一种控制采场爆破铀矿堆氡渗流的通风设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种矿井通风系统的设计方法，适用于含有爆破轴矿堆采场的轴矿山 通风系统。
【背景技术】
[0002] 在轴矿开采中，矿井采场内存在具有一定块度大小的爆破轴矿石堆积而成的矿石 堆，爆破轴矿石堆是采场大气氮的主要来源之一。W留矿采矿法为例，它是轴矿山使用最 早，较多的采矿方法之一，属于空场采场法。其特点是将矿块划分成矿房和矿柱两步骤回 采，矿房自下而上分层回采，工人直接在暴露面下的留矿堆上面作业。对于使用留矿采矿法 的轴矿山，矿房内暂存的矿石较多，矿石堆的渗透性较好，矿石的暴露面积较大，堆放的时 间也比较长，在单位时间内析出的氮气比目前轴矿山应用的其他采矿方法都多，从而使工 人的健康受到极大的危害。
[0003] 在现有的轴矿井通风设计方法中，为了使轴矿井下作业场所的通风质量达到国家 标准，一般采用加大通风风量或强制抽排矿堆产生氮的方法。目前，统计得到轴矿总通风量 约比有色和冶金系统矿山高5-8倍，轴矿通风成本占总轴矿生产成本的15%左右。运种加大 通风风量或强制抽排矿堆产生氮的方法不能满足节能减排的要求，为此有必要在满足通风 质量要求的前提下，设计一种新的通风设计方法，尽可能降低采场氮析出量、矿井的通风成 本W及整个轴矿井向外环境的氮释放量。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有轴矿井通风方法在控制采场爆破轴矿堆中氮渗流 方面的不足，提供一种控制轴矿采场爆破轴矿堆中氮渗流的通风设计方法。
[000引本发明的另一目的是通过该通风设计方法，调控爆破轴矿堆上下表面的气压差， 使矿堆内的气体渗流速度接近为零，最小化矿堆产生氮向采场作业空间的析出量、降低采 场通风风量，进而减少通风成本W及矿井向外环境的氮释放量。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案是： 一种控制留矿采矿法采场爆破轴矿堆氮渗流的矿井通风系统包括，气压与溫度传感器 (3)、压差调控风口巧）， 在沿脉运输巷(9)左端位置安装压差调控风口巧），在沿脉运输巷风口右侧气流稳定位 置B点和矿堆上部回采空间相对应的位置A点安装气压与溫度传感器(3)。
[0007] 当采用下行通风方式时或当采用上行通风方式时，将压差调控风口（5)安装于沿 脉运输巷(9)左端B位置处，压差调控风口（5)高度和沿脉运输巷(9)的高度一致，在该压差 调控风口底部装有风口导轨(34)，方便压差调控风口巧)移动； 在压差调控风口（5)-侧岩体中开凿一个大于压差调控风口体积的风口储留空间 (31)，W便当需要在沿脉运输巷(9)作业时，将压差调控风口巧)推进至该空间中，保证沿脉 运输巷(9)的杨通， 在压差调控风口和高压线同样高度的地方上开一个高压线预留缝(310)，并将该高压 线预留缝的缝隙周围采用绝缘橡胶层(311)包裹，W避免沿脉运输巷(9)顶部高压线给该风 口移动带来的不便。
[000引 1、当矿井使用上行通风方式时，爆破轴矿堆（12)上下表面的压差ΔΡ的调节设计 方法如下： 采场氮的析出主要来自于矿房顶板原岩暴露面、矿石堆W及入风气流，而且随着爆破 矿石量的增多，来自矿石堆的氮量所占比例也越大。矿石堆中氮的析出遵循松散介质中的 渗流和扩散迁移理论。由于爆破轴矿石孔隙连通性好和孔隙率较大(0.33左右），在通风气 流的作用下，通风阻力造成的爆破轴矿堆内的气体渗流对氮的迁移起主导作用。根据气体 渗流速度计算公式：
(1) 式中，V是渗流速度，单位m/s; k为介质的渗透率，单位m2; P为气体的压强，单位Pa; μ为 气体的动力黏度系数，单位化· 3;征为空气的平均密度，单位kg/m3。
[0009] 在式（1)中，巧F为爆破轴矿堆内气体的压力梯度。当爆破轴矿堆上下表面的气体 静压差为?Ρ，矿堆高度为ΔΗ.，则沿重力方向的压力梯度:ν?·心?ΡΜΗ:。若能控制， 即Λ护=A站Η，则爆破轴矿堆内的渗流速度为零。
[0010] (1)安装压差调控风口之前： 矿井巷道的通风阻力可按下式计算：
(2) 式中，Aj'为通风阻力，单位化;·?，为沿程阻力，单位化:?'为局部阻力，单位化;S为巷道 的等效断面面积，单位m2;P为巷道的等效周长，单位m;化为空气的密度，单位kg/m3;心为摩 擦阻力系数，单位N.S2 /mS ?为局部阻力系数，无因次。
[0011] 从上式中可知，未安装压差调控风口，矿井巷道中风流在流动过程中，存在沿程阻 力和局部阻力等造成的能量损失。因此，根据伯努利方程，W沿脉运输巷水平轴线0-0为基 准面，图4中A点和C点之间存在如下关系：
(3) 式中，％为C点和A点间的通风阻力，单位化；扣为C点的压强，单位Pa;郑为采场空 气密度，单位kg/m3;峭为C点的空气流速，单位m/s;巧:^为C点W0-0为基准面的铅垂高度， 单位m巧义为A点的压强，单位化；为A点的空气流速，单位m/s;增为A点W0-0为基准面 的铅垂高度，单位m;皂为重力加速度，单位m/s 2。
[0012] 由于采场通风风量为6~8m^s，通风天井和巷道断面空气流速较小，因此 和口。Ve2可忽略不计（W下相同），图4中c点和A两点的压差按下式估算：
(4) 式中，边巧为0-0水平轴线与2-2水平轴线之间的垂直高度，由采场的采掘生产进度决 定，单位m〇
[001引由于扣"如，因此图4中B点和A点的压差式￡ -武4口 A址+取。吾Δ//。由此可知，由 于矿井通风阻力&04的存在，导致84两点的压差^>3-^1^ ，运将会导致爆破轴矿堆 中存在下表面流向上表面方向的氮渗流。
[0014] (2)安装压差调控风口之后： 根据伯努利方程可知，A点和D点之间存在如下关系：
(5) 式中，为A点W0-0为基准面的垂直高度，单位苗为A点和D点间的通风阻力，单 位Pa;:卢为A点的压强，单位Pa; V社为D点的空气流速，单位m/s。
[001引B点和D点之间存在如下关系：
(6) 式中，心￡为B点W0-0为基准面的垂直高度，单位m;的0为8点和0点间的通风阻力，单 位化;栗击为B点的压强，单位化;吗为8点的空气流速，单位m/s。
[0016] 根据式巧)和式(6)可知，
当用压差调控风口完全关闭沿脉运输巷时，沿脉运输巷中几乎无风流经过。此时 值接近为零，^值远大于零。根据式(8)可知，f <凤宮凸W，即爆破轴矿堆中存在从上 表面流向下表面的氮渗流。
[0017] 此时，将压差调控风Π 打开，则％的值将逐渐增大，A姻将逐渐减小。根据式(8)可 知，当压差调控风口打开到合适开度，可调控回采空间A点和沿脉运输巷B点之间的压差 f AgAH:。此时，爆破轴矿堆内将不存在上下表面之间的氮渗流。
[0018] 2、当矿井使用下行通风方式时，爆破轴矿堆上下表面的压力差值?Ρ的调节方法 如下： (3)安装压差调控风口之前： 选沿脉运输巷水平轴线0-0为基准面，根据伯努利方程，图6中A点和C点之间存在如下 关系：
(9) 式中，Ajc为AC两点间的通风阻力，单位化；扣为C点的压强，单位化；孔为空气密度， 单位kg/m3;嘴为C点的空气流速，单位m/s; /?为C点W0-0为基准面的垂直高度，单位m;果A 为A点的压强，单位化;句为4点的空气流速，单位为C点W0-0为基准面的铅垂高 度，单位m;堅..为重力加速度，单位m/s 2。
[0019] 忽略
图6中A和C两点的压差可按下式估算：
(10) 式中，ΔΚ为0-0水平轴线与2-2水平轴线之间的垂直高度，由采场的采掘生产进度决 定，单位m。
[0020] 由于占，即BA两点间的压差，占―W户。査占赶:-占齡。由此可知，由于矿井 通风阻力的存在，导致BA两点的压差?-扔1 <拍客AW，运将导致在爆破轴矿堆内存在 从上表面流向下表面的氮渗流。
[0021 ] (4)安装压差调控风口之后： 根据伯努利方程可知，图7中A点和D点之间存在如下关系：
(11) 式中，Alii为D点和A点间的通风阻力，单位化。
[0022] B点和D点之间存在如下关系：
(12) 式中，&￡^为〇点和A点间的通风阻力，单位化。
[0023] 根据式（11)和式（12)可知，
当使用压差调控风口完全关闭沿脉运输巷时，值接近零，·值远大于零，此时由 式（14)可知，，即爆破轴矿堆内存在从上表面流向下表面的氮渗流。
[0024] 若打开压差调控风口一定开度，此时，的值将从零逐渐增大，&ZM将逐渐减小。 根据式（1