某礦主通風機選型設計與應用研究

杜懿宇

（山西忻州神達集團南岔煤業有限責任公司，山西 忻州 036700）

引言

通風控制著礦井內部密閉空間內的空氣流動、數量和方向。雖然它不直接有助于生產階段的業務，但是缺乏適當的通風往往會導致工人效率低下、生產率下降和事故率增加。空氣不僅對呼吸是必要的，而且對分散化學和物理污染物（氣體、灰塵、熱量和濕度）也是必要的。礦井通風系統是地下采礦系統的重要組成部分。它們提供足夠的空氣來維持一個合適的工作環境。礦井通風系統應當是非常可靠的，因此，必須在整個礦井的使用壽命內定期維護[1]。在現實中，礦井通風系統偶爾會發生故障，這種故障會給礦井工人帶來潛在的風險。為了確保地下煤礦的安全和生產環境，良好的通風系統是強制要求的。主通風機的選型設計應使其在整個礦山生命周期內提供所需的空氣量，經濟運行的靜態效率一般不低于60%[2]。通過對礦井通風機技術適用性的分析和經濟分析，確保通風機的選擇具有長遠的目標，使礦井通風機全壽命運行的總成本最小。最終主通風機的風扇選擇取決于在研究風扇技術方面對礦井生產的安全保障。

1 主通風機選型設計方法簡介

1.1 層級分析法的核心要義

層次分析法（AHP）是一種多準則決策（MCDM）方法，它幫助決策者面對具有多個沖突和主觀準則的復雜問題（通風路徑、風扇大小、轉速等）。它是一種通過成對比較的測量理論，依靠專家的判斷來得出優先級范圍。層次分析法專注于將問題分解，然后將所有子問題的解集合成一個結論。它通過將感知、感覺、判斷和記憶組織成一個框架，展示影響決策的力量，從而促進決策的制定[3]。在層次分析法的第一步，決策問題被分解成一個層次結構與決策元素（如通風目標、安全準則、間歇性轉動方案）。從安全通風目標到安全執行標準，從次標準到最終的設計的通風選型方案，分解到通風機關鍵位置以執行。

為了建立層次分析模型，有必要確定影響選擇合適風扇的因素。在選擇最合適的風機時，確定了四個主要標準:技術、操作、環境和經濟，每個標準都有具體的子標準[4]。

1.2 選型設計特性曲線

礦井的空氣需求量根據通過礦井頂層的通風結構空氣表面泄漏量而確定，則必須根據全綜采工作面密封性質增加10%~30%[5]。在獲得與礦山工作面風阻有關的基本數據之后，繪制礦山風阻曲線。

礦山風阻曲線包括任何礦山作業期間所需的風機數量。在得到礦井風阻曲線后，從風機特性曲線選擇主通風機，以圖形方式表示壓力、效率和轉速與輸送能力的函數關系。這些風扇特性曲線和各種型號風扇的列線圖通常可以在各大通風機制造商的公告和其他銷售產品目錄中找到。風機特性曲線和礦井風阻曲線的交點稱為操作點。將風機特性曲線與礦井風阻曲線疊加得到工作點數后，如圖1所示。可以計算出主通風機風量為3522m3/min，負壓為1496Pa[6]。最后選擇多個廠家生產的主通風機制作選型設計表，保證選型后設備的安全性。

圖1 風機特性曲線示意圖

2 通風機選型考慮的因素

2.1 選型設計的安全預防保障

1）在任何情況下，風扇在其整個使用壽命的任何運行節點的效率不得低于60%。

2）任何階段的運行節點不得落在最高轉速0.9倍的左邊曲線。因為在這種情況下，風扇可能會進入不穩定或失速狀態。

3）礦井內克服空氣動力和摩擦阻力的壓降等于風扇產生的靜壓，而不等于總壓。因此，在總壓力對體積的性能曲線上擬合風扇值數據會給出錯誤的信息，從而導致錯誤的選擇。

4）風扇在其估計使用壽命期間的備用容量必須為最大計算風扇容積的20%或以上[7]。

2.2 經濟性因素

為了滿足礦井中特定的通風要求，可以從經濟的角度來比較多種通風機風扇，包括設備、安裝和整個使用壽命的總成本。總成本包括折舊成本、電力成本、貸款資本利息及營運成本（即維修及保養成本、故障成本及潤滑油、機油及油脂成本的總和）。

由于備用風扇裝置的所有設備費用與工作風扇裝置的費用相同，因此一般建議工作風扇應始終備有一臺備用風扇，通常每隔一個月運行一次。可如此評估工作風扇連續運行的通風成本，假設備用風扇只需在15年內運行1年，因此成本條件乘以一個系數(1+1/15)，以考慮備用風扇的成本。同時可以通過將每個運行點（效率）下降所增加的每年電力成本等同于每年固定電費的百分比乘以加權系數來計算。如果風扇運行能夠保證效率，那么每年的電費不會有較大的波動。

3 主通風選型設計效果分析

為了滿足礦井主要綜采工作面區域7 750 m3/min的需風量要求，一方面礦井需實施上述井下降阻措施，另一方面需要更換目前的G4-73-11№22D型離心式通風機。需要特別提出的是，綜采工作面南風井G4-73-11№25D型離心式通風機目前風量為4 420 m3/min，后期擔負的綜采工作面北翼采區風量降至1 000 m3/min，可通過降低電機轉速的方式進行調節，調整后風機曲線見圖2。

圖2 G4-73-11№25D風機裝置特性曲線

目前，軸流式通風機是更換離心式通風機的最佳途徑。選用GAF26.6-14-1與ANN2500-1250B兩種軸流式通風機時，井下各用風地點風量均能滿足要求。選用GAF26.6-14-1型主通風機時，風機風量7 430 m3/min，靜壓2 396.9 Pa，效率約80%，功率371 kW；選用豪頓ANN2500-1250B型主通風機時，風機風量7 452 m3/min，靜壓2 382.4 Pa，效率約85%，功率348 kW。同時，豪頓ANN2500-1250B型主通風機智能控制高，風機運行穩定，效率高。上述主通風機的選型設計能夠滿足實際工程需要。

4 結語

本文介紹了層次分析法在某地下煤礦通風機選型方案評價中的應用。與傳統的風機選擇方法不同，層次分析法能夠更科學地選擇最合適的通風機，保持通風機的完整性和客觀性。它也是一種靈活的方法，可以應用不同的評估標準和選擇方案。在通風機風扇選擇過程中，該方法易于理解，易于決策者應用。

通風機是采礦作業中的一項關鍵任務。為地下礦選擇合適的風機需要考慮許多標準，包括技術、操作、環境和經濟因素。這個選擇問題是基于安全性標準對替代通風機進行的比較。因此，有必要使用考慮多個標準的決策方法來解決這個問題。為此，本研究采用層次分析法作為選擇過程，并選擇合適的通風機。同時對礦井主通風機的選型方案進行實際工程應用的驗證分析，研究結果為礦井機械設備的選型優化設計研究提供了依據。