金属非金属地下矿山通风防尘管理与技术

金属非金属地下矿山通风防尘管理与技术北京科技大学李怀宇2012年5月以《金属非金属地下开山安全规程》通风防尘为主线，解读矿井通风相关理论、技术和管理要点一、井下空气6.4.1井下空气6.4.1.1井下采掘工作面进风流中的空气成分(按体积计算)，氧气应不低于20％，二氧化碳应不高于0.5％。关于井下空气矿井通风目的：把新鲜空气送入井下矿井通风介质：空气作用要求表征人员呼吸品质组成成分井下新鲜空气排稀污物流动能量压力安全舒适作业环境井下空气主要成分地表空气（新鲜空气）按体积计算的组成成分：氧20.90%17%时，工作会引起喘息，呼吸困难，心跳加快；6~9%时，失去知觉，呼吸停止，不及时抢救就会死亡。二氧化碳0.03%达到2％时，人的呼吸量增加一倍；达到10~11％时，五分钟之内使人窒息，有人三分钟即可致死。氮78.13%其他稀有气体0.94%另外有一定量的水蒸汽、微生物、粉尘。地表空气随高程变化随着高程增加空气越来越稀薄；海平面到10万米的高空，氧气在空气中的含量大致均为21%。在2800米我们吸一口气，其中的氧份子比在海平面的一口气少了28%，在珠峰顶峰，气压和空气中的含氧量则只有海平面的三分之一。•国内地域，高诲拔地带：3000-6500m极高海拔地带：6500-8100m死亡地带：8100m•随着高度增高气温降低。一般情况下海拔升高1000M,温度下降6度左右，•地球表面海拔最高的地点：珠穆朗玛峰（8844.43米）地球表面海拔最低的地点：马里亚纳海沟（-10911米）关于风流压力物体（物质）具有能量。空气属于流体物质，也具有能量，体现为压能，或称之为压力。1）静止空气压力•静止空气具有静压能（静压）：空气的静压能是该处空气上部空气柱的重量，静压能的大小与海拔高度有关。海拔高度越高，上部空气柱的重量越小，空气具有的静压能就越小。这种静压能即通常说的当地的大气压（力）。一般垂直高度每降低100m就要增加9~10毫米水银柱（1.22~1.36kPa）的压力。•1654年5月8日举行的马德堡实验实验直径36．85厘米（0．67时）的两个半球，16匹马都不能拉开它们的试验。高度大气压力mm水银与海平面压力的比例空气中的氧份子与海平面的比例水平面7602800米54372%72%6100米35647%47%8844米22830%30%矿井中空气的静压大小也服从这样的规律。静压在任何方向上测量都相等，没有方向性2）流动空气（风流）压力由于气象等原因或者人为提供动力，静止的空气发生流动。对矿井来说，气象原因造成的风流即自然风流，使用扇风机等动力设备而使空气流动即机械通风。流动的空气不仅具有静压，而且还有动能（即动压）。动压大小取决于空气流动的快慢。人可以感觉到动压，逆风行走困难顺风被推动。动压具有方向性，我们只关心对着风流方向的最大风速值v的最大动压。动压与风速v之间成正比平方关系。静压与动压之和称全压，即全压=静压+动压。矿井中风流的静压、动压是能够通过仪表检测出来的。此外，空气环具有位压，位压与所取的基准线有关。所以任一处风流的总压力或者说总能量包括静压、动压和位压，这里就不展开说了。空气之总是由总压力大之处向总压力小之处流动能量方程（伯努利方程）是分析空气流动的基本手段3）风流压力的表述方法根据比较的基准不同，压力可以用绝对压力和相对压力表示。绝对压力是以真空状态绝对零压为比较基准，即以零压为起点表示的静压。绝对静压、绝对全压始终是正值。如大气压（力）就是绝对静压。相对压力是以当地大气压力p0为比较基准的压力。即某处绝对压力与大气压力p0之差。相对压力可为正值，也可为负值。如果井巷中某点的绝对压力大于大气压力p0就叫正压（压入式通风系统），反之是负压（抽出式通风系统）。矿井通风中，基本上使用相对压力，如相对静压、相对全压，通常简称静压、全压，一般用H或h符号表示。动压恒为正值。（伯努利方程——压力和阻力之间的关系）压力单位：国际法定的单位是pa（帕、帕斯卡、N/m2）。它与矿井惯用的单位“mm水柱”之间的换算如下：1mm水柱=9.8pa（N/m2）一个标准大气压=760mm水银柱=101.3kPa=101300Pa=10336毫米水柱=10336千克/米2=1013毫巴6.4.1.2入风井巷和采掘工作面的风源含尘量，应不超过0.5mg/m3。6.4.1.3井下作业地点的空气中，有害物质的接触限值应不超过GBZ2的规定。井下作业地点有毒有害物质和限值主要有：一氧化碳：30mg/m3，0.0024%氮氧化物（转算为二氧化氮）：5mg/m3，0.00025%二氧化硫：15mg/m3，0.0005%硫化氢：10mg/m3，0.00066%含游离二氧化硅10%以上的粉尘（石英、石英岩）：2mg/m3含游离二氧化硅10%以下的粉尘（石英、石英岩）：10mg/m3等6.4.1.4含铀、钍等放射性元素的矿山，井下空气中氡及其子体的浓度应符合相关国家标准规定。井下工作地点（如采场）：氡在空气中的最大允许浓度：3.7kBq/m3氡子体的潜能值不超过：6.4μJ/m36.4.1.5矿井总风量，按下列要求分别计算，并取其中最大值：——按井下同时工作的最多人数计算，供风量应不少于每人4m3／min：——按排尘风速计算，硐室型采场最低风速应不小于0.15m／s，巷道型采场和掘进巷道应不小于0.25m／s；电耙道和二次破碎巷道应不小于0.5m／s；箕斗硐室、破碎硐室等作业地点，可根据具体条件，在保证作业地点空气中有害物质的接触限值符合GBZ2规定的前提下，分别采用计算风量的排尘风速；——有柴油设备运行的矿井，按同时作业机台数每千瓦每分钟供风量4m3计算。6.4.1.6采掘作业地点的气象条件应符合表7的规定，否则，应采取降温或其他防护措施。表7采掘作业地点气象条件规定干球温度℃相对湿度％风速m／s备注≤28不规定0.5~1.0上限≤26不规定0.3~0.5至适≤18不规定≤0.3增加工作服保暖量气象条件3要素：温度、湿度、风速h11、井下空气温度井下空气温度=f（岩石温度、压缩与膨胀、进入矿井空气温度、人体和机械放热、风速、、、、）岩石温度影响岩温h1：地下恒温带的深度（一般为30m左右），此恒温带的岩石温度为当地地面的年均温度，以t1示之。H2：距恒温带的深度此深度的岩温为t2t2=t1+（h2+h1）gg—地热增温率，℃/100m我国金属矿g一般为1～3℃/100mh2岩石传给空气的温度空气进入矿井后，取决于它与岩体之间的温差和岩石传热散热性能：当岩体温度空气温度，掩体内部热量传到岩壁，再由岩壁散发到空气中，使井下空气加热；岩体中的热量不断地传给空气，在井巷周围逐渐形成冷却圈；冷却圈的大小取决于岩石性质、距井口的距离、岩体与空气的温差。一般岩体冷却圈的半径大致为8～40m。井下空气压缩与膨胀•当空气沿井筒向下流动时，由于井筒加深，空气受压缩而放出热量，使温度升高；•当空气沿井筒向上流动时，则膨胀而吸热，使温度降低。进入矿井空气温度•我国地处北纬亚热带到寒温带，地面空气温度变化较大•北方一般冬季气温较低，当地面冷空气进入矿井，使矿井入风段气温降低，如不预热，进风段会有冻结；•而南方夏季热空气进入矿井，会使井下气温升高，可能恶化井下气候条件，尤其是浅井，由于与岩石热交换不充分更为严重；•由于上述岩温的影响，随着开采深度的增加，地面空气温度对井下气温的影响越来越小。深井开采的热源•以南非某深井为例，分析井下空气温度升高的主要热源。该矿井深1524m，地热增温率0.92℃/100m，其热源的比例如下表所示：热源通风过程空气绝热压缩人体散热电石灯机电设备岩石放热合计百分比（%）2114712461002、空气湿度•空气绝对湿度：1m3（或1kg）空气实际含有的水蒸气数量，以γ（g/m3）表示；在某一温度条件下，1m3（或1kg）空气所能容纳的最大水蒸气的数量，即饱和水蒸气量，以γB（g/m3）表示。•空气相对湿度φ：空气中实际含有的水蒸气数量与同温度下的饱和水蒸气量的百分比，用下式表示：φ=（γ/γB）100%人体感受到的是相对湿度；矿井通风和一般工程中基本上都用相对湿度表示。3、矿井气候条件测定仪表•空气温度—常规的温度计干湿球湿度计•空气湿度—干湿球湿度计（毛发湿度计）•风速—风速计（后述）•测定气候条件的电子综合仪表如：WFCY-2A微电脑多功能风流参数测定仪TFY-2矿井通风参数检测仪6.4.1.7进风巷冬季的空气温度，应高于2℃；低于2℃时，应有暖风设施。不应采用明火直接加热进入矿井的空气。在严寒地区，主要井口（所有提升井和作为安全出口的风井）应有保温措施，防止井口及井筒结冰。如有结冰，应及时处理，处理结冰时应通知井口和井下各中段马头们附近的人员撤离，并做好安全警戒。有放射性的矿山，不应利用老窿（巷）余热和降温。反风预热是错误的6.4.1.8井巷断面平均最高风速应不超过表8的规定。表8井巷断面平均最高风速规定井巷名称最高风速/m/s专用风井，专用总进、回风道专用物料提升井风桥提升人员和物料的井筒，中段主要进、回风道，修理中的井筒，主要斜坡道运输巷道，采区进风道采场151210864注意的问题•最低排尘风速0.15m/s，5μ以下的呼吸性粉尘能与空气均匀混合，随风流运动；•最优排尘风速0.15—2m/s；•二次扬尘风速，一般是2m/s，在增加湿润度条件下4m/s时可防止二次扬起，注意考虑了喷雾洒水因素；•下面主要从经济性出发：专用风井，专用总进、回风道15专用物料提升井12风桥10风速对应的风级看回风井作安全出口的可靠性•风级符号名称风速（米）陆地物象海面波浪浪高（米）•0无风0.0-0.2烟直上平静0.0•1软风0.3-1.5烟示风向微波峰无飞沫0.1•2轻风1.6-3.3感觉有风小波峰未破碎0.2•3微风3.4-5.4旌旗展开小波峰顶破裂0.6•4和风5.5-7.9吹起尘土小浪白沫波峰1.0•5劲风8.0-10.7小树摇摆中浪折沫峰群2.0•6强风10.8-13.8电线有声大浪到个飞沫3.0•7疾风13.9-17.1步行困难破峰白沫成条4.0•8大风17.2-20.7折毁树枝浪长高有浪花5.5•9烈风20.8-24.4小损房屋浪峰倒卷7.0•10狂风24.5-28.4拔起树木海浪翻滚咆哮9.0•11暴风28.5-32.6损毁普遍波峰全呈飞沫11.5•12台风32.7-摧毁巨大海浪滔天14.0平均风速与最大风速一般平均风速/最大风速=0.76～0.8表8中的风速皆指平均风速，测定平均风速的仪表有：翼式风表（含杯式）；热球式风速仪；电子式综合仪表：l1—平均风速l2—最大风速WFCY-2A微电脑多功能风流参数测定仪TFY-2矿井通风参数检测仪井巷平均风速测定方法走线法点测法•二、通风系统6.4.2通风系统（共6条）《中国冶金百科全书（采矿卷）》概括通风系统为：矿井通风系统即矿井供、排风工程设施体系。解释为：根据井下各作业地点需风要求，用通风动力设备将地面新鲜空气通过进风井巷和通风控制设施输送到需风点，并通过回风井巷将作业时形成的污风排出矿井。则矿井（机械）通风系统主要包括3部分，即：通风动力设备（扇风机）、矿井通风网络、矿井通风构筑物。1、机械通风的发展：国外1556年有手动风箱通风的记载；我国明崇祯1637年用竹筒排放矿井有毒气体；欧洲17世纪有火炉通风的记载，19世纪中叶开始风机通风；冶金矿山建国初期在东北夹皮沟矿开始介绍机械通风，50年代金属矿山逐步建立机械通风系统，60年代已有主扇统一通风、分区通风的经验，80现代末节能风机研制成功、引入多级机站通风经验，目前矿井已经普遍采用机械通风。（费寇）2、矿井通风系统的称谓1）统一通风与分区通风统一通风：一个矿井构成一个整体的通风系统。分区通风：一个矿井划分成若干个独立的通风系统，且风流互不干扰。有独立的进、回风井。柴河铅锌矿水平分区通风系统西华山钨矿中段分区通风系统2）按进风井与回风井的布置称谓中央式通风：进风井与回风井均位于矿体走向中央，风流在井下的流动路线是折返式的。非煤矿井少用。对