網路降阻與風機調節相結合管理井下通風系統

黃紹明 季現偉 王 晶

(玉溪礦業有限公司)

大紅山銅礦位于云南省玉溪市新平彝族、傣族自治縣戛灑鎮，是玉溪礦業有限公司的主力礦山，也是云南銅業集團的標桿礦山，采用無軌+有軌相結合的方式進行開采，實際礦石生產能力為15 000 t/d。該礦山采用“兩翼進風，中部回風”多風機多級機站壓抽結合的通風方式，井下生產范圍大，巷道與作業點較多，整個通風系統網路結構十分復雜［1］。隨著采礦的進行，開拓工程不斷向深部延伸，致使該礦山的整個通風網路結構、總風阻、風機工況點較初期都發生了變化。與其他金屬礦山一樣，風機運行效率低，通風效果不佳，盲目增加風機，不同程度地存在著低效高耗的現象［2-3］。

如何保證通風效果、井下的微氣候條件及風機高效經濟運行，是大紅山銅礦生產經營中亟待解決的難題，也是一個非常具有實際應用價值的研究課題。針對這一課題，筆者作為大紅山銅礦整個通風系統的管理者，根據自己多年從事通風管理工作的經驗，結合該礦山的實際情況，在優化通風路線、縮短送風里程、封閉廢棄的聯絡井巷、減少漏風和風機使用變頻調速器等方面采取有效措施的基礎上，又提出網路降阻與風機調節相結合的方法管理通風系統，明顯改善了井下的微氣候條件，并保證了風機高效經濟運行，同時為礦山創造了巨大的經濟效益［4］。

1 通風存在的問題分析

在礦山實際生產中，風機的工況點經常因開拓工程的增加、采掘工作面的轉移等因素變化及風機本身性能的變化而改變［5］。特別是整個礦井通風進入困難時期，由于供風里程、需風量、漏風點都在增加，風機工況點變化較大，為了保證供風量，存在盲目增加風機的現象，結果導致風機運行效率低，風流沿途漏入采空區，通風電耗急劇增加，工作面達不到理想的作業環境［6］。

對于整個礦井的通風系統而言，風機運轉的效率高低直接影響整個系統通風效果的好壞。如何保證風機在高效區域運轉是降低礦井通風能耗和提高礦井通風效果的重要措施之一［7］。根據風機理論分析證明，風機的軸功率與風量的立方成正比，即［8］

式中，Nf為風機的軸功率，kW;Rf為井巷的風阻，N·s2/m8;Qf為風機的風量，m3/s;ηf為風機的效率。

雖然通過減少供風量降耗效果最明顯，但在實際生產中，特別是通風相對困難時期，為了保證井下具備良好的作業環境，減少供風量是不現實的。必須在保證供風量的前提下，采取其他措施降耗節能，并提高通風效果。

風機通過克服井巷的沿程阻力，把新鮮風流送到作業面所耗費的電能至少與2個因素密切相關:一是網路的風阻大小;二是風機的效率高低。顯然，降低通風網路的風阻值，就相當于直接降低風機的輸出風壓值，相應地降低了風機的軸功率，即減少電能消耗。另外，風機的效率與軸功率成反比，當提高風機運行效率時，同樣也直接降低了風機的軸功率，即減少電能消耗［9］。因此，必須平衡井巷風阻與風機效率之間的關系，保證通風效果的同時，真正達到節能增效的目的。

2 網路降阻與風機調節相結合

在整個通風系統隨生產運行過程中，為保證風機高效經濟地運行，必須適時地進行風機工況點的調節。實質上，風機工況點的調節就是供風量的調節。由于風機工況點是由風機的風壓和井巷風阻兩者的特性曲線決定的，因此，要調節風機工況點，必須把網路降阻與風機調節相結合才能真正達到節能增效目的［10］。

2.1 網路降阻的措施

當礦井通風進入困難時期，總風量供應不足時，如果能降低礦井的總風阻，則不僅可以增加礦井的總風量，而且可以降低礦井的總阻力。網路降阻有多種措施，但是，當井下巷道開掘完畢投入使用后，井巷的風阻大小就已成固定值，各分支井巷的風阻難以人為改變其大小。根據礦山企業的實際情況，在不影響井下正常生產的情況下，投入成本最少，最顯著地降低整個網路總風阻大小的方法就是改變各分支井巷的相互連接結構形式。盡可能地利用相互并聯的井巷，包括利用廢舊井巷，將串聯風流改為相互并聯流動，其原理如式(2)所示［11］:

式中，R為并聯巷道總風阻，Rn為各分支巷道風阻。

式(2)表明:并聯通風網路并聯的分支井巷越多，總風阻越小，且并聯通風網路總風阻永遠比任意一條分支井巷的風阻小。若有n條風阻相同的風道并聯，則并聯后的總風阻為R=Rn/n2。即使是最簡單的情況，設兩條并聯井巷風阻相等，當同等的風量經兩條并聯井巷進入風機，較風流經單一井巷進入風機，總風阻只有分支井巷風阻的1/4倍。可見并聯通風網路的總風阻較并聯分支井巷的風阻值降低的幅度非常大。

因此，在實際的通風工作中，在盤區的進風和回風路線上，應盡可能利用現有的相互并聯的井巷輸送風流，可顯著降低網路的總風阻。通常盤區的回風路線距風機較遠，除專用回風路線外，沿途還有許多廢舊井巷。為了減小回風路線的總風阻，充分利用沿途的廢舊井巷，對廢舊井巷中各中段、水平的上下聯絡井采取隔離措施，防止漏風。

如圖1所示，該區域為435 m中段的部分井巷，450 m切頂巷作為東部區域的專用回風巷。為了減小通風阻力，把已經采礦結束的440 m切頂巷利用起來，對435 m中段20－24盤區Ⅰ段出礦進路進行密閉(一是為了充填采空區使用，二是為了防止漏風)，使用2條井巷形成并聯回風，從而降低了盤區的回風路線總風阻，其降阻效果如表1所示。盡管有的2條并聯井巷長度并不完全一樣，但只要充分、合理、科學地使用，也能起到降低總風阻的作用。

圖1 利用廢舊井巷降低通風阻力示意

表1 網路并聯降阻結果

2.2 提高風機效率的措施

提高風機運行的效率，本質是在保證供風量的前提下，讓風機在高效率狀態下運行，從而達到節能的目的。受風機結構的限制，軸流式風機的風壓特性曲線一般都有馬鞍形駝峰存在，而且同一臺風機的駝峰區隨著葉片安裝角度的增大而增大。駝峰右側的特性曲線為單調下降曲線，是穩定工作區段;駝峰左側的特性曲線為不穩定工作區段，風機在該區段工作，有時會引起風機的風量、風壓和電機功率的急劇波動，甚至機體發生震動，發出不正常的噪音，產生所謂喘振現象，嚴重時會損壞風機［12］。因此，為保證風機在穩定區域高效運行，葉片安裝角度盡量不要選擇廠家提供的最大及最小安裝角度，宜選擇中間角度。

風機在不同葉片安裝角度下運行時都有其效率的最大值點，在該點兩側的效率相對較低，見圖2所示。該圖為K40－8－No22軸流式風機32°葉片安裝角的效率曲線。將不同角度葉片角的等效率點連線，即可獲得該風機的運行效率分布曲線。

圖2 K40－8－No22風機32°葉片角的效率曲線

風機運行狀態的工況點是風機運行時對外輸出風量、風壓等所有技術參數的即時狀態點，也即網路風阻特性曲線與風機的風量－風壓特性曲線的交點，簡稱工況點。當網路總風阻變化時，工況點將沿風機特性曲線上下移動，從而改變風機運行的效率，使風機的運行效率較原來提高或降低［10］。但通過采取相應措施調節使網路總風阻降低時，倘若工況點向低效率方向移動，由此獲得的節能效果就要打折扣。因此降低網路的風阻還要與提高風機效率調節緊密結合，才能取得良好的節能及通風效果，見圖3所示。

圖3 網路風阻與風機工況點變化

圖3 表示了K40－8－No22風機經過網路降阻后工況點的變化情況。其中，R1和R2表示網路經過并聯處理前后的風阻特性曲線，K1、K2、K3表示不同條件下的風機工況點。

以圖3為例，該裝機點原來的網路風阻特性曲線為 R1，風機工況點為 K1，風量 70.5 m3/s，風壓820 Pa，葉片安裝角29°，效率77%，軸功率75.08 kW。通過將網路并聯降阻后，網路風阻特性曲線為R2，風機工況點為 K2，風量 77 m3/s，風壓 725 Pa，葉片安裝角29°，效率83.5%，軸功率66.86 kW。通過網路降阻后，風機風量增加了，效率提高了，軸功率也明顯降低。

這僅是對1臺風機的舉例說明，大紅山銅礦原有風機97臺，總裝機容量6 233 kW，如果每臺風機每秒增加幾立方風量，所有風機每秒將增加上百立方風量。通過公式(1)可知，電耗與風量之間成3次方的關系，也就是說，在礦井風阻、風機效率、電機功率、傳動效率等因素不變的情況下，若把風量增加1倍，電耗將升為原來的8倍，過度地加大風量，將導致電耗急劇增加，因此應嚴謹計算需風量。

雖然大紅山銅礦通風進入相對困難時期，但在原通風設計的基礎上，也不需要增加過多的供風量。通過圖3仔細研究可發現，如果采用網路降阻與風機調節相結合的方法，在網路降阻的基礎上，再把風機葉片安裝角由29°調整為26°，此時風機工況點為K3，風量 73.5 m3/s，風壓 620 Pa，效率 86.3%，軸功率52.8 kW。與網路降阻單一調節法相比，風機效率提高了2.8個百分點，軸功率卻降低了14.06 kW，而供風量也完全滿足需求，保證通風效果的同時，節能降耗效果非常明顯。

3 調節效果統計

大紅山銅礦近3 a來專門立項進行區域收縮和通風系統優化，通過封閉廢棄的上下連通的管纜井，處理部分廢舊井巷與現用井巷實現并聯，降低通風阻力。每個區域的通風網路優化完畢，再利用自主研發的通風網絡解算軟件MVNSS進行解算，并對解算結果進行分析。根據解算結果，再對部分中段水平的風機工況進行調節(使用變頻器或者調節葉片安裝角)，提高運行效率，拆除不必要的風機，從而降低通風能耗。通過充分利用網路降阻與風機調節相結合優化通風系統所獲得的節能效果進行粗略統計，其結果如表2所示，在保證通風效果的同時，僅8個中段水平的部分區域風機就降低能耗136.78 kW，增加風量26.7 m3/s，每年可節約通風費用59.58萬元。

表2 網路降阻與風機調節相結合調節法效果統計

4 結論

筆者根據多年從事通風管理工作的經驗，把理論與實踐緊密結合進行深入研究，提出了網路降阻與風機調節相結合的方法優化通風網路。此方法在大紅山銅礦通風管理過程中實際應用，井下風機由原來的97臺減少到84臺，裝機容量由原來的6 233 kW減少到目前的5 687 kW，目前風機平均效率在80%以上。該方法的應用明顯改善了大紅山銅礦井下的微氣候條件，并保證了風機高效經濟運行，同時每年為礦山節約數百萬元通風費用，達到了良好的節能降耗效果，值得大力推廣應用。

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