煤礦局部通風機的選型與工況調節研究

朱豫西

（西山煤電西曲礦通風科技術組，山西 古交 030200）

引言

煤炭行業是全社會公認的高危行業，提高開采過程的安全性是煤礦企業的重要課題。在煤炭開采過程中，瓦斯爆炸引起的人員傷亡和生產事故占到了很大的比例。工作面掘進過程中，煤層中被釋放的瓦斯、爆破作業產生的礦塵、以及各種設備產生高溫聚集在一起，極易發生爆炸事故。局部通風機向工作面輸入新鮮空氣，抽出污濁空氣，是保障工作面工作環境的重要設備。可供局部通風機選擇的布置方式有多種，不同布置方式的通風效率、成本、安全性等方面具有不同的特點，從而適用于不同環境的采煤巷道。隨著掘進面的推進和巷道瓦斯濃度的變化，局部通風機的運行工況點是不斷變化的，因此帶來了運行的經濟性問題。因此，結合《煤礦安全規程》的相關規定[1-2]，對局部通風機的選型與工況調節進行研究。

1 局部通風機通風方式

煤礦新擴建采區和工作面時需要開掘長距離巷道，在此過程中巖層中的瓦斯會被釋放出來，爆破作業形成的礦塵也會充斥在巷道中，威脅巷道內工作人員的人身安全。掘進過程中可采用局部通風或掘進通風的方式向巷道輸送新鮮空氣，掘進通風有引射器法、全風壓法和局部通風機法。局部通風機利用電機帶動葉輪轉動將新鮮空氣送到掘進工作面，按照抽風和壓風的布局方式可分為三種類型。

1）壓入式通風。如圖1-1所示，局部通風機被安裝在距離煤礦掘進工作面巷道進風側10 m以外，通風機將新鮮空氣壓入風筒，風筒出風口向掘進面輸送新鮮空氣，氣流在形成有限貼壁射流后折返，將污濁空氣帶出巷道。壓入式通風具有安全性高、排塵效率高、風筒材質要求低的特點，適合用于以瓦斯為主要排出物的巷道中。

2）抽出式通風。如圖1-2所示，局部通風機被安裝在距離煤礦掘進工作面巷道出風側10 m以外，通風機從風筒內抽取污濁氣流，風筒進風口安裝在巷道工作面處，污濁空氣從此處被抽入風筒，形成低氣壓區，新鮮空氣在此氣壓差下被抽入巷道。抽出式通風具有排塵效率高、衛生條件好的特點，適合用于以礦塵為主要排出物的巷道中。由于抽出式通風具有一定的有效吸程，在瓦斯風流等環境中容易引起爆炸，因此不適用于瓦斯濃度高的煤礦[3]。

3）混合式通風。如圖1-3、1-4所示，混合式通風是將壓入式和抽出式結合起來，在巷道口和工作面分別采用兩種通風方式，新鮮空氣采用壓入式通風送入工作面，污濁空氣采用抽出式通風抽出巷道。巷道口采用風筒較長的壓入式通風，工作面采用風筒較短的抽出式通風，被稱為長壓短抽式混合通風，相應地巷道口采用風筒較長的抽出式通風，工作面采用風筒較短的壓入式通風，被稱為長抽短壓式混合通風。混合式通風具有效率高、耗電大、成本高的特點，常用于大斷面掘進巷道中。

圖1 局部通風機通風方式

2 局部通風機的選型

2.1 掘進工作面風量的計算

《煤礦安全規程》對于工作巷道的粉塵含量、風流速度和溫度等環境因素做了明確的規定，在設計局部通風系統時首先進行風量計算。風量計算由三部分組成：排出炮煙所需風量、排出瓦斯所需風量和排出礦塵所需風量[4-5]。

2.2 通風系統阻力的計算

計算出工作面風量后，還需要計算通風系統的阻力。通風系統的阻力指的是風筒對風的摩擦力，摩擦力大小與阻力系數α、巷道通風長度L、風量Q的2次方成正比，與風筒直徑的5次方成反比。不同材質和形狀的風筒阻力系數差別很大，難以根據理論計算，常用的金屬風筒、玻璃鋼風筒和膠布風筒可根據阻力系數表查閱。

2.3 局部通風機的選型

1）對旋式局部通風機。常用的局部通風機有FBD系列和2BKJ系列，FBD系列通風機風壓高、效率高、負載合理、調試方便。2BKJ系列通風機噪音低、風壓高、體積小、反風效果佳，在瓦斯和煤塵濃度高的礦井中應用廣泛。

2）離心式局部通風機。DF系列為代表的離心式通風機利用葉輪高速旋轉形成的離心力產生真空，氣體在此壓差下被壓入葉輪。離心式通風機反風效率低，較少應用于掘進工作面。

2.4 風筒的選擇

根據通風機型號選擇風筒的材質和直徑，風筒的直徑根據通風距離和掘進面風量需求確定，直徑越大的風筒風阻和耗電量也越小。

3 通風機工況點的調節

由于掘進工作面推進、瓦斯濃度變化等原因，局部通風機的運行工況不是一成不變的，完成通風機和風筒的計算、選型和設計后，為了使通風機運行更加經濟，需采取調節措施保證通風機運行在最佳工況點。

3.1 改變管網特性

通風機運行工況點即是管網特性曲線和風機特性曲線的交點，通過改變風筒閥門的開度大小可以改變管網特性曲線的斜率，如圖2所示，原管網特性曲線R1與風機特性曲線的交點為A點，閥門開度變小后管網特性曲線R2與風機特性曲線的交點為B點，工況點的風量變小風壓變大。類似地，閥門開度增大后工況點C的風量變大風壓變小。

圖2 管網特性對風機工況點的影響

3.2 改變風機性能

改變風機的速度、葉輪外徑和切換葉輪單雙級可以改變風機的特性曲線，從而改變風機的工況點。風機的轉速改變，則風量、全壓和功率等參數均會跟隨變化，對于同種型號的風機而言，其變化規律是相似的，稱之為相似定律。目前變頻調速技術發展迅速，通過變頻器改變風機供電頻率，可實現風機無級調速。如圖3-1所示，M1、M2、M3分別對應不同頻率供電方式下的風機特性曲線。M1供電頻率為50 Hz，M2供電頻率為40 Hz，M3供電頻率為30 Hz，由圖可知，隨著供電頻率下降，風機轉速下降，則風機特性曲線下移，對于特定管網而言，風機的工況點向原點移動，風量和風壓均減小。葉輪的外徑對風機特性曲線也有顯著影響，如圖3-2所示[6-7]，切削縮小葉輪外徑不產生多余的能量消耗，但是這種方式的缺點也很明顯，切削葉輪需要成本支出，并且此項工作需要風機停機，影響掘進面工作效率，切削量需要嚴格計算，若切削量不準確將降低風機的效率。對旋式通風機可通過葉輪單雙級運行調節風壓，管網阻力較小時采用一級葉輪工作，此時風壓為雙級對旋同時工作的30%～60%，管網阻力增大后啟用雙級葉輪工作。除了上述方式改變風機性能，也有煤礦采用調節風機葉片夾角的方式調節風機性能曲線，但是存在不穩定的工況，因此較為少用。

圖3 風機性能對風機工況點的影響

4 結語

局部通風機的布置方式有抽出式、壓入式和混合式，長壓短抽或長抽短壓混合式通風兼具兩者的優點，為了提高掘進工作面的安全性，特別是在大斷面的巷道中適合采用此種通風方式。掘進面通風系統設計過程包括風量風壓計算、阻力計算、風機選型和風筒選型等步驟。為了使風機運行在最佳工況點，可采用改變管網性能和改變風機性能的方式調節特性曲線，使風機運行更加經濟合理，提高風機的使用壽命，減少風機的電量消耗。

（編輯：王慧芳）