常峪鐵礦節能通風自動化改造及應用

齊朝鵬 張小濤 羅業民 李成斌 王寶文 楊 闖

(河北鋼鐵集團灤縣常峪鐵礦有限公司)

近年來，隨著礦山開采深度和強度的加大，因礦井通風不良造成的中毒窒息事故屢有發生，嚴重影響了礦山安全生產，造成了巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。因此，礦山一般都會采取加大礦井通風系統通風量的措施來保障安全生產。但加大礦井通風系統通風量就會不可避免地加大通風能耗，由此形成了安全與節能不可避免的矛盾。通過大量調查資料顯示，礦井通風系統是礦山耗電量最大的生產系統之一，占礦山總耗電量20%～45%。同時由于設計和技術局限，礦井通風系統各形式風機全天候處于額定功率運轉，在許多時間處于過度通風狀態，存在著相當大的電能浪費。而在保障安全生產的前提下，礦井實際需風量卻是隨著工作場所、生產工藝和作業時間的變動而變化的。因此，礦井通風系統蘊含著巨大的節能空間。

常峪鐵礦設計達產500萬t/a的風機額定功率為3 320 kW，若按照額定功率運轉，年通風能耗成本約18 904 080元(0.65元/kWh為不分時工業電價)，即每生產1 t礦石通風能耗成本約為3.78元。此費用還未包含人工費用、風機采購費用、維護保養費用。若再考慮前期未達產500萬t/a，通風能耗成本更高。因此，開展節能通風自動化研究具有重要意義。隨著科技的發展，節能通風自動化控制技術、風機變頻技術得到大規模應用，這為常峪鐵礦節能通風自動化研究提供了條件。

1 常峪鐵礦通風系統簡介

常峪鐵礦設計采用單翼對角式通風系統，多級機站通風方式。

無軌出礦、鑿巖水平新鮮風流自進風井、副井進入井下，經石門、中段運輸平巷、無軌沿脈或穿脈巷道、天井聯絡道、天井進入需風工作面，污風經礦塊回風天井、回風平巷、回風井排往地表。

有軌運輸水平新鮮風流經進風井進入井下，經上、下盤運輸巷道到達回風天井聯絡道，經回風天井、回風平巷、回風井排出地表。

破碎硐室新鮮風流經副井進入破碎硐室、皮帶道、粉礦清理水平，經破碎系統人行天井進入到-300 m 回風水平，通過回風巷道、回風井排出地表。

通風系統示意見圖1。

2 風流線路改造及風門安裝

為有效提高井下通風效率，減少通風短路，規劃各中段詳細通風線路，需要設計風門等調風措施。

2.1 -350及-400 m水平

新鮮風流在Ⅰ級機站風機作用下進入-350及-400 m 水平，經上盤沿脈、穿脈自北向南流經各用風地點，礦房污風直接在礦房內回風至上一水平，在Ⅱ級機站風機作用下至300總回風水平，所有污風在Ⅲ級機站風機作用下排至地表。Ⅰ級機站風機設置于進風井、副井石門。同時在下盤沿脈至進風井聯絡道設置永久風門，阻止新鮮風流短路直接進入下盤沿脈。見圖2。

2.2 -300 m水平

-300 m水平作為總回風水平，破碎及采切污風全部由回風天井排至-300 m水平。

圖1 通風系統示意

圖2 -350及-400 m水平通風風流線路規劃及風門安裝

Ⅱ級機站風機設置于各回風天井聯絡道，Ⅲ級機站風機設置于回風井石門,分別在進風井石門、副井石門、斜坡道聯絡道安裝永久風門防止風流短路,9#天井風機為Ⅱ級臨時輔助風機。如圖3。

圖3 -300 m水平通風風流線路規劃及風門安裝

3 風機變頻節能通風改造

3.1 改造前提

采用風機變頻技術的關鍵是井下需風量是否存在較大波動，而井下需風量與生產計劃息息相關，因此,先分析生產計劃中各項生產工作的需風量。主要用風作業為掘進及回采工作，而運輸及破碎工作為次要用風作業。根據生產特點，運輸及破碎為連續性生產作業，是固定風量作業，因此，其服務主扇無需安裝變頻器。掘進及回采多為間歇性生產作業，其需風量隨作業面數量增加而增大，且存在間隔穿插作業，即掘進鑿巖、爆破、出礦并不同時進行(同一工作面)，其服務主扇存在安裝變頻器調節風量的可行性。

在礦房后形成采礦生產作業面，爆破與鑿巖、出礦等作業不同時進行。爆破作業污風危害大，需要高風速、大風量快速排出礦房內的炮煙污風，有助于提高生產效率與安全。鑿巖、出礦作業僅需滿足職業衛生排塵風速及各種車輛排放尾氣所需要的風量，即出礦作業需風量較爆破少。就作業時間而言，爆破作業時間較短，即大風量需要時間相對較短(圖4)。通過安裝風機變頻器，在爆破作業時提高風機功率快速排出炮煙污風，在出礦作業時降低風機功率滿足職業衛生及生產安全即可。

圖4 每日單個礦房實際需風量與時間關系

常峪鐵礦井下開采最大需風量根據生產計劃隨著開采時間變化，見圖5。可以看出，投產、達產、減產3個階段需風量有較大變化，而且達產階段由于檢修、檢查等因素并不一定完全按照設計規定的井下最大需風量來供風，同樣需要進行風機變頻調節。

圖5 井下最大需風量與時間關系

因此，風機變頻控制與生產計劃實際相結合，根據實際需風量進行變頻調節，可有效減少風機能耗，降低生產成本。

3.2 達產情況風機變頻節能通風應用

3.2.1 礦井最大需風量計算與分析

礦井需風量以柴油設備等需風量、排塵需風量、爆破排煙需風量3項分別計算，需風量為機械設備需風量130 m3/s，排塵需風量196.95 m3/s，爆破排煙需風量302.9 m3/s。經過對比可見，爆破排煙需風量最大，而排塵需風量大于機械設備需風量。井下大部分系統都改造為無人值守，人員需風量較少，不再另行計算。

通過對河鋼集團司家營地下礦、石人溝鐵礦的考察，根據生產計劃安排，兩礦通風計劃，全部都在爆破作業期間按照爆破排煙需風量使風機滿功率運轉2～3 h，鑿巖、出礦作業期間按照排塵需風量降低風機運轉功率21～22 h。

因此，考慮礦井通風系統設計與通風效率，常峪鐵礦在爆破作業期間采用最大的爆破排煙需風量(302.9 m3/s)通風2 h，在鑿巖、出礦作業期間采用排塵需風量(196.95 m3/s)通風22 h,每日礦井實際需風量與時間關系見圖6。

圖6 每日礦井實際需風量與時間關系

3.2.2 通風能耗成本計算與經濟性比較

若不采用變頻風機，則每天按照爆破排煙需風量、風機額定功率(3 320 kW)運行計算，每天通風能耗成本為51 792元(0.65元/kWh為不分時工業電價)，每年為18 904 080元，每噸礦通風能耗成本約3.78元。

若采用變頻風機，則每天按照爆破排煙需風量2 h、排塵需風量22 h計算，即風機額定功率(3 320 kW)運行2 h，變頻降低功率(2 200 kW)運行22 h，每天通風能耗成本為35 776元，每年為13 058 240元，每噸礦通風能耗成本為2.61元。

采用變頻風機的經濟性比較見表1。可知，采用變頻風機比不采用變頻風機可每天節省通風能耗成本16 016元，每年節省5 845 840元，每噸礦節省通風能耗成本為1.17元。因此，采用變頻風機進行節能通風十分必要。

表1 變頻風機經濟性比較

4 結 語

常峪鐵礦通過礦井通風網絡優化，科學合理地規劃了井下風流線路，有效提高了礦井通風效率，同時將變頻自動化技術應用于礦井通風系統，顯著降低了風機能耗，節能作用良好，每年可節省通風能耗成本約584萬元，每噸礦石生產成本降低1.17元，創造了良好的經濟效益和社會效益，具有很好的推廣應用價值。