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摘要
掘进作业中产生的粉尘若不能及时地稀释并排出,容易形成积聚现象,对作业人员的身体健康造成极大的危害。研发了一种适合于金属矿山矿用局部通风机风量补给及测定组合装置,并在山东省某金矿-300 m 水平探矿穿脉独头作业面进行了试验。结果表明:引入该装置后,随着掘进作业推进,在不变更原局部通风机台数和型号的情况下,通过对风筒内的风压和风量进行可控式补偿,作业面排尘风速始终维持在0.36 m/s 左右,满足《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2020)的相关通风设计要求。该装置实现了局部通风机风量补给和测定一体化,较好地解决了因掘进距离变长、通风阻力增大造成经柔性风筒送达工作面风量减小以及风量测定安全性低、精准度差的问题,对于改善井下作业环境、保障金属矿山独头掘进安全生产具有重要意义。
作者及单位
周伟1,2， 李刚1,2， 贾敏涛1,2， 吴冷峻1,2， 纪旭波3， 林喜村3， 谢辉1,2， 余茂杰4
引用格式
正文
矿井的独头掘进通风方法主要有压入式、抽出式、压抽混合式局部通风方法。局部通风是通过机械动力促使新鲜风流从局部通风机入口流入,在局部通风机作用下沿风筒到达掘进工作面,稀释、冲淡并排出各种有害气体和粉尘的过程,从而保证井下施工作业中的通风安全。当巷道掘进距离增长、风阻变大时,就会造成风筒出口风量减小,送达工作面的风量小于设计值或安全值,易引起中毒窒息事故。矿用局部通风机风量补给和测定方法主要有变频调速、增加(变更)风机及增加压风补偿装置提高送风量,而后采用机械风表、传感器或压差法对风量进行测定。近年来,矿用局部通风机风量补给及测定技术得到了不断改进。霍曼等。通过搭建测试支架安装多个风速传感器,提出了一种大断面拱形巷道风量测量及补偿方法,有助于提高风量测量的准确性;但局部通风机及所接风筒内部空间较小,通过安设多个传感器测量风量难度较大。王元琪等提出了一种空压机风量补偿装置和系统,解决了空压机在高海拔地区出口压力偏低的问题。但变频器一般对负载较大的设备比较适用,对低功率矿用局部通风机的风量调节作用有限。陈严怀等提出了一种局部通风机风量补偿装置,通过在铁风筒外壁沿走向对称增加“L”形进风管的方式,提高了管道风量。该装置需在铁风筒四周打孔,实施难度较大,且打孔处若密封不严会造成风流逸出;此外,该装置无法对风机的风量大小进行判别。
根据上述分析,本研究基于金属矿山局部通风的基本原理,并结合独头掘进巷道不断延伸的特殊性,研发了一套矿用局部通风机风量补给及测定装置。该装置通过增加压风装置加大风筒壁周边风流流速,设置简单可靠的皮托管测压组件,对风筒内动压进行实测,再计算出局部通风机实际风量,克服了人工测量风量时安全性低、误差大的难题。在不变更或增加局部通风机的情况下,有效解决了通风距离增长、风阻增大使得到达工作面的风量减小等问题,确保到达工作面的风量满足安全要求。
矿用局部通风机风量补给及测定装置由矿用局部通风机与导风组件、风量补给组件和测风组件构成,其结构如图1 所示。
矿用局部通风机与导风组件包括位于同一位置并与所处巷道内风流方向平行的矿用局部通风机、硬质风筒、柔性风筒,采用压入式局部通风方式,新鲜风流经局部通风机和所连接的风筒压送到工作面,污浊空气沿掘进工作面所处巷道排出。矿用局部通风机、硬质风筒、柔性风筒安装于有新鲜风流的巷道上风处,从巷道中吸取的风量不超过该巷道总风量的70%,避免因贯穿风流巷道中的新鲜风流风量低于矿用局部通风机实际输出风量而形成循环风,影响送至工作面的风流风质。硬质风筒长度为600 mm,筒径与局部通风机风流出口直径配套,包括筒体、卡口封条、连接抱箍。筒体为双层钢板与无卤阻燃树脂材料复合结构,双层钢板分别为筒体的内筒壁与外筒壁。硬质风筒与局部通风机的连接处,通过连接抱箍进行固定连接,使用时将抱箍上设置的两座卡口封条用扣条扣紧,硬质风筒中间段筒体上方预留ϕ15 mm 测压孔(图2)。柔性风筒筒径与硬质风筒筒径配套,仍采用扣条连接,避免漏风。柔性风筒出风口与工作面的距离为5 m。
图2 硬质风筒连接端截面
1—环形高压风管;2—弧形出风管;3—进风管;4—硬质风筒筒体;5—卡口封条;6—连接抱箍;7—扣条
风量补给组件包括与局部风机所处同一巷道附近放置的进风管、进气阀、环形高压风管、弧形出风管,进风管设置进气阀,其进风端与外置空压机出风管连接,出风端与硬质风筒内部镶嵌的环形高压风管连接。空压机提供的风量经进风管进入环形高压风管后,从固定在环形高压风管内侧对称布置的4 个弧形出风管压入硬质风筒,弧形出风管出风口与风筒内风流方向一致。4 个弧形出风管按90°均匀且交叉固定在环形高压风管内侧,出风管垂直高度为100 mm。
测风组件由带刻度的皮托管和“U”形管差压计构成,皮托管由双层套管组成一个探头来获取气流的全压和静压。其中朝着气流方向的取压管取出全压,垂直于气流方向的一排开孔取出静压,内管和外管的空间即为皮托管取压的通道。采用导压软管分别将皮托管的全压检测孔和静压检测孔链接到“U”形管差压计的高压端口和低压端口。将皮托管探头插入硬质风筒内,局部通风机产生的风流压力经皮托管探头进入皮托管,形成“U”形管差压计管内两侧的水柱高度差,据此换算出风筒中心的动压值,结合伯努利方程,计算出风筒内气流速度,从而间接获得局部通风机的实际输出风量。
测风组件由带刻度的皮托管和“U”形管差压计构成,皮托管由双层套管组成一个探头来获取气流的全压和静压。其中朝着气流方向的取压管取出全压,垂直于气流方向的一排开孔取出静压,内管和外管的空间即为皮托管取压的通道。采用导压软管分别将皮托管的全压检测孔和静压检测孔链接到“U”形管差压计的高压端口和低压端口。将皮托管探头插入硬质风筒内,局部通风机产生的风流压力经皮托管探头进入皮托管,形成“U”形管差压计管内两侧的水柱高度差,据此换算出风筒中心的动压值,结合伯努利方程,计算出风筒内气流速度,从而间接获得局部通风机的实际输出风量。
本研究根据矿井局部通风系统建设情况,结合掘进工作面规格尺寸及特性,计算掘进工作面需风量目标值。按照工作面规格尺寸,匹配合适的局部通风机、硬质风筒和柔性风筒,从而构建矿用局部通风机与导风系统。
采用皮托管测量风筒中某点压力时,测压孔应避免漏风。在风筒断面上沿测压孔竖直方向等距离测量4～5 个数值,对结果进行加权平均计算,提高测量精度。通过读取“U”形管差压计管内两侧的水柱高度差,换算为硬质风筒某点的实测动压值,结合流体力学中风流动压与速度的关系,计算局部通风机的实际输出风量。随着掘进距离增长,柔性风筒出风口需与工作面始终保持5 m 距离。将局部通风机实际输出风量与预设条件下的风量进行对比,如果实际输出风量低于预设条件下风量,启动空压机压风系统,通过调节空压机出风管道上的进气阀,控制从进风管进入硬质风筒的风量,直至送达掘进工作面的风量满足要求。组合装置工作流程如图3 所示。
井巷通风中,风流的能量由机械能(静压能、动压能、位能)和内能组成,常用1 kg 空气或1 m3 空气所具有的能量表示。单位体积风流所具有的动能为
式中,Evi 为风流动能,J/m3;ρi 为i 点的风流密度,1.205 kg/m3;vi 为i 点的风流流速,m/s。
Evi 与对外所呈现的动压hvi ,其值相同。以图4所示正压通风为例,通过现场直接读取“U”形管差压计管内两侧的水柱高度差,据此换算为通风管道中心的实测动压值。
通风管道中i 点动压hvi 可进行如下计算:
式中,hvi 为“U”型管差压计管内两侧的水柱高度差,mm;ρ水为水的密度,1 000 kg/m3;g 为重力加速度,9.8 m/s2。
将相关数值代入式(1)和式(2),可得通风管道中i 点的风流流速
由于管道的过风断面尺寸是固定的,可推导出简单实用的局部通风机实际输出风量的计算公式:
式中,Q 为局部通风机实际输出风量,m3/s;S 为管道截面的净面积,m2。
为验证矿用局部通风机风量补给及测定装置功效,在山东省某金矿-300 m 中段探矿穿脉独头作业面进行测试。矿山基建过程中,设计工程为-300 m水平探矿穿脉,巷道长度约300 m,三心拱巷道的断面面积为5.59 m2。设计选用压入式通风方式,该作业面通风方式为:新鲜风流从副井到达-300 m 中段,经探矿巷到穿脉独头作业面,污风排入-300 m 中段回风巷,然后沿倒段回风天井、南风井排出地表。组合装置及风筒架设如图5 所示。
根据矿山通风系统和局部通风系统建设情况,结合掘进工作面规格尺寸及特性,计算掘进工作面需风量为2.05 m3/s,按照工作面规格尺寸,匹配ϕ500 mm柔性风筒,确定局部通风机型号为JK58-1№4.0/5.5矿用局扇,构建了矿用局部通风机与导风组件系统。
加入矿用局部通风机风量补给及测定组合装置后,掘进过程中每超过5 m,延伸一次风筒,保持风筒末端距离工作面5 m。将局部通风机实际输出风量与预设条件下的风量进行对比,如果实际输出风量低于预设条件下的风量值,启动空压机压风系统,通过调节空压机出风管道上的进气阀,控制从进风管进入硬质风筒内的风量,直至送达掘进工作面的风量满足预设条件下的风量要求。启动空压机压风系统后,调节空压机出风管道上的进气阀门,控制从进风管进入硬质风筒内的风量,实现增补柔性风筒出风口的风压及风量的目的。
为掌握矿用局部通风机风量补给及测定组合装置的风量输出情况,每掘进前移20 m 进行一次测试,掘进至200 m 时,风量逐步减小接近设计风量。此时启动组合装置强化通风,对启动前后局部通风机输送至作业面的风量进行了测定,风量对比结果见表1 和图6。
由表1 及图6 可知:巷道掘进长度在200 m 以内,无需启动风量补给装置;超过200 m 后,送风量随着通风距离增大而减小,启动组合装置后,掘进长度为220 m 时,作业面送风量由1.87 m3/s 提高至2.15 m3/s,排尘风速接近0.36 m/s;掘进长度为280 m时,作业面送风量为2.16 m3/s,风量输出稳定,满足《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2020)的相关要求。
(1)本研究研发的矿用局部通风机风量补给及测定组合装置可在局部通风机出口增设导风组件、可调控的风量补给组件和测风组件,装置结构简单、方便操作、测定数据准确。
(2)该装置借助皮托管和“U”形管差压计测定风筒中心动压,利用流体力学中风流动压与速度的关系,推导出了简单实用的局部通风机风量简化计算公式Q=4.05S· h 。
(3)该装置在不增加局部通风机数量和更换型号的情况下,通过对风筒内的风压和风量进行可控式补偿,有助于解决因掘进距离变长、通风阻力增大造成经柔性风筒送达工作面的风量减小问题。工程试验表明:随着掘进工程推进,排尘风速接近0.36 m/s,达到《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2020)的相关要求,保障了掘进工作面的通风安全。
