礦井通風系統運行頻率的優化應用

梁福兵，常 晶

（山西長治聯盛首陽山煤業有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

礦井主通風機全日處于無休運行狀態，具有功率大、能耗高的問題，據統計，通風機的耗電量占到全礦井的20%，部分通風困難礦井甚至達到30%，通風系統的能耗更是占到整個礦井的24.4%～40.5%[1-2]。當礦井進入生產淡季后，隨著生產效率的下降，巷道的需風量隨之降低，通常將會調整通風設備的供風量。傳統的調風方式包括風門的控制、風橋的構造等，但都需要一定施工周期，效率低下且費用較高[3]。當前經過諸多專家學者的研究，采用變頻調速可以實現主通風機的合理優化，達到了一定的節能效果。但該方法常見于礦井生產初期通風能力大于生產能力時使用，具有一定的局限性。因此，研究 一種適合礦井全壽命周期的主通風機變頻控制技術，對于提高礦井經濟效益，保障安全生產具有重要意義[4]。

1 全礦井風量分配

首陽山煤礦為正常生產礦井，3 號煤層考慮服務年限和設備投資情況，也采用綜采放頂煤采煤法；9 號煤層為薄煤層，采用綜采一次采全高采煤法。按照該礦的采掘計劃布置，現井下主要用風地點由原來的兩采四掘變為現在的兩采一備一掘[兩個回采工作面（3101 工作面、9101 工作面）、一個備用工作面（3102）、一個掘進工作面（3103 運輸順槽）]。風量富余較多，現在又進入冬季，為更合理地進行風量分配，現通過調整主要通風機的頻率來調整井下全礦井風量。為確保主要通風機調整順利完成，特制定此全礦井風量調整安全技術措施。

根據本礦現采掘計劃及巷道布置，井下主要用風地點為：兩個回采工作面（3101 工作面、9101 工作面）、一個備用工作面（3102 工作面）和一個掘進工作面（3103 運輸順槽），此外還包括有主水泵房、煤采區變電所等硐室和1502 采區大巷和各行人巷。

2 各用風地點配風量計算

計算采掘工作面、巷道所需風量的大小有多種依據和計算方式，通常以瓦斯濃度、現場人數、氣象條件為依據，選取數值最大的計算結果為該巷道的安全需風量。

2.1 按瓦斯涌出量計算配風量[式（1）]

式中：Q采為采掘工作面實際需風量，m3/min；q 為工作面的平均絕對瓦斯涌出量，根據近期瓦斯記錄表顯示，3101 回風順槽瓦斯涌出量為0.17 m3/min、9101 工作面瓦斯涌出量為0.11 m3/min；K 為瓦斯涌出不均衡系數，工作面正常生產時連續觀測1 個月后取值1.6。

經計算，Q3101=34 m3/min，Q9101=22 m3/min。

2.2 按工作面最多人數計算[式（2）]

式中：N 為工作面同時工作最多人數，采煤工作面按50 人取值；4 為每人應供給的最小風量，m3/min。

經計算，兩個采煤工作面均為200 m3/min。

2.3 按氣象條件計算[式（3）]

式中：vcfi為工作面的風速，m/s，V3101、V3102與V9101取值1.5 m/s；Scfi為采煤工作面的平均有效斷面積，按最大和最小空頂有效斷面的平均值計算，S3101與S3103取8.6 m2、S9101取3.85 m2；Kchi為采煤工作面采高調整系數，3101 工作面，取值1.2，9101 工作面取值1；K 為采煤工作面長度調整系數，3101 工作面和9101 工作面都取值1.0。

經以上計算，Q3101采=650 m3/min，Q9101=243 m3/min。

2.4 按風速進行驗算

經過不同維度對需風量的計算后，取最大值，即Q3101=650 m3/min，Q9101=243 m3/min，隨后對該需風量進行驗算。

驗算最小風量[式（4）]：

式中：Lmax為采煤工作面最大控頂距，3101 工作面與9101 工作面取4.7 m；h 為煤層高度，3101 工作面取2.4 m，9101 工作面1.5 m。

故Q3101≥60×0.25×（4.7×2.4×0.7）=118.5 m3/min，Q9101=60×0.25×4.94=74.1 m3/min，符合要求。

2）驗算最大風量[式（5）]：

式中：Lmin為采煤工作面最小控頂距，3 個工作面取4.1 m；h 取值同上。

故Q3101≤60×4×（4.1×2.4×0.7）=1 656 m3/min，Q9101≤60×4×4.3=1 032 m3/min，都符合要求。

2.5 備用工作面

3102 備用工作面按3101 綜采工作面風量的50%配風，計算為325 m3/min。

2.6 3103 運輸順槽掘進及其他硐室需風量計算

目前礦井留有一個掘進順槽，按該工作面的最低風速計算風量[式（6）]進行配風：

式中：Q掘為掘進工作面實際需風量，S 為掘進工作面巷道斷面積，m2，取8.5 m2。

經計算，Q掘為128 m3/min。因此按照工作面最大需風量，選用局部通風機型號為FBD№6.0/2×15，吸風量為220～370 m3/min，滿足需要；該掘進工作面需風量為128 m3/min，配風量為220 m3/min。

符合《煤礦安全規程》規程規定。因此判斷該掘進工作面需風量為128 m3/min，配風量為220 m3/min，滿足實際要求。

其他硐室包括采取軌道避難硐室、主水泵房、9#煤采區變電所、順槽聯絡巷等共計12 處，總需風量達到1 620 m3/min。

2.7 總風量

礦井總需風量計算[式（7）]：

式中：∑Q采為3101、9101 工作面、3102 備用工作面實際需要風量之和為，計算得1 625 m3/min；∑Q掘為3103 運輸順槽掘進工作面，220 m3/min；∑Q其他為其他用風巷道實際需要風量的總和1 620 m3/min；K礦通為礦井通風系數，取1.17。經計算全礦井總需風量為4 054 m3/min。

3 主通風機概況及風量分配

我礦現使用FBCDZ-№22/2×160 型抽出對旋軸流式通風機，正常生產時運行主要參數：抽出風量4 635 m3/min（77.25 m3/s），一級電機功率60.3 kW，二級電機功率22.4 kW，電機頻率46 Hz，負壓1 100 Pa，可以滿足全礦井的配風要求。

根據主要通風機說明書及性能特性曲線圖1，判斷目前使用的電機頻率是該葉片角度運行的較小頻率，調小該葉片角度下的電機頻率，風量將會增大。經和相關技術鑒定中心及廠家技術人員進行核定后，根據核定結果進行主要通風機電機頻率進行調整。按照每旬測風報表的全礦井有效風量率最小值（94%）進行主要通風機吸風量計算為：Q主風機回=Q礦/94%=4 054÷94%=4 313 m3/min。

圖1 通風性能曲線圖

4 風量調整步驟及安全措施

4.1 風量調整步驟

風量的調整將按照以下步驟進行：

1）調整頻率前，將井下所有保勤人員撤至主要進風大巷。待井下所有人員撤至進風大巷后，主要通風機司機開始進行頻率下調。

2）調整時總工程師在調度室統一指揮，機電礦長在主扇風機房進行現場指揮，由主扇司機進行現場操作，對主扇風機的頻率進行下調，由50 Hz 調至42 Hz。然后對風扇角度進行調節。主要參考指標為電腦顯示的風流量參數，風流量由4 635 m3/min 調至4 313 m3/min。

3）當主要通風機風流量風流上調至99.62 m3/s，待風流穩定半小時以上時，井下測風員開始對井下全礦井總風量測定。將測風結果及時匯報調度室及通風科。

4）調整后待總風量滿足需要時，通風科組織人員對井下所有地點進行一次全面測風，根據以上的風量分配計劃，通過井下的通風設施的調整，對井下各地點及巷道進行風量重新分配。

5）二號主要通風機調整完畢及井下風量符合要求正常運作48 h 后，開始進行切換一號風機進行調整，調整所有工序與二號風機相同。

4.2 安全措施的制定

通風科人員提前檢查井下所有通風設施的完好情況，對不完好的設施提前進行加固。在調整風機時，井下瓦斯員要隨時檢查所負責區域內的瓦斯、二氧化碳的濃度。主要通風機在切換時，主要通風機司機必須帶絕緣手套及穿絕緣水鞋。切換時必須將另一臺風機的碟閥關閉嚴密。相關人員必須嚴格學習本措施，本措施未提及的嚴格按《煤礦安全規程》規定進行作業。

5 實施效果分析及結論

經過對風機進行變頻調節后，主通風機相應的輔助設備的磨損程度較之前明顯減輕，維護周期縮短，設備運行壽命延長、維護成本降低，具體如下：

1）通過變頻調速的改造后，電機可實現軟啟動，電流將降低至額定電流的90%，避免了對電網造成的負載，電纜載荷減弱并且減少電機發熱量，延緩設備壽命；

2）設備低頻工況下降產生更低的噪音，有利于現場作業環境的改善；

3）根據運行工況設定程序，實現了對主扇風機電機轉速的自動控制，并可以對風扇角度調節；

4）采用變頻調速系統后，電壓源型變頻器功率數可達0.96，減小了線路的能量損失，地面主通風機分時段變頻運行可實現集中式通風礦井通風系統的動態管理，真正意上達到了“按需配風”，提高了風量利用率，對節能增效具有顯著的實用價值。