矿井通风中的回风井经济风速

2021-03-17 14:19:20杨成林
有色冶金设计与研究 2021年1期
关键词:基建投资风井电费

杨成林

(中国瑞林工程技术股份有限公司,江西南昌 330038)

一般来说,矿井通风中,回风井的风量大、风速高,其通风阻力占矿井总通风阻力的比例很大;而回风井的断面直接影响着回风井的投资与通风阻力。因此,对回风井断面的研究有非常重要的意义。回风井直径越大,通风阻力越小,通风费用越低,但基建投资越大;因此,存在一个最优的回风井断面,称之为回风井经济断面,使基建投资与后期的经营费用之和最小。回风井经济断面确定后,相应地也就确定了回风井的经济风速。不同条件下的回风井经济断面随着风量等条件的变化,变化范围很大,需对每个矿山回风井的经济断面进行研究,工作量较大。但经研究,在一般的建设条件下,回风井经济风速变化范围不大。故本文通过理论研究,得出了回风井经济断面与风速的计算方法,并以某矿山为例,根据当前的技术经济水平,得出一般建设条件下回风井的经济风速为8~11 m/s,供广大矿山建设、设计工作者参考。

1 回风井基建投资

在井筒深度相同的条件下,回风井基建投资随着井筒直径的增大而增大,但并不是一个线性关系,可以从《井巷工程综合预算定额手册》估算出不同断面单位长度的建设投资,根据数据分布情况,选择拟合方程,得出以回风井断面为变量的建设投资函数。经大量学者研究,目前普遍认为以下抛物线与直线相结合的数学模型较为理想。

式中:D 为回风井直径,m;a1、b1为拟合方案系数。

2 回风井通风费用

回风井通风费用包括电费、人工费与设备维修费等,但主要为电费,占整个通风费用的90%以上。因此,本文仅考虑因克服回风井阻力而产生的电费。

每米回风井1年通风消耗的电费可按式(2)计算:

式中:h 为每米巷道通风阻力,Pa;q 为风量,m3/s;T1为日通风时长,h/d,可取 T1=24;T2为年通风日数,d/a,可取 T2=365;e 为电价,元/kWh;η 为电机、风机等设备的综合效率。

代入式(2),得:

式中:α 为回风井摩擦阻力系数,N·s2/m4;S 为回风井断面积,m2;D 为回风井直径,m。

3 资金贴现

选择基建末期为时间基准点,设基建时间为tj,每年平均基建投资WJ/tj=Bj,年利率为i1;回风井服务年限为tf,每年通风电费为WD,年利率为i2。采用资金帖现法,把时间基准点选在基建期末。由于投资并非年初一次性投入,而是陆续投入,故对当年的投资利率按一半计算。这样,折算到基准点的基建总投资为:

服务期间通风电费折算值为:

4 经济风速

回风井通风的综合费用为基建投资与通风电费之和,即:

求F(D)对D 的一阶偏导数并令其为零,得:

可以用迭代法求出式(9)中的回风井经济直径D。由于方程的特殊性,可以用式(9)本身构造出迭代公式,即

再由风量q 与回风井经济直径D 求出经济风速v:

5 应用实例

某矿山回风井深度为620 m,风量为380 m3/s,摩擦阻力系数为 0.011 N·s2/m4,电费为 0.7 元/kWh,电机、风机等设备的综合效率为0.7,基建期为4 a,贷款利率为0.06,服务期限为15 a,服务期的折现率为0.1。

根据《井巷工程综合预算定额手册》分别估算出该矿山回风井直径为6.5 m、7 m 与7.5 m 时每米井筒的投资为 41 550 元、45 340 元与 49 220 元,采用式(1)方程拟合,得出 a1=5 290,b1=170。

将以上参数代入式(10),得出回风井经济直径为7.3 m,经济风速为8.99 m。

6 经济风速分析

第5 节所述实例为国内现有经济技术条件下,一般回风井的建设条件,利用公式(10),分别设风量为 50~600 m3/s,服务年限为 8~20 a,得出经济风速为8.05~10.31 m/s。因此,可得出一般条件下回风井的经济风速为8~11 m/s,服务年限长,风量小取小值,服务年限短,风量大则取大值。

7 结语

本文通过理论研究,得出了回风井经济断面与风速的计算方法。并以某矿山为例,根据当前的技术经济水平,研究得出了一般建设条件下回风井的经济风速为8~11 m/s,可供广大矿山建设、设计工作者参考。同时需指出,本文所述的一般建设条件是指井筒深度为600 m 左右,采用的是混凝土支护,电费为0.7 元/kWh,如果其它矿井的实际建设条件与本文与述的一般建设条件相差较大,其经济风速可能超出8~11 m/s 的范围。

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