 时间内有作业面带走的粉尘量为q c d t ，其中q 是混合风量， q = q b + q c ；c 是作业面的粉尘浓度，k 是风流掺混系数。由于外界新风和循环风 流的稀释作用，使作业面的空间v 内的粉尘浓度发生d c 变化，因此，作业面空 东北大学硕士学位论文 第二章循环通风理论 间粉尘量的变化为v d c 。 根据质量守恒，在d t 时问内，作业面产生的粉尘量，与外界新鲜风带进作 业面的粉尘量及循环风流送入作业面的粉尘量，减去混合风流出作业面带走的粉 尘量，应等于作业面内粉尘的变化量。即存在下列方程： g c l t = q ( c ( ，c l t + 鲸c b d t q c d t = v d c ( 2 1 6 ) 循环风量q b 与总的混合风量q 之比成为循环风量系数“= 警，由此可得： q h = 坦，q ( = ( 1 一s ) q 。在考虑到除尘器的净化效率为7 ，则其出口与入口的 粉尘浓度存在如下关系：q = ( 1 一r ) q 。将这些关系代入式( 2 1 6 ) 式加以整理 后的： g d t + q ( 1 一占) c ( 卉一 1 一f ( 1 一r 1 ) l q c d t = v d c ( 2 1 7 ) 或写成： d c ：= g + ( 1 - s ) q c c 1 - e ( 1 - r 1 ) l q c d tvvv 上两式即为掺有新鲜风的开路循环通风除尘系统的微分方程。 ( 2 1 8 ) ( 1 ) 连续产尘，系统中有除尘器 在连续产尘、连续通风的情况下，通风过程是稳定的，作业面粉尘浓度c 不随时间变化，即骂：0 ，由式( 2 1 8 ) 式得： 【1 一f ( 1 一玎i 匕) c = g + ( 1 一占) 0 c c( 2 1 9 ) 将上式写成作业面粉尘浓度的表达式为： c = 正矿g 丽+ 丽1 - - , g ) c c ( 2 2 。) 当外界掺入的新鲜风流的含尘量浓度为零时，即c c = 0 ，上式可简化成： c 2 叵；而g 陋 ( 2 - 2 1 ) 在贯穿风流通风的情况下，无循环通风时，相当于s = 0 ，此时，作业面的 粉尘浓度以c 表示，则 东北大学硕士学位论文第二章循环通风理论 c ，：旦 q 将这一关系代入式( 2 2 1 ) 式可得 c 一南c ( 2 + 2 2 ) ( 22 3 ) 此时表明，在开路循环通风情况下，如果混合风量与无循环风流的贯穿风流 通风时的风量相等，它的作业面粉尘浓度c 将是无循环贯穿风流通风时的 l ，立 f 虱两旧。 同理，在开路循环通风情况下，如果要求作业面粉尘浓度c 达到无循环贯 穿风流通风时浓度c 的水平，其混合风量q 应符合下式： q = 五南q o ( 2 2 4 ) 式中q o 为无循环通风时的风量m 3 s 。式( 2 2 4 ) 式表明- ，混合风量q 是q o 的 二爿 二丽倍。由此，可以写出循环风量q b 、掺入的新鲜风量q c 与q o 的关系 式： q 2 南q o 皱= 高与魏 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 在不同的循环风量系数s 和不同的空气净化器效率玎的条件下，式( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 和式2 2 6 ，可计算出风量比，哆磊，雩磊其数值见表2 1 。由表2 1 可皑q鬯nq n 见，当空气净化器效率较高时，适当提高循坏风量，可相应的节省外界新鲜风量， 而达到一定的通风效果 1 4 】。例如， 东北大学硕士学位凳文第二章循环通风理论 表2 1 风量比，譬么计算表 除尘效率循环系数5 风鼍比 打 0 20 406o 8 l0 06i 0 9 1 1 91 3 21 4 71 6 7 0 71 0 61 ，i 4 j 1 2 21 3 2j 4 3 o81 0 4 1 0 91 1 41 1 91 2 5 0 ，91 0 21 0 4 1 0 6i 0 91 1 1 疆6o ，2 2 0 ，4 so 7 92 1 8j 6 7 07o 2 1 0 ，4 60 7 31 0 6l ，4 3 0 ，80 2 1 0 4 40 6 8o 9 s1 2 5 0 9o ，2 0 0 ，4 20 6 4o 8 2i o 6o 8 70 7 l 0 5 3o 2 90 o 7o 9 5 0 6 80 4 9o 2 6o o so ，8 40 ，6 5 0 4 60 2 40 0 9o 8 2 0 6 20 4 2o 2 20 当外界循环风量q c 只有o 4 q o 时，净化器效率7 = o 9 情况t ，循环风量q b 只需o 6 7 q o ，即可达到预期的通风效果。 ( 2 ) 连续产尘，系统中无空气净化器 在开路循环系统中无空气净化，相当于在式( 2 ，2 0 ) 中玎= 0 ，由此可德， 回风风流中污染物浓度表达式为： c c c + 南 己知c = c c + 吕，代入上式，得： c ：c ， 旦 。绞 ( 2 2 7 ) 此式表明，开路循环通风时，作业面污染物的浓度与作业面污染物的产生浓 度g 和进入作业面的新鲜风量q c 有关，而与循环风量大小无关。在开路循环通 1 s 东北大学硕士学位论文第二章循环通风理论 风情况下，无空气净化器也不会出现污染物浓度无限增高的严重后果。作业面风 流中污染物的浓度，只相当于外界掺入的新鲜风流作无循环贯穿风流时同样的结 果。这一重要结论，f 是有沼气的煤矿和放射性矿山也可使用循环通风方法的理 论依据。 在开路循上不通风系统，无空气净化器时，作业面混合入风的污染物浓度c 。 可由下式表示： c 。：墅掣 ( 2 2 8 )、 d 循环通风时q = 坦，q c = ( 1 一s 妇，在考虑到式( 2 2 7 ) ，可求得： 争c 一雾 ( 2 2 9 ) 此式表明，混合入风的污染物浓度随风量的增加而增加。循环系数占变化于 0 到1 之i b q 。当占= o 时，无循环风，c 。= c c ，相当于新鲜风流的较低浓度；当 占= 1 时，相当于闭路循环，其污染物浓度将接近但不超过作业面回风的污染物 浓度c 。 ( 3 ) 瞬时产尘，系统中有空气净化器 爆破作业和集中放矿作业时，污染物瞬时产尘，达到最大浓度，然后随时间 延长逐步衰减。在此情况下，式( 2 1 8 ) 中g = 0 ，存在下列方程： 堡：下( 1 - r ) q c c 一鲢螋 2 2 3 0 ) d t矿矿 通风初期t = 0 时，污染物的原始浓度为c ，在此边界条件下对上式进行积分可得： c = 龋+ c o - 龋h 小印训针 眨s ， 将上式写成风量q 得表达式： ，【1 一s k q = 商南- n 理 眨s z ， 1 一s ( 1 一刁) 东北大学硕士学位论文第二章循环通风理论 在无循环贯穿风流通风的情况下，相当于上式e = o ，这时的i x l 量以q o 表示，则 姨= 孚t n 等 ( 2 3 3 ) 此式为熟知的爆破通j x l 佝计算式。对比式( 2 3 2 ) 和式( 2 3 3 ) 两式可知， 欲取得与无循环贯穿风流通风量q o 同样的通风效果，在丌路循环通j x t n q ，其供 风量应增大r 石古习倍。 ( 4 ) 瞬时产尘污染物，系统中无净化器 在此情况下，式( 2 3 0 ) 中的玎= 0 ，方程可以简化为： dc一(1-e)qcc(1-e)qc ( 2 - 3 4 ) d tvv 、。 由于( 1 一s 妇= 醵，则上式可写成 矿d 出c = ( c c c 耽 上式中没有出现循环风量和循环系数 以同样的边界条件积分上式可得： ( 2 1 3 5 ) 表明这通风过程与循环风量无关。 拈c ( ，+ ( c c _ c c ) 唧 _ 钭 ( 2 ，s ) 将上式写成风量表达式： 9 ( = 孚h 鲁 s ， 此式表明，开路循环系统中无空气净化装置，混合风量q 的通风效果与外 掺入风风量q c 作无循环贯穿风流的效果是一致的。循环风量对作业面污染物浓 摩和排h 谏摩沿右不莆f 影响。 本章小节 总结上述对通风过程的分析，可得如下结论： ( 1 ) 在闭路循环循环通风过程中，若无空气净化器，则必然出现作业面污染 东北大学硕士学位论文第二章循环通风理论 物浓度聚集现象。连续产生行染物过程时，其浓度随时l 剐和污染物产生强度直线 j _ ：j - i - ，而与循环风量无关。瞬时产生污染物时，作业面污染物浓度将保持初始的 最高浓度不便，而与循环风量和通风时间无关。这种情况不利于安全生产。 ( 2 ) 在开路循环通风系统中，若无空气净化器，无论对于污染物连续产生或 瞬间产生，都不会出现污染物浓度无限增高的严重后果。作业面回风流中的污染 物的浓度，只相当于外界掺入量的新风流作无循环贯穿风流通风时同样的结果。 这重要结论，正是有沼气涌出的煤矿和放射性矿山也可使用循坏通风方法的理 论依据。 ( 3 ) 在闭路循环通风系统中，如有空气净化器，效率r ，在污染物连续产生 时，污染物的浓度将达到一个稳定的平衡值，此浓度是无循环贯穿风流通风时平 衡浓度。且是无循环贯穿风流的倍。如果需要保持与无循环贯穿风流通风时 同样的效果，则循环风量应为无循环风量的倍。在污染物瞬间产生时，污染 物浓度随时间指数衰减。如果需要保持与无循环贯穿风流通风时同样的效果，其 风量也应增大倍。 ( 4 ) 在开路循环系统中，如有空气净化器，净化效率为叶，在污染物连续产 生时，污染物的浓度也将达到一个稳定的平衡浓度。此浓度是无循环通风时的 y - - s ( 1 7 7 ) 倍。如果需要与无循环贯穿风流是同样的通风效果，则循环风量应 为无循环贯穿风流的彳一s ( 1 一叩) 倍。在污染物瞬间产生时，污染物浓度随时间 按指数衰减。如果需要保持与无循环贯穿风流通过同样的效果，其风量也应增大 彳一( 1 一节) 倍。 1 8 东北大学硕士学位论文第三章可控循环通风的方案选择与应用 第三章可控循环通风的方案选择与应用 3 1 红透山铜矿系统简介1 1 0 1 红透山铜矿采用竖井丌拓，丌采深度已达1 1 0 0 多米。因矿体水平面积较小， 产量较大，多中段同时作业达1 0 个，通风路线长，网路阻力大。目前，矿井实际 生产能力6 0 万t ，a 。通风系统属东西两翼对角式通风如图( 3 1 ) 。西部回风系统 地表+ 3 3 0 米安装7 0 8 2 - n 2 l 一2 4 型轴流式西主扇和4 6 7 中段d k 4 5 6 n 0 1 9 型轴流式 接力主扇串联运转。东部回风系统地表+ 4 5 0 米安装7 0 8 2 n 0 2 4 型轴流式东主扇 以及- 2 8 7 中段两台d k 4 0 n 0 1 9 型两端对旋轴流式接力风机联合运转。总风量达 1 2 0 m 3 m i n 风量，随着丌采深度的增加总风阻逐年增加且总回风量逐年减少。 剀3 1 红透山铜矿通风系统图 1 9 东北大学硕士学位论文第三幸可控循环通风的方案选择与应用 3 2 可控循环通风的论证 3 2 1 可控循环通风方案比较 经调查研究，红透山铜矿大系统循环通风试验可选在东区，这个系统原有基 础较好，具备试验条件。在系统上有以下四种可行方案： 方案一、利用浅部空区自净可控循环通风 1 ) 、原有的通风设施，通风路线不变，将2 8 7 以上的某个中段疏通，且与入 风侧主风流相通，使2 8 7 接力主扇的部分排风经疏通巷道净化后，在与主风流的 风流汇合，并设置风门加以控制其j x l 量大小。 2 ) 、主要工程及设施 ( 1 ) 疏通回风中段： ( 2 ) 安设控制风门； 3 ) 、主要技术参数 ( 1 ) 一2 8 7 接力风机主要工况和 _ - 。特性； ( 2 ) 东通风区系统阻力； ( 3 ) 循环风量、含尘浓度、有毒有害气体既净化后的效果。 4 ) 、技术经济分析 该方案可提高井下所需风量，其大小与循环风量所处的标高有关。距2 8 7 之距离愈近时，则循环风量愈大。循环风的净化效果与净化方式、净化装置类型 等因素有关。 此方案工程量小，投资少，成本低。但在管理上不太方便。 方