風網解算下的多級機站設置與風機優選研究

周 偉 吳冷峻 周選陽 王 濤 賈敏濤 謝 輝

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000;3.安徽省廬江龍橋礦業有限公司,安徽 廬江 231500)

金屬非金屬礦山開采進行到深部時,礦石品位的變化使得采場及中段分布發生較大改變,因此要求其通風系統具有靈活可調特性[1-2]。傳統的主扇通風系統在遇到開采計劃變動時,一般通過調高風機運行頻率,增大井下風量來適應開采的變化[3-4]。開采中段變化,采空區或采場來不及實施封堵時,增大風量會使系統漏風量增大,風阻增大,用風地點分配風量減小,系統有效風量率反而降低[5-6]。多級機站通風系統在井下分散布置進風機站和回風機站,實現采空區或巷道風壓平衡,能在不降低總風量的前提下顯著減小漏風量,實現各中段風量的合理分配[7-8]。

20世紀80年代,馬鞍山礦山研究院率先在梅山鐵礦展開多級機站通風研究[9]。隨后通過多年的現場試驗與總結分析,發現多級機站的機站級數、布置位置、風機類型和數量等參數將影響系統通風效果[10-11]。賴明照等[12]研究并總結了多級機站多臺風機聯合作業風機選型規律,并開發了礦井通風三維仿真系統輔助多級機站風機選型。吳冷峻等[13]通過對梅山鐵礦和冬瓜山銅礦多級機站通風系統進行優化研究后,系統的漏風率由20%與50%降低至11%。黃應盟[14]采用計算機Ventsim軟件解算了某硫化礦深部復雜通風網絡,并利用多級機站通風方式優化了深部通風系統,多級機站通風系統布置方式有效解決了該礦深部通風量不足和高溫問題。遲豐茂等[15]、桑軍勝等[16]在焦家金礦應用三級機站通風方式有效解決了系統存在的明顯漏風問題,使得新的通風系統總風量達到設計要求。

近年來對于多級機站通風系統的研究主要集中于主要機站位置布置、漏風風量控制以及井下風壓分布[17-20],有關采區輔扇對井下各中段風流的調控作用研究涉及較少。為此,本研究以龍橋鐵礦通風系統為例,利用Ventsim軟件建立主—輔扇通風系統和多級機站通風系統,解算了兩種通風系統下各巷道及采場風量,并優化了多級機站風機選型,取得較好的通風效果。

1 龍橋鐵礦通風系統概況

龍橋鐵礦設計采用兩翼對角抽出式通風系統,進風井和副井進風,東風井和西風井回風,設計風量為360 m3/s。東、西風井分別設置回風機站,東風井安裝DK(BIV)-8-№27型軸流式風機1臺,功率220×2 kW,回風量為110～118 m3/s;西風井安裝 DK-10-№34型軸流式風機1臺,功率450×2 kW,回風量為230～245 m3/s。

由于東、西回風井回風機站風機長時間運行,風機性能有所下降,系統總風量達不到設計要求,加之采場設輔扇進行通風,輔扇設置及選型不合理,中段通風效果不理想。為此,本研究采用Ventsim計算機通風網絡解算技術對龍橋鐵礦通風系統進行分析,以確定合適的通風系統并對風機進行優選。

2 通風系統模型

2.1 通風網絡構建

通過對龍橋鐵礦井下通風工程與采場等用風地點分布的調查,繪制了龍橋鐵礦通風系統圖,并將其導入三維可視化通風網絡計算軟件Ventsim中,得到礦山通風系統解算幾何模型,通過并點、并邊操作最終得出的礦山通風網絡如圖1所示。

圖1 龍橋鐵礦通風網絡Fig.1 Ventilation network of Longqiao Iron Mine

將各個中段的通風巷道、用風場所等效成一條分支,建立反應礦井進風和回風的通風網絡。進風通道為斜坡道、進風井和副井,其中進風井為中深部主要進風通道?；仫L有東風井和西風井,其中-320 m中段回采結束,承擔整個礦區的回風。

2.2 風網解算基本原理

通風網絡由N條巷道、J個節點和M個網孔構成。為解算出N條巷道的風量,需建立N個獨立方程。M個網孔根據風壓平衡方程建立M個獨立方程,J個節點建立J-1個方程,滿足N=M+J-1。

M個網孔風壓平衡方程為

式中,H為風壓,Pa;aij為網孔分支風向系數;aij=1時,j分支巷的網孔風向與原設風向相同,j分支不包含于第i網孔中;aij=-1時,j分支巷的網孔風向與原設風向相反;Rj為j分支巷的風阻,N·s2/m8;Qj為第j分支的風量,m3/s;HNj為j分支巷的自然風壓,Pa;Hfj為j分支巷的風機風壓,Pa。

N條巷道的風量平衡定律可用下式表示:

式中,bkj為節點流向系數;bkj=1時,k節點是j分路端點且風流流入k節點;bkj=-1時,k節點是j分路端點且風流流出k節點;bkj=0時,k節點不是j分路的端點。

由于風壓平衡方程為非線性的,本研究采用Hard-Coss迭代法對每個網孔的風量進行校正,公式為

式中,ΔQi、ΔQ(1)i為i網孔初始風量和風量修正值,m3/s;dHfj/dQj為風機曲線斜率;Qj(0)為i網孔j分路初始風量或上次迭代風量,m3/s;Qj(1)為修正后的j網孔風量,m3/s;aj為修正系數。

各個網孔逐次、逐輪次迭代計算,直至某輪計算中各ΔQi值小于設定的誤差值時,認為計算收斂。

2.3 解算參數設定

風網解算需預設各巷道的風阻值及某段巷道初始風量值。通過對井下各種類型井巷規格和典型巷道通風阻力的調查與數據整理,建立了井巷風阻原始數據、網絡節點分支原始數據、風機參數原始數據、機站參數原始數據等通風網絡數據庫,主要預設參數見表1,巷道風量與風壓求解精度設定為ε<0.1。

表1 風網解算主要井巷預設參數Table 1 Wind network solve main roadway preset parameters

3 通風系統優選

3.1 通風方案設計

根據井下開拓布局和采場分布,分別設計主—輔扇通風系統與多級機站通風系統。主—輔扇通風系統是指在東風井和西風井分別設置兩個主回風機站。東風井回風機站選擇DK(BIV)-8-№27型軸流式風機1臺,功率220×2 kW,設計風量138m3/s。西風井回風機站選擇DK-10-№34型軸流式風機1臺,功率450×2 kW,設計風量234 m3/s。輔扇設置與多級機站Ⅱ級和Ⅲ級機站風機布置一致。

進風井不承擔提升作業,設計多級機站通風系統。系統設4級機站,Ⅰ級為總進風機站,Ⅱ級為采場進風機站,Ⅲ級為采場回風機站,Ⅳ級為總回風機站,機站具體布置見表2。

表2 龍橋鐵礦4級機站布置Table 2 Layout of the fourth-level station of Longqiao Iron Mine

3.2 風網解算結果分析

主—輔扇通風系統主回風機站風機風網解算結果見表3。由表3可知:兩臺對旋風機滿頻率(50 Hz)運行時,東風井回風量為121.58 m3/s,實耗功率352.26 kW,西風井回風量為243.36 m3/s,實耗功率656.95 kW,系統總回風量為364.94 m3/s,實耗總功率為1 009.21 kW。

龍橋鐵礦通風系統優化前采用主輔扇通風,多年的現場實測數據表明,東風井回風量為 110～118 m3/s,西風井回風量為230～245 m3/s,與風網解算結果一致,驗證了本研究風網解算結果的可靠性。

多級機站通風系統風網解算后主進風和主回風機站風機運行參數見表4。

綜合表3、表4分析可知:①多級機站風機運行頻率為48 Hz時,即可滿足設計所需風量(360 m3/s),風量有上調空間;②多級機站裝機功率(2 078kW)大于主輔扇裝機功率(1 814 kW),實秏功率僅增加77.02 kW,表明多級機站風機性能有較大余量,系統可靠性強,能有效應對生產波動對通風系統造成的沖擊;③主—輔扇通風系統,輔扇僅用于采場引風,對系統總風量無貢獻,主扇性能直接影響通風系統可靠性。主輔扇通風系統滿頻率運行時,系統總風量(364.94m3/s)僅比設計風量多4.94 m3/s,系統余量不足。若達到與多級機站相同的風量余量時,需增大主扇功率或專業定制風機,顯然不符合經濟性要求。

表3 主—輔扇通風系統主回風機站風機解算數據Table 3 Fan-solving data of the main return fan station of the main-auxiliary fan ventilation system

綜上所屬,龍橋鐵礦多級機站通風系統優于主—輔扇通風系統。

4 多級機站風機優選

4.1 采區風機選型方案設計

為實現-420 m與-490 m中段的風量分配,將Ⅰ級進風機站設置在進風井-407.5 m和-472.5 m水平,Ⅲ級回風機站服務于-420 m和-490 m中段,分別設置在東區和西區的-342.5 m水平。采區風機選型從引風功能考慮,擬從K40-8-№21、K40-8-№22以及K40-8-№23風機中優選,詳細方案見表5。

4.2 采區風機優選風網解算結果分析

保持Ⅱ級進風機站和Ⅳ級總回風機站風機類型不變,將3種方案的采區風機導入到通風模型中,得出3種風機選擇方案的風網網絡解算結果見表6。

表6 不同采區風機選型方案的通風網絡解算結果Table 6 Calculation results of ventilation network for fan selection schemes in different mining areas

礦山生產重心由-370 m中段轉移至-420 m中段,-490中段為后期主要生產階段,-420 m中段核定風量為160 m3/s,-490 m中段及其他區域核定風量為140.85 m3/s。由表5可知:3種方案均達到設計總風量,但方案1和方案2中-420 m中段和-490 m中段分配風量未達到核定風量,方案3中-420 m中段風網解算分配風量為159.5 m3/s,-490 m中段分配風量為140.1m3/s,滿足核定風量。故方案3風機選型滿足系統風量分配要求。

5 結 論

(1)系統分析了龍橋鐵礦通風系統存在的總風量不足、采區輔扇設置及選型不合理、中段采場通風效果不理想等問題,借助風網解算技術對主輔扇和多級機站通風兩種通風系統方案進行了比選研究。主—輔扇通風系統主扇設置于東、西風井回風機站內,輔扇設在各需風中段;多級機站設4級機站,Ⅰ級為總進風機站,Ⅱ級為采場進風機站,Ⅲ級為采場回風機站,Ⅳ級為總回風機站。

(2)經風網解算,主—輔扇通風系統方案中東、西風井主回風機站滿頻率運行時系統總風量為364.94m3/s,實耗總功率為1 009.21 kW。風機工頻運行,難以滿足井下生產的動態變化。主—輔扇通風系統若要達到系統風量富余,需增大主扇功率或專業定制主扇,與通風系統經濟性不符。

(3)多級機站通風系統Ⅰ級總進風機站選用兩臺K40-8-№23型風機并聯,Ⅲ級回風機站東區選用兩臺K40-8-№21型風機并聯,西區選用兩臺K40-8-№23型風機并聯,風網解算多級機站通風系統主回風機站風機頻率為48 Hz時的系統總風量為364.36 m3/s,達到設計所需風量,滿足-420 m中段和-490 m中段風量分配要求。

(4)多級機站通風系統總風量富余,該技術可有效地控制各中段及分層之間的分風,具有較強的針對性和可操作性。但多級機站通風系統設計時機站級數、位置、風機類型及數量等參數合理配比仍需借助風網解算來判別其優劣,實時礦井通風自動成圖及網絡解算技術亟待進一步提升。