網(wǎng)路降阻與風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)相結(jié)合管理井下通風(fēng)系統(tǒng)

黃紹明 季現(xiàn)偉 王 晶

(玉溪礦業(yè)有限公司)

大紅山銅礦位于云南省玉溪市新平彝族、傣族自治縣戛灑鎮(zhèn)，是玉溪礦業(yè)有限公司的主力礦山，也是云南銅業(yè)集團(tuán)的標(biāo)桿礦山，采用無軌+有軌相結(jié)合的方式進(jìn)行開采，實(shí)際礦石生產(chǎn)能力為15 000 t/d。該礦山采用“兩翼進(jìn)風(fēng)，中部回風(fēng)”多風(fēng)機(jī)多級(jí)機(jī)站壓抽結(jié)合的通風(fēng)方式，井下生產(chǎn)范圍大，巷道與作業(yè)點(diǎn)較多，整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)路結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜［1］。隨著采礦的進(jìn)行，開拓工程不斷向深部延伸，致使該礦山的整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)路結(jié)構(gòu)、總風(fēng)阻、風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)較初期都發(fā)生了變化。與其他金屬礦山一樣，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低，通風(fēng)效果不佳，盲目增加風(fēng)機(jī)，不同程度地存在著低效高耗的現(xiàn)象［2-3］。

如何保證通風(fēng)效果、井下的微氣候條件及風(fēng)機(jī)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是大紅山銅礦生產(chǎn)經(jīng)營中亟待解決的難題，也是一個(gè)非常具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究課題。針對這一課題，筆者作為大紅山銅礦整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的管理者，根據(jù)自己多年從事通風(fēng)管理工作的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該礦山的實(shí)際情況，在優(yōu)化通風(fēng)路線、縮短送風(fēng)里程、封閉廢棄的聯(lián)絡(luò)井巷、減少漏風(fēng)和風(fēng)機(jī)使用變頻調(diào)速器等方面采取有效措施的基礎(chǔ)上，又提出網(wǎng)路降阻與風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法管理通風(fēng)系統(tǒng)，明顯改善了井下的微氣候條件，并保證了風(fēng)機(jī)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)為礦山創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益［4］。

1 通風(fēng)存在的問題分析

在礦山實(shí)際生產(chǎn)中，風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)經(jīng)常因開拓工程的增加、采掘工作面的轉(zhuǎn)移等因素變化及風(fēng)機(jī)本身性能的變化而改變［5］。特別是整個(gè)礦井通風(fēng)進(jìn)入困難時(shí)期，由于供風(fēng)里程、需風(fēng)量、漏風(fēng)點(diǎn)都在增加，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)變化較大，為了保證供風(fēng)量，存在盲目增加風(fēng)機(jī)的現(xiàn)象，結(jié)果導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低，風(fēng)流沿途漏入采空區(qū)，通風(fēng)電耗急劇增加，工作面達(dá)不到理想的作業(yè)環(huán)境［6］。

對于整個(gè)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)而言，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的效率高低直接影響整個(gè)系統(tǒng)通風(fēng)效果的好壞。如何保證風(fēng)機(jī)在高效區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)是降低礦井通風(fēng)能耗和提高礦井通風(fēng)效果的重要措施之一［7］。根據(jù)風(fēng)機(jī)理論分析證明，風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)量的立方成正比，即［8］

式中，Nf為風(fēng)機(jī)的軸功率，kW;Rf為井巷的風(fēng)阻，N·s2/m8;Qf為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/s;ηf為風(fēng)機(jī)的效率。

雖然通過減少供風(fēng)量降耗效果最明顯，但在實(shí)際生產(chǎn)中，特別是通風(fēng)相對困難時(shí)期，為了保證井下具備良好的作業(yè)環(huán)境，減少供風(fēng)量是不現(xiàn)實(shí)的。必須在保證供風(fēng)量的前提下，采取其他措施降耗節(jié)能，并提高通風(fēng)效果。

風(fēng)機(jī)通過克服井巷的沿程阻力，把新鮮風(fēng)流送到作業(yè)面所耗費(fèi)的電能至少與2個(gè)因素密切相關(guān):一是網(wǎng)路的風(fēng)阻大小;二是風(fēng)機(jī)的效率高低。顯然，降低通風(fēng)網(wǎng)路的風(fēng)阻值，就相當(dāng)于直接降低風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)壓值，相應(yīng)地降低了風(fēng)機(jī)的軸功率，即減少電能消耗。另外，風(fēng)機(jī)的效率與軸功率成反比，當(dāng)提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率時(shí)，同樣也直接降低了風(fēng)機(jī)的軸功率，即減少電能消耗［9］。因此，必須平衡井巷風(fēng)阻與風(fēng)機(jī)效率之間的關(guān)系，保證通風(fēng)效果的同時(shí)，真正達(dá)到節(jié)能增效的目的。

2 網(wǎng)路降阻與風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)相結(jié)合

在整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)隨生產(chǎn)運(yùn)行過程中，為保證風(fēng)機(jī)高效經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，必須適時(shí)地進(jìn)行風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)。實(shí)質(zhì)上，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)就是供風(fēng)量的調(diào)節(jié)。由于風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)是由風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和井巷風(fēng)阻兩者的特性曲線決定的，因此，要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)，必須把網(wǎng)路降阻與風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)相結(jié)合才能真正達(dá)到節(jié)能增效目的［10］。

2.1 網(wǎng)路降阻的措施

當(dāng)?shù)V井通風(fēng)進(jìn)入困難時(shí)期，總風(fēng)量供應(yīng)不足時(shí)，如果能降低礦井的總風(fēng)阻，則不僅可以增加礦井的總風(fēng)量，而且可以降低礦井的總阻力。網(wǎng)路降阻有多種措施，但是，當(dāng)井下巷道開掘完畢投入使用后，井巷的風(fēng)阻大小就已成固定值，各分支井巷的風(fēng)阻難以人為改變其大小。根據(jù)礦山企業(yè)的實(shí)際情況，在不影響井下正常生產(chǎn)的情況下，投入成本最少，最顯著地降低整個(gè)網(wǎng)路總風(fēng)阻大小的方法就是改變各分支井巷的相互連接結(jié)構(gòu)形式。盡可能地利用相互并聯(lián)的井巷，包括利用廢舊井巷，將串聯(lián)風(fēng)流改為相互并聯(lián)流動(dòng)，其原理如式(2)所示［11］:

式中，R為并聯(lián)巷道總風(fēng)阻，Rn為各分支巷道風(fēng)阻。

式(2)表明:并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)路并聯(lián)的分支井巷越多，總風(fēng)阻越小，且并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)路總風(fēng)阻永遠(yuǎn)比任意一條分支井巷的風(fēng)阻小。若有n條風(fēng)阻相同的風(fēng)道并聯(lián)，則并聯(lián)后的總風(fēng)阻為R=Rn/n2。即使是最簡單的情況，設(shè)兩條并聯(lián)井巷風(fēng)阻相等，當(dāng)同等的風(fēng)量經(jīng)兩條并聯(lián)井巷進(jìn)入風(fēng)機(jī)，較風(fēng)流經(jīng)單一井巷進(jìn)入風(fēng)機(jī)，總風(fēng)阻只有分支井巷風(fēng)阻的1/4倍。可見并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)路的總風(fēng)阻較并聯(lián)分支井巷的風(fēng)阻值降低的幅度非常大。

因此，在實(shí)際的通風(fēng)工作中，在盤區(qū)的進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)路線上，應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有的相互并聯(lián)的井巷輸送風(fēng)流，可顯著降低網(wǎng)路的總風(fēng)阻。通常盤區(qū)的回風(fēng)路線距風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)，除專用回風(fēng)路線外，沿途還有許多廢舊井巷。為了減小回風(fēng)路線的總風(fēng)阻，充分利用沿途的廢舊井巷，對廢舊井巷中各中段、水平的上下聯(lián)絡(luò)井采取隔離措施，防止漏風(fēng)。

如圖1所示，該區(qū)域?yàn)?35 m中段的部分井巷，450 m切頂巷作為東部區(qū)域的專用回風(fēng)巷。為了減小通風(fēng)阻力，把已經(jīng)采礦結(jié)束的440 m切頂巷利用起來，對435 m中段20－24盤區(qū)Ⅰ段出礦進(jìn)路進(jìn)行密閉(一是為了充填采空區(qū)使用，二是為了防止漏風(fēng))，使用2條井巷形成并聯(lián)回風(fēng)，從而降低了盤區(qū)的回風(fēng)路線總風(fēng)阻，其降阻效果如表1所示。盡管有的2條并聯(lián)井巷長度并不完全一樣，但只要充分、合理、科學(xué)地使用，也能起到降低總風(fēng)阻的作用。

圖1 利用廢舊井巷降低通風(fēng)阻力示意

表1 網(wǎng)路并聯(lián)降阻結(jié)果

2.2 提高風(fēng)機(jī)效率的措施

提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率，本質(zhì)是在保證供風(fēng)量的前提下，讓風(fēng)機(jī)在高效率狀態(tài)下運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。受風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，軸流式風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓特性曲線一般都有馬鞍形駝峰存在，而且同一臺(tái)風(fēng)機(jī)的駝峰區(qū)隨著葉片安裝角度的增大而增大。駝峰右側(cè)的特性曲線為單調(diào)下降曲線，是穩(wěn)定工作區(qū)段;駝峰左側(cè)的特性曲線為不穩(wěn)定工作區(qū)段，風(fēng)機(jī)在該區(qū)段工作，有時(shí)會(huì)引起風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓和電機(jī)功率的急劇波動(dòng)，甚至機(jī)體發(fā)生震動(dòng)，發(fā)出不正常的噪音，產(chǎn)生所謂喘振現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞風(fēng)機(jī)［12］。因此，為保證風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定區(qū)域高效運(yùn)行，葉片安裝角度盡量不要選擇廠家提供的最大及最小安裝角度，宜選擇中間角度。

風(fēng)機(jī)在不同葉片安裝角度下運(yùn)行時(shí)都有其效率的最大值點(diǎn)，在該點(diǎn)兩側(cè)的效率相對較低，見圖2所示。該圖為K40－8－No22軸流式風(fēng)機(jī)32°葉片安裝角的效率曲線。將不同角度葉片角的等效率點(diǎn)連線，即可獲得該風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率分布曲線。

圖2 K40－8－No22風(fēng)機(jī)32°葉片角的效率曲線

風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的工況點(diǎn)是風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)對外輸出風(fēng)量、風(fēng)壓等所有技術(shù)參數(shù)的即時(shí)狀態(tài)點(diǎn)，也即網(wǎng)路風(fēng)阻特性曲線與風(fēng)機(jī)的風(fēng)量－風(fēng)壓特性曲線的交點(diǎn)，簡稱工況點(diǎn)。當(dāng)網(wǎng)路總風(fēng)阻變化時(shí)，工況點(diǎn)將沿風(fēng)機(jī)特性曲線上下移動(dòng)，從而改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率，使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率較原來提高或降低［10］。但通過采取相應(yīng)措施調(diào)節(jié)使網(wǎng)路總風(fēng)阻降低時(shí)，倘若工況點(diǎn)向低效率方向移動(dòng)，由此獲得的節(jié)能效果就要打折扣。因此降低網(wǎng)路的風(fēng)阻還要與提高風(fēng)機(jī)效率調(diào)節(jié)緊密結(jié)合，才能取得良好的節(jié)能及通風(fēng)效果，見圖3所示。

圖3 網(wǎng)路風(fēng)阻與風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)變化

圖3 表示了K40－8－No22風(fēng)機(jī)經(jīng)過網(wǎng)路降阻后工況點(diǎn)的變化情況。其中，R1和R2表示網(wǎng)路經(jīng)過并聯(lián)處理前后的風(fēng)阻特性曲線，K1、K2、K3表示不同條件下的風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)。

以圖3為例，該裝機(jī)點(diǎn)原來的網(wǎng)路風(fēng)阻特性曲線為 R1，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)為 K1，風(fēng)量 70.5 m3/s，風(fēng)壓820 Pa，葉片安裝角29°，效率77%，軸功率75.08 kW。通過將網(wǎng)路并聯(lián)降阻后，網(wǎng)路風(fēng)阻特性曲線為R2，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)為 K2，風(fēng)量 77 m3/s，風(fēng)壓 725 Pa，葉片安裝角29°，效率83.5%，軸功率66.86 kW。通過網(wǎng)路降阻后，風(fēng)機(jī)風(fēng)量增加了，效率提高了，軸功率也明顯降低。

這僅是對1臺(tái)風(fēng)機(jī)的舉例說明，大紅山銅礦原有風(fēng)機(jī)97臺(tái)，總裝機(jī)容量6 233 kW，如果每臺(tái)風(fēng)機(jī)每秒增加幾立方風(fēng)量，所有風(fēng)機(jī)每秒將增加上百立方風(fēng)量。通過公式(1)可知，電耗與風(fēng)量之間成3次方的關(guān)系，也就是說，在礦井風(fēng)阻、風(fēng)機(jī)效率、電機(jī)功率、傳動(dòng)效率等因素不變的情況下，若把風(fēng)量增加1倍，電耗將升為原來的8倍，過度地加大風(fēng)量，將導(dǎo)致電耗急劇增加，因此應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算需風(fēng)量。

雖然大紅山銅礦通風(fēng)進(jìn)入相對困難時(shí)期，但在原通風(fēng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，也不需要增加過多的供風(fēng)量。通過圖3仔細(xì)研究可發(fā)現(xiàn)，如果采用網(wǎng)路降阻與風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法，在網(wǎng)路降阻的基礎(chǔ)上，再把風(fēng)機(jī)葉片安裝角由29°調(diào)整為26°，此時(shí)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)為K3，風(fēng)量 73.5 m3/s，風(fēng)壓 620 Pa，效率 86.3%，軸功率52.8 kW。與網(wǎng)路降阻單一調(diào)節(jié)法相比，風(fēng)機(jī)效率提高了2.8個(gè)百分點(diǎn)，軸功率卻降低了14.06 kW，而供風(fēng)量也完全滿足需求，保證通風(fēng)效果的同時(shí)，節(jié)能降耗效果非常明顯。

3 調(diào)節(jié)效果統(tǒng)計(jì)

大紅山銅礦近3 a來專門立項(xiàng)進(jìn)行區(qū)域收縮和通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，通過封閉廢棄的上下連通的管纜井，處理部分廢舊井巷與現(xiàn)用井巷實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，降低通風(fēng)阻力。每個(gè)區(qū)域的通風(fēng)網(wǎng)路優(yōu)化完畢，再利用自主研發(fā)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件MVNSS進(jìn)行解算，并對解算結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)解算結(jié)果，再對部分中段水平的風(fēng)機(jī)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)(使用變頻器或者調(diào)節(jié)葉片安裝角)，提高運(yùn)行效率，拆除不必要的風(fēng)機(jī)，從而降低通風(fēng)能耗。通過充分利用網(wǎng)路降阻與風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)相結(jié)合優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)所獲得的節(jié)能效果進(jìn)行粗略統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表2所示，在保證通風(fēng)效果的同時(shí)，僅8個(gè)中段水平的部分區(qū)域風(fēng)機(jī)就降低能耗136.78 kW，增加風(fēng)量26.7 m3/s，每年可節(jié)約通風(fēng)費(fèi)用59.58萬元。

表2 網(wǎng)路降阻與風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)相結(jié)合調(diào)節(jié)法效果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

筆者根據(jù)多年從事通風(fēng)管理工作的經(jīng)驗(yàn)，把理論與實(shí)踐緊密結(jié)合進(jìn)行深入研究，提出了網(wǎng)路降阻與風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)路。此方法在大紅山銅礦通風(fēng)管理過程中實(shí)際應(yīng)用，井下風(fēng)機(jī)由原來的97臺(tái)減少到84臺(tái)，裝機(jī)容量由原來的6 233 kW減少到目前的5 687 kW，目前風(fēng)機(jī)平均效率在80%以上。該方法的應(yīng)用明顯改善了大紅山銅礦井下的微氣候條件，并保證了風(fēng)機(jī)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)每年為礦山節(jié)約數(shù)百萬元通風(fēng)費(fèi)用，達(dá)到了良好的節(jié)能降耗效果，值得大力推廣應(yīng)用。

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