礦井通風系統優化設計與應用分析

馬正騰

（湖南漣邵建設工程（集團）有限責任公司，湖南 婁底 417000）

在激烈的市場競爭中，礦山企業要想提高企業效益，節能是重要途徑之一。資源開采依靠大量大功率機械設備，每年需要消耗大量電能，利用節能技術可以較為顯著地降低設備耗電量，提高企業效益。而且資源開采使用的機械設備一般比較昂貴，利用變頻技術可以改善某些設備的使用工況，提高設備使用壽命，進一步為資源節約增效。可以說，變頻技術對于現代礦產資源的安全生產、企業經濟效益有著重要意義。

1 井下通風系統的基本特點

井下通風系統的建立主要是為了保證資源能夠進行安全生產，近年來，隨著資源逐漸向深部開采，采深不斷增加，開采的地質條件越來越復雜，周圍的環境也越來越惡劣，壓力增加以及溫度升高，使得有害氣體涌出，若要保證開采安全，必須對通風系統進行優化加強。當前礦井的通風系統具有復雜性和動態性兩個特點，復雜性體現在通風系統復雜，一般在大型的礦井中，通風系統的用風點有時可達幾十個，網絡節點達到五百個以上，另外，復雜的地質環境也使布置通風系統時更加復雜。通風系統實際運行時，又會受到多種因素的影響。動態性指的是由于礦井生產的需要而使通風系統結構不斷變更。這兩個特性導致通風系統運行時易受影響，本文這些影響簡要歸類，并提出對應的解決措施。

2 變頻調速技術的優勢

使用變頻技術前的風量調節方式：一般來說，礦井主扇風機進行調節時，可更改風機的性能曲線，或者更改管網熱性曲線，也可以是兩者互相結合。以往用調節風量、調節轉速等調節風門的方式調節風量造成資源浪費嚴重。在使用變頻技術前，無論是離心式風機或是軸流式風機，在調整風量時候都很費時費力，大多是調節風門改變風進斷面尺寸或者改變葉片角度等方式調節風量。使用變頻技術后的優勢：使用變頻器后，只需要調整頻率就可以調整礦井風量，提升了礦井的安全性。變頻器即“VVVF”也叫做“交－直－交”變頻調速器，在礦井主扇風機中用變頻調速器能達到顯著的節能降耗效果，提高風機的可靠性。使用變頻調速器有以下優點：①電機轉速能實現無極調速；②能使功率提高到99%；③轉矩補償功能完全，在保持電壓常數的情況下，可以不降低電源頻率，避免電磁爐過于飽和及電機負載下降，防止功率變弱；④變頻調速器的自身保護功能完備；⑤使用變頻調速器后，電機可直接啟動風機，啟動電流應不超過額定電流的兩倍。

3 通風系統評價指標

井下通風系統的主要指標分為以下幾類，第一，系統風壓。井下開采環境中的風壓越高，越容易出現問題，尤其是漏風的出現，從而降低整個體系的安全性，還可能會引發一系列的安全事故。第二、系統阻力。系統阻力可以通過計算而得出。第三、系統風機的數量。系統風機一般情況下是配備兩臺，但是具體數量也要結合實際情況來確定。備用機的存在是必須的，相關的檢查維修工作也是必不可少的，這樣可以極大的預防因設備問題而產生的安全事故的發生。第四、風機發生故障率。相關工作人員可以對風機的發生故障率進行統計和計算，從而可以得到相關的參數，一旦這個數值超出了正常范圍，就表明在運作流程中存在著引發安全事故的因素。第五、風扇運轉停止的次數。相關工作人員要仔細觀察風扇的運轉情況，只有這樣才能確保風扇的正常運行。第六、外部相關漏風程度。漏風情況存在于整個通風體系的外部，但是這個問題也是極其重要的，一定要對其進行相關的檢查工作，加強對其重視程度。而且要結合實際情況，計算相關的系統漏風率，從而可以得到通風系統的整個漏風情況。第七、平穩運行工作。風機在實際操作過程中，其運行狀態不符合標準。第八、系統安全的運行。整個礦井體系內部的通風情況是非常繁雜的，其形式不利于通風工作的進行，不利于抵御安全事故的發生。

4 分析優化礦井通風系統設計

4.1 變頻調速器的選型

合理選擇變頻調速器的必要性：高質量的變頻調速器控制變頻的自動化程度較高，不僅可以改變電源頻率，其輔助功能水準也很高；可以實現近控或是遠控，能將其他參數變化通過傳感器實現自動控制，直到電腦程序的控制終端。一般來說，變頻調速器的水準越高價格越貴，所以在滿足井下正常通風和反風需要的前提下，選擇變頻調速器應考慮經濟合理性。選擇變頻調速器的原則：主扇風機安裝就位后，風量調整大多采用調節垂直風門、改變風阻，在選好變頻調速器后，主扇風機風門全開，按電機轉速來調整風量大小。在風機正常工作，通風系統完好，井下風路無變化，風量、風壓變化小時，主扇風機可以穩定運行，所需輔助功能少，應優先選擇能滿足電機基本保護需要的變頻調速器。以往按照電機運行容量來選擇同等容量的變頻調速器，這種方法是不恰當的。而選擇變頻調速器第一點就是要考慮它能否適應存在富余風量礦井的主扇風機；變頻調速器不需在基頻狀況下工作時，如選擇基頻電機功率的變頻調速器，會增加投資負擔。

4.2 改造技能原理的有效落實

在礦山企業主扇風機節能改造中應用變頻技術，取得了良好的節能效果，充分發揮了變頻技術在井下主扇風機節能改造中的作用和價值。對于變頻技術在井下主扇風機中的安裝和利用，通過對流體傳輸裝置分機的實際研究和分析，找到其基本原理。經過分析可知，風機的風量、轉速與風機的運行成正比；風機承受的壓力、風機轉速的平方與風機運行也成正比。通過對礦山企業主扇風機實際工作情況的分析，也就是流量與壓力的乘積，即實際工作過程中呈現出的軸功率值，可以計算得出風機自身的軸功率與風機轉速的三次方之間也成正比。所以，根據以上分析結果可知，風機在具體的運行過程中，要想不斷完善和優化轉速，就要采取有針對性的措施，保障它在正常的運行中功率隨著情況的不同發生相應的改變。因此，在實際工作中，要適當調整變頻設備在運行過程中的轉速，不斷優化和完善礦山企業礦井內部的風量，充分發揮變頻技術在礦山企業主扇風機節能改造中的作用。

4.3 對原配液耦和水阻的處理

在利用高壓變頻器進行風機的改造時，可根據風機轉子結構的不同選擇適合的安裝方式。采用繞線式電機轉子的風機，可采用將轉子短接的方式，使轉子的滑環中不通過電流，降低了轉子因電流過大而燒毀的概率；而對于采用液力耦合器風機，可利用與之規格相近的聯軸器代替液力耦合器，在實際安裝高壓變頻器時，僅需將原先的液力耦合器拆除后安裝制定的聯軸器即可完成工作。這種安裝方式對風機電機以及其他部分的改動幅度較小，安裝的成本較低，對風機運行的調試也更加方便。一般的風機在安裝高壓變頻器后應當調整轉子與液力耦合器，但對于高溫風機來說，可以依舊采用轉子與液力耦合器作為后備手段，當高壓變頻器出現問題時，可以作為確保風機在工頻狀態下運行的條件。

4.4 高壓變頻器的諧波干擾

輸入高壓變頻器中的電流往往帶有諧波，而這些諧波如果不加處理，可能會對變頻器造成干擾，如果輸入變頻器的電流諧波過大，可能造成供電系統的繼電保護裝置的誤動作，導致大面積停電；對生產區域內的其他電子設備造成影響，使計算機之類的電子設備無法正常工作，干擾生產作業的進行；使電容、電動機等電氣設備產生諧波效應，增大其功耗，浪費電能或導致元器件因過熱損壞等，因此在應用高壓變頻器時，必須嚴格控制輸入電流的諧波。對于輸入變頻器的電流，應當保證其穩態總諧波含量不超過10%，奇次諧波不超過5%，偶次則不超過2%。同時，對高壓變頻器的控制線接地，在布線是注意相鄰線路間的距離不要過小，對于靠近儀表等電子元件的線路應當加裝屏蔽線等。

4.5 進巷道通風優化

掘進工作面爆破后產生的炮煙有害于人的身體健康因此掘進工作面的通風任務就是及時降低炮煙質量分數。其中，掘進工作面的需風量Q 按照壓入式通風計算，計算公式為：

其中，t 為通風時間，一般取20min；G 為炸藥量，kg；b 為炸藥產生的CO 當量，L/kg；S 為巷道斷面面積，m2；L 為掘進深度，m；p 為進出風比；Cp 為CO 的允許體積分數%。

目前，井下開采一般為“一采兩掘”模式，其中，如在對某107 輔運順槽采掘工作面需風量進行估算時，發現存在通風不足的情況，為了稀釋和排出的有害氣體和爆破產生的炮煙和礦塵，保證良好的通風作業環境，需要對掘進巷道的通風進行優化設計。本文通過采用平行巷道的方式，即掘進主巷道的同時，掘一條與之平行的輔助巷道，兩條巷道每間隔50m 開掘一條聯絡巷。通風時，風壓使風流從掘進巷道流入，通過平行輔助巷道流出。在聯絡巷前端利用風筒導風，通過設置的閘門可以控制工作面的風量，在巷道掘進一定距離后，需要開掘新的聯絡巷，同時關閉舊的聯絡巷。

5 結束語

變頻技術在資源開采中已經被普遍應用，且發揮著不可替代的作用，不僅能夠提高設備的性能和工作穩定性，而且可以實現節能增效。變頻技術在風機上的應用，不僅可以提高設備性能，而且可以提高設備的使用壽命，降低設備的故障率，對于礦山企業提高經濟效益、保障采礦活動安全生產均有著重要作用。