礦井主通風(fēng)機設(shè)備選型及其應(yīng)用效果分析

于小霞

（忻州市煤炭設(shè)計研究院， 山西 忻州 034000）

引言

礦井主通風(fēng)機的作用就是將礦井內(nèi)部有毒、有害氣體和粉塵及時排出，并向礦井內(nèi)輸送新鮮空氣以改善內(nèi)部環(huán)境[1-3]，如果通風(fēng)機系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)故障問題，就會對礦井安全構(gòu)成威脅[4]。另一方面，通風(fēng)機系統(tǒng)實際送風(fēng)量無法滿足礦井實際使用需要時，同樣會在一定程度上影響礦井工作環(huán)境和安全。尤其是對于高瓦斯礦井，對主通風(fēng)機的送風(fēng)能力提出了更高的要求[5]。因此，以高瓦斯礦井為例，對主通風(fēng)機的送風(fēng)量進行評估并對礦井主通風(fēng)機進行重新設(shè)計選型[6]，有效保證了礦井環(huán)境和安全。

1 礦井及主通風(fēng)機情況簡介

某煤礦礦井每年產(chǎn)量達到220 萬t。經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)礦井絕對瓦斯涌出量以及相對瓦斯涌出量分別達到了46.74 m3/min 和12.93 m3/t，經(jīng)過鑒定后認為礦井屬于高瓦斯礦井。為了確保煤礦井下安全，對礦井主通風(fēng)機提出了較高的要求。

該礦井使用的是離心式通風(fēng)機，具體型號為G4-73-11.25D，共準備有兩臺通風(fēng)機，其中一臺作為主用，一臺作為備用。每臺設(shè)備的功率為315 kW，額定轉(zhuǎn)速以及送風(fēng)量分別為730 r/min 和90 m3/s。實際運行過程中通過長時間的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該通風(fēng)機實際送風(fēng)量為78 m3/s。但根據(jù)瓦斯?jié)舛扔嬎憬Y(jié)果，認為該煤礦的送風(fēng)量不得低于94 m3/s。可以看出實際的送風(fēng)量低于需要的送風(fēng)量。這樣就容易導(dǎo)致產(chǎn)生以下問題：第一，煤礦掘進工作面長時間送風(fēng)量達不到使用要求，導(dǎo)致礦井內(nèi)部粉塵含量增多，作業(yè)環(huán)境惡劣，嚴重危害著礦井工作人員的身體健康；第二，送風(fēng)量不足，導(dǎo)致礦井內(nèi)部瓦斯?jié)舛染痈卟幌拢L時間處于高濃度狀態(tài)，甚至偶爾超過警戒濃度。礦井供電系統(tǒng)中配備了瓦斯電閉鎖，當(dāng)?shù)V井內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸^警戒線后就會觸發(fā)瓦斯電閉鎖，導(dǎo)致礦井?dāng)嚯姟φ麄€生產(chǎn)過程的連續(xù)性造成了非常不利的影響；第三，瓦斯?jié)舛忍撸嬖诒ǖ目赡苄裕瑢ΦV井安全構(gòu)成了嚴重威脅。

2 礦井主通風(fēng)機設(shè)備選型過程研究

2.1 礦井需要的最小通風(fēng)量

根據(jù)煤礦安全設(shè)計標準規(guī)范，基于煤礦井下同時工作人數(shù)最多、各用風(fēng)區(qū)域用風(fēng)量最多的工況條件進行計算。最終計算得到進風(fēng)量在通風(fēng)容易期間不得低于94 m3/s，通風(fēng)困難期間不得低于102 m3/s。

2.2 礦井風(fēng)阻計算

礦井通風(fēng)阻力可以基于下式進行計算：

式中：H 為礦井通風(fēng)阻力，Pa；h 為局部阻力，通常為通風(fēng)阻力H 的15%；α 為通風(fēng)過程中的摩擦系數(shù)；P、S 和L 分別為巷道斷面周長、面積以及巷道長度；Q為通風(fēng)量，本研究中送風(fēng)量分別為94 m3/s 和102 m3/s。

將煤礦巷道相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式可以計算得到，容易時期和困難時期的通風(fēng)阻力分別為2 244.36 Pa 和3 602.36 Pa。（本文中涉及到的部分參數(shù)及計算公式涉及到本單位的一些重要計算過程，且屬于公司的一項正在研究課題項目，尚未結(jié)束。考慮保護本單位的研究成果，故在本文中未對所有參數(shù)及計算過程進行詳細交待。文章第2.5 部分未給出計算內(nèi)容，同此。）

2.3 礦井等積孔面積計算

礦井等積孔面積計算公式如下：

將礦井在容易時期和困難時期的通風(fēng)量和通風(fēng)阻力分別代入到上述公式，可以計算得到通風(fēng)容易時期和困難時期對應(yīng)的等積孔面積分別為2.38 m2和2.03 m2。基于計算結(jié)果可以看出，不管是在困難時期還是容易時期，礦井等積孔面積均超過2 m2，表示礦井的通風(fēng)難易程度為中等偏容易。

2.4 通風(fēng)機風(fēng)量計算

在選擇通風(fēng)機風(fēng)量時，通常在煤礦實際需要風(fēng)量的基礎(chǔ)上進行計算。要求考慮通風(fēng)機工作時的漏風(fēng)問題，本研究中將漏風(fēng)系數(shù)設(shè)置為1.4，將漏風(fēng)系數(shù)乘以礦井需要的通風(fēng)量即為通風(fēng)機風(fēng)量。經(jīng)計算得到容易時期和困難時期通風(fēng)機風(fēng)量分別為131.6 m3/s 和142.8 m3/s。

2.5 通風(fēng)機所需風(fēng)壓

在計算通風(fēng)機所需風(fēng)壓時，在礦井計算風(fēng)壓的基礎(chǔ)上，同時還需要考慮礦井內(nèi)部環(huán)境因素對風(fēng)壓的影響，通常會對通風(fēng)機的風(fēng)壓造成一定損失。本研究將風(fēng)壓損失設(shè)置為250 Pa。可以計算得到在容易時期和困難時期通風(fēng)機所需風(fēng)壓分別為2 494.36 Pa和3 852.36 Pa。

2.6 主通風(fēng)機型號選擇及其工況點

基于以上分析，結(jié)合煤礦實際情況，最終選擇的通風(fēng)機為對旋軸流通風(fēng)機， 具體型號為FBCDZ-8-N227。同時設(shè)置兩臺通風(fēng)機，一臺作為主用，一臺作為備用。為了確保通風(fēng)機運行的可靠性，對每臺通風(fēng)機配備2 臺電動機， 型號為YB560M2-8。該型號通風(fēng)機的風(fēng)量和靜壓分別為220 m3/s 和1 900～5 400 Pa，額定的電壓、功率和轉(zhuǎn)速分別為6 kV、2×450 kW 和740 r/min。

等效網(wǎng)絡(luò)風(fēng)阻系數(shù)在通風(fēng)容易時期和困難時期分別取為0.144 1 和0.188 8，則對應(yīng)的等效網(wǎng)絡(luò)特征曲線分別為H=0.144 1Q2和H=0.188 8Q2。如圖1所示為FBCDZ-8-N227 型通風(fēng)機工作特征曲線圖。

3 通風(fēng)機配電和反風(fēng)措施

通風(fēng)機配套的電機為防爆電動機。由于更換設(shè)備使得對應(yīng)的功率值有了大幅度提升。導(dǎo)致煤礦井下變電所的供電能力無法滿足實際使用需要，因此還對煤礦井下變電所進行了技術(shù)改造，主要是對兩臺變壓器進行更換。考慮到通風(fēng)機的功率相對較大，如果通過直接硬啟動的方式存在一定困難，啟動過程會對供電電路產(chǎn)生不利的影響。最終設(shè)計的是通過變頻調(diào)速的方式實現(xiàn)通風(fēng)機的變頻軟啟動。通過這樣的措施，能夠降低啟動過程對供電電路造成的不良影響。

特殊情況下，主通風(fēng)機還必須能夠進行反風(fēng)，進行反風(fēng)運行過程中風(fēng)量不得低于正常工作時風(fēng)量的40%，所以進行反風(fēng)運行時其運行功率要比正常工作時的功率要小。一旦啟動反風(fēng)運行，通風(fēng)機能夠在10 min 以內(nèi)改變送風(fēng)方向。完全能夠滿足煤礦安全有關(guān)的規(guī)范標準。

圖1 FBCDZ-8-N227 型通風(fēng)機工作特征曲線圖

4 主通風(fēng)機設(shè)備選型應(yīng)用效果分析

4.1 礦井風(fēng)量增加效果分析

根據(jù)礦井實際情況對主通風(fēng)機進行更換。更換主通風(fēng)機前礦井總風(fēng)量為78 m3/s，通過更換主通風(fēng)機礦井總風(fēng)量達到了100 m3/s 左右，可見總風(fēng)量有了顯著提升，超過了最低標準94 m3/s。通過實際檢測發(fā)現(xiàn)各個工作面的風(fēng)速也有了一定程度的提高。更換主通風(fēng)機前，采煤工作面、掘進工作面和開拓工作面的風(fēng)速分別為1.3 m/s、0.7 m/s、0.4 m/s，在更換主通風(fēng)機后，對應(yīng)的風(fēng)速分別達到了2.1 m/s、1 m/s、0.6 m/s。礦井內(nèi)部溫度從更換前的26 ℃降低到更換后的23 ℃。礦井內(nèi)粉塵濃度顯著降低，井下工作人員工作環(huán)境得到顯著優(yōu)化。

4.2 礦井風(fēng)排瓦斯效果分析

更換主通風(fēng)機前，由于主通風(fēng)機通風(fēng)能力不足，礦井又屬于高瓦斯礦井。所以井下各工作面的瓦斯?jié)舛乳L期處在較高水平，偶爾還會超過警戒線。經(jīng)過實際檢測發(fā)現(xiàn)，更換主通風(fēng)機前掘進工作面、回風(fēng)巷口、開拓工作面的瓦斯?jié)舛确謩e長期處在0.6%～1%、0.8%～1.2%、0.2%～5%范圍內(nèi)發(fā)生變動。對礦井主通風(fēng)機進行更換后，上述三個區(qū)域的瓦斯?jié)舛确謩e長期在0.2%～0.6%、0.3%～0.7%、0.1%～0.3%范圍內(nèi)發(fā)生波動。

對比更換前后礦井內(nèi)部不同區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r可以看出，礦井內(nèi)部瓦斯?jié)舛冉档偷搅税踩秶詢?nèi)。根據(jù)煤礦安全規(guī)程中的要求，礦井內(nèi)部的瓦斯?jié)舛炔坏贸^1%。基于上述分析可知，本次對煤礦主通風(fēng)機進行更換，取得了非常好的應(yīng)用效果，在改善煤礦井下工作環(huán)境，確保煤礦安全方面發(fā)揮著重要作用。

5 結(jié)論

1）對礦井主通風(fēng)機進行更換后，基于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤礦井下各個區(qū)域的風(fēng)速有了顯著提升，送風(fēng)量完全能夠達到實際使用需要。

2）礦井瓦斯?jié)舛冉档偷搅税踩?guī)范標準中的合理范圍內(nèi)。通過更換礦井主通風(fēng)機顯著改善了礦井工作環(huán)境，并提升了礦井的安全系數(shù)。