高原礦井通風參數及風機選型研究與應用

姚銀佩 蔡澤山 王輝林 李亞俊

摘要：高原環境的特殊性，致使高原礦井通風系統具有空氣低壓缺氧、進風溫濕度低、電動機有效功率低等特點，高原礦井通風系統參數及風機參數都與平原地區不同。在分析高原礦井通風系統問題的基礎上，研究了高原礦井通風系統參數及風機參數，結合高原礦山通風參數調整的工程實例，對風機進行了選型設計計算和工程應用。通過工程現場檢測，風機實際運行工況與設計計算工況相符，驗證了參數調整和風機選型的有效性。

關鍵詞：高原礦井;礦井通風系統;通風參數;風機選型;工程應用

中圖分類號：TD72文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）10-0037-03doi：10.11792/hj20201007

高原環境與平原地區相比存在著特殊性，致使高原礦井具有“三低”特征，即氣壓低、溫度低、濕度低[1-2]。高原礦井通風系統受高原環境的影響，存在著空氣低壓缺氧、進風溫濕度低、電動機有效功率低等特點，因而，高原礦井通風參數及風機特性參數也和平原礦井不同。在高原礦井通風系統設計時通風阻力參數和風機選型計算需要進行調整，才能以正確的參數選取和高原環境相匹配的風機，以滿足高原礦井通風的需求[3]。本文以高原環境下礦井通風阻力參數和風機特性參數為基礎研究，結合高原礦山實際情況，對高原礦井風機選型進行分析計算與設計[4]，并進行了工程實施和現場風機工況檢測，取得了較好的應用效果。

1 高原礦井通風系統問題

高原礦井通風系統設計必須考慮高原環境下存在的問題。高原礦井面臨大氣壓力低、空氣密度低、氧含量低、溫度低且溫差大、濕度低等環境條件，導致高原礦井風量需求、通風方式、進風條件、自然風壓、礦井阻力、風機設備等都受到影響，主要表現在以下幾個方面：

1）空氣密度低，單位空氣中氧含量低，井下需風量增加，并且井下炮煙擴散體積增加，礦井通風系統設計計算需風量增加，以達到排煙排塵的通風需求。

2）礦井內氣壓低，若采用抽出式通風，礦井內負壓狀態，井下壓力進一步降低;而壓入式通風僅適用于淺部開采的礦山。因此，壓抽混合式通風方式成為高原通風系統的首選方式。

3）地表氣溫低，特別是冬季寒冷且時間長，需要空氣預熱等防寒措施，防止進風井結冰凍井，保持礦內溫度避免工人缺氧加劇，以免影響生產。

4）冬夏季及晝夜溫差大，礦井內外受溫差、高差影響，自然風壓變化大，夏季自然風壓一般對礦井通風不利，冬季負壓大對礦井通風有利，應充分利用。

5）高原氣候干旱缺水、濕度低、植被稀少、多勁風、多風沙、易揚塵。礦井進風風源需采取相應的凈化措施，保證風源質量。

6）高原狀態下空氣密度下降，風流運動產生阻力降低，根據礦井摩擦阻力計算公式計算礦井阻力時，需對摩擦阻力系數進行修正調整。

7）高原環境下空氣稀薄，導磁能力差，電動機有效輸出功率降低，空氣介質冷卻效應降低，電動機散熱能力差，應降負荷運轉。因此，選擇通風機時，要選取配套的高原電動機，并給予一定的備用和降效系數。

2 高原礦井通風參數

在高原礦井通風系統設計時，應對礦井通風系統相關的通風參數進行調整，以保證礦井通風系統的有效性。主要的高原礦井通風參數計算方法為：

1）風量。在高原礦井通風中，氣壓降低，炮煙體積膨脹，因此排煙需要更多風量。通風條件惡化，應以空氣密度校正排煙風量，在計算礦井的實際需風量時，采用空氣密度的比對風量進行調整（標準空氣密度取1.2 kg/m3），以滿足高原礦井的通風需求[5]。

Qh=1.2ρhQ0（1）

式中：Qh為高原狀態下的需風量（m3/s）;Q0為標準狀態下的需風量（m3/s）;ρh為高原礦井的空氣密度（kg/m3）。

2）通風阻力。高原狀態下，根據礦井摩擦阻力計算公式，需對摩擦阻力系數進行調整，得到高原礦井摩擦阻力計算公式[6]。

pfh=ρh1.2pf0（2）

式中：pfh為高原狀態下的摩擦阻力（Pa）;pf0為標準狀態下的摩擦阻力（Pa）。

3）風機壓力。根據風機相似原理，在風機轉速一定、葉輪直徑不變的狀態下，風機壓力與風機安裝處的空氣密度成正比[7]。高原狀態下風機的壓力為：

ph=ρh1.2p0（3）

式中：ph為高原狀態下風機的壓力（Pa）;p0為標準狀態下風機的壓力（Pa）。

4）風機流量。根據風機相似原理，風機的體積流量與葉輪直徑和轉速成正比。同一風機葉輪直徑不變，轉速一定時，高原狀態下其體積流量不變，質量流量減小[8]。

2020年第10期/第41卷采礦工程采礦工程黃 金

5）風機電動機功率。電動機在高原特殊環境下運行，須考慮15 %的儲備和28 %的高原降效，以使電動機輸出功率達到預期[9]。

高原狀態下電動機的功率選取為：

Nh電=N電（1+0.15）/（1-0.28）（4）

式中：Nh電為高原狀態下選取電動機的功率（kW）;N電為標準狀態下選取電動機的功率（kW）。

3 高原通風阻力計算及風機選型

3.1 工程概況

錫鐵山鉛鋅礦位于青海省海西州大柴旦行委錫鐵山鎮，采用主平硐+豎井+斜坡道開拓方式，礦區主平硐標高3 055 m，主豎井平硐標高3 142 m，斜坡道口標高3 065 m，屬高原礦井。通風系統為中央進風東中西多井回風方式，其中東部回風井為新建回風井，須對東部通風系統高原環境下的通風阻力及風機選型進行設計計算。

3.2 通風系統阻力計算

礦井通風系統阻力一般由自然風壓、沿程阻力、局部阻力、裝置阻力及動壓損失等組成。

1）自然風壓[10]。按照井深100 m為界，當井深大于100 m時，井筒內空氣狀態變化屬于等溫過程。計算冬季自然風壓為83.43 Pa，夏季自然風壓為-158.78 Pa。 所以，冬季自然風壓幫助通風，夏季自然風壓為井下通風的阻力，屬通風困難時期。

2）東部回風線路最困難通風阻力計算。東部回風線路的最大沿程阻力為1 510.48 Pa，局部阻力為302.10 Pa，自然風壓為158.78 Pa，通風裝置阻力為150.00 Pa，動壓損失89.58 Pa，則最困難時期最大通風阻力為2 210.94 Pa。根據高原通風阻力參數調整公式，調整后最大沿程阻力為1 087.55 Pa，局部阻力為217.51 Pa，自然風壓、裝置阻力及動壓損失取值不變，則調整后最困難時期通風阻力為1 703.41 Pa。

3.3 東部通風系統主扇風機選擇

東部風機設計地表標高3 232 m風井口，負擔礦區東部生產作業100 m3/s的排風量。所以，風機在高原條件下需提供的風量應為100 m3/s，通風總阻力為1 703.41 Pa，按風機效率0.70，儲備系數0.15，高原降效系數0.28，電動機效率0.89，傳動效率1.0來計算，需電動機功率為436.71 kW。根據線路阻力特性及風機特性曲線，查閱風機選型表，選擇風機型號為DK40-6NO.21-2×220 kW，該風機參數見表1。

在標準狀態下，風機特性曲線及工況點為：風量105 m3/s、風壓2 250 Pa，葉片安裝角35°/30°，裝置效率77.50 %，見圖1。

在高原狀態下，風機特性曲線及工況點為：風量105 m3/s，風壓1 750 Pa，葉片安裝角35°/30°，裝置效率75.90 %，見圖2。

4 工程應用效果

東部風機安裝于3 232 m 035勘探線東風井口，見圖3。礦井通風系統施工完成后，對東部通風系統風機運轉工況參數進行測定，主要測量工具為熱敏式風速儀、高原數字氣壓計、精密數字壓差計、激光測距儀等。

經實測，東部風機實際運轉工況為：風量106.3 m3/s，風壓1 900 Pa，裝置效率為77.58 %，見表2。 測定數據與設計數據相吻合，東部通風系統滿足生產作業用風量需求。

5 結 語

高原礦井具有“三低”特征，高原礦井通風系統受高原環境的影響，具有空氣低壓缺氧、進風溫濕度低、電動機有效功率低等特點。因此，高原礦井系統在選擇風機時要根據高原礦井通風特性對通風參數及風機特性參數進行調整，以滿足高原礦井通風的需求。高原風機的電動機有效輸出功率降低，散熱能力差，降負荷運轉，所以高原風機配套電動機應給予一定的能力備用和高原降效，才能使得電動機功率達到設計預期。本文以錫鐵山鉛鋅礦東部通風系統為工程實例，通過對東部通風系統阻力和風機選型參數計算，選出合適的風機，工程實施后現場檢測，風機實際工況良好，滿足生產所需，設計合理。

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Study of ventilation parameters and fan selection

and its application in underground mines on plateau

Yao Yinpei1，Cai Zeshan2，Wang Huilin2，Li Yajun1

（1.Hunan Labour Protection Institute of Nonferrous Metals; 2.Xitieshan Branch of Western Mining Group Co.，Ltd.）

Abstract：Due to the particularity of the plateau environment，underground ventilation systems on plateau have the characteristics of low air pressure and insufficient oxygen，low inflow air temperature and humidity，low effective power of the motor，and the parameters of underground ventilation systems and fans on plateau are different from those of the plain area.Based on the analysis of the problems for underground ventilation systems on plateau，the parameters of underground ventilation systems and fans on plateau are studied.Based on the adjustment of underground ventilation parameters on plateau in engineering practice，the fan selection is designed，calculated and applied industrially.The onsite industrial test shows that the actual operation status of the fan is consistent with the design and calculation，verifying the effectiveness of parameter adjustment and fan selection.

Keywords：underground mine on plateau;underground ventilation system;ventilation parameters;fan selection;industrial application