某煤礦礦井通風系統的設計計算

王學鋒

（山西晉煤集團陽城晉圣上孔煤業有限公司，山西 陽城048100）

礦井通風對煤礦安全生產具有重要影響，被形象地比作礦井的“肺”與“動脈”，合理的礦井通風系統的設計對保證通風系統的安全性、可靠性十分重要〔1〕。礦井通風系統的設計需要結合煤礦本身的特點，既滿足煤礦各地點風量、風壓的要求，還要提高空氣的質量，保證通風系統的安全性及經濟性。

在礦井通風系統的整體設計中，通風系統阻力的預估、通風機本體的設計以及通風系統的布局是三大重要方面〔2〕。本文針對某煤礦礦井的特點，先后完成礦井通風阻力的計算以及軸流通風機本體的設計，并選擇合適的通風布局方式，最終完成該煤礦通風系統的整體設計。

1 礦井通風阻力的計算

煤礦礦井通風系統阻力的計算對于了解通風系統的阻力特性及分布十分重要，也是通風機設計的必要基礎參數。以下簡介礦井通風風道系統阻力的主要計算過程。

1）空氣密度

式中：ρ為空氣密度，kg／m3；P0為測點的大氣壓力，Pa；ψ為空氣相對濕度，%；Psh為測點溫度為t℃時，空氣的絕對飽和水蒸汽壓力，Pa；t為空氣溫度，℃。

2）巷道斷面積和周長（半圓拱型）

式中：S為井巷斷面積，m2；B為巷道寬度，m；H為巷道高度，m；U為巷道周長，m。

3）平均風速

每測點取三次實際風速值的算術平均值，其校正公式為〔3〕：

式中：V真為表測風速，m／s；V表為表讀數，m／s；a，b為常數。

4）靜壓計算

式中：hs為礦井靜壓，Pa；ZA、ZB為兩測點的標高，m ；ρA、ρB為兩測點的空氣密度，kg／m3；g為重力加速度，取9.8m／s2。

5）動壓計算

式中：hd為測點的動壓，Pa。

6）兩測點間通風阻力（氣壓計逐點測定法）

式中：k＇、k"為氣壓計（Ⅰ、Ⅱ）的校正系數；h＇i、h＇j為氣壓計（I）在測點的讀數，Pa；h"i、h"j為測h＇i、h＇j時，氣壓計（Ⅱ）的讀數，Pa；Zi、Zj為測點i、j的標高，m；Pij為測點i、j空氣密度的平均值，kg／m3；g為重加速度，m／s2。

7）通風巷道總阻力

式中：htr為礦井通風總阻力，Pa。

根據上述計算過程分別計算不同通風巷道段的通風阻力，所有巷道段阻力之和即為整個通風系統的流道阻力。

2 礦井通風機的設計

在確定礦井通風風量、風壓、通風阻力后，就可以著手進行礦井通風機的設計。采用軸流對旋風機，設計過程中先對葉輪中間基元級進行計算，以確定葉柵效率，并將該效率作為整個葉片的效率進行設計計算〔4〕。完成圓周速度、圓周方向的速度分量clu、扭速△cu的計算后計算氣流角：

式中：θ1，θ2分別是葉柵進出口速度三角形中 β1，β2的余角。

確定葉片數后便可以確定柵距t和弦長b：

選擇的葉型一般為關于中心線的對稱葉型，一般需要沿中線進行彎折，大多使用單圓弧形。中線最大彎度為f%：

葉型安裝角：

確定各個柵面的安裝角，就可以計算各個柵面之間的相對扭轉角。中間柵面完成后再進行其它柵面的計算，從而完成單個葉片的造型設計。在考慮強度、安裝等要求后，最終完成兩級葉輪的設計（見圖1、圖2）。

圖1 前級葉輪設計

圖2 后級葉輪設計

3 通風系統的設計

目前礦井通風的組織方式有并列式、分列式、對角式、混合式等多種型式〔5〕，針對該煤礦的巷道特點，選用圖3（b）所示的對角式通風方式，這種方式安全出口多，風流單向流動路線短，同段阻力較小，礦井總風阻小〔6〕。

圖3 礦井通風方式

根據該煤礦的實際特點，在完成通風機葉輪設計的基礎上，完成進風筒、擴散器等通流部件的設計后，最終完成該礦井通風系統的整體設計（見圖4）。

圖4 通風系統整體

4 結語

針對某煤礦礦井的實際情況，選擇合理的礦井通風方式，完成了通風系統的阻力計算以及通風機葉輪及主要通流部件的設計，最終完成該礦井通風系統的整體設計，所采用的設計計算方法對同類型礦井通風系統的設計具有參考意義。

〔1〕李慶宜.通風機〔M〕.北京：機械工業出版社，1981.

〔2〕朱之墀，李 蒿，黃東濤.高效、低噪風機現代設計方法和風機噪聲預估〔J〕.通用機械，2005，3：25－30.

〔3〕張立祥，丁維龍，潘地林.GAF型主通風機裝置性能現場測試方法〔J〕.煤礦機械，2000（5）：16－18.

〔4〕G.D.Thiart，T.W.von Backstrom.Numerical simulation of the flow field near an axial flow fan operating under distorted inflow conditions〔J〕.Journal of Wind Engineering and Industrial，1993，45：189－214.

〔5〕王維斌.對旋式通風機全流場內壓力脈動及氣動噪聲特性的數值研究〔D〕.青島：山東科技大學，2009.

〔6〕李劍峰.通風機葉片角度調整及礦井通風系統優化〔J〕.煤礦機械，2011（8）：46－48.