煤礦局部通風機的選型與工況調節(jié)研究

朱豫西

（西山煤電西曲礦通風科技術組，山西 古交 030200）

引言

煤炭行業(yè)是全社會公認的高危行業(yè)，提高開采過程的安全性是煤礦企業(yè)的重要課題。在煤炭開采過程中，瓦斯爆炸引起的人員傷亡和生產(chǎn)事故占到了很大的比例。工作面掘進過程中，煤層中被釋放的瓦斯、爆破作業(yè)產(chǎn)生的礦塵、以及各種設備產(chǎn)生高溫聚集在一起，極易發(fā)生爆炸事故。局部通風機向工作面輸入新鮮空氣，抽出污濁空氣，是保障工作面工作環(huán)境的重要設備。可供局部通風機選擇的布置方式有多種，不同布置方式的通風效率、成本、安全性等方面具有不同的特點，從而適用于不同環(huán)境的采煤巷道。隨著掘進面的推進和巷道瓦斯?jié)舛鹊淖兓植客L機的運行工況點是不斷變化的，因此帶來了運行的經(jīng)濟性問題。因此，結合《煤礦安全規(guī)程》的相關規(guī)定[1-2]，對局部通風機的選型與工況調節(jié)進行研究。

1 局部通風機通風方式

煤礦新擴建采區(qū)和工作面時需要開掘長距離巷道，在此過程中巖層中的瓦斯會被釋放出來，爆破作業(yè)形成的礦塵也會充斥在巷道中，威脅巷道內工作人員的人身安全。掘進過程中可采用局部通風或掘進通風的方式向巷道輸送新鮮空氣，掘進通風有引射器法、全風壓法和局部通風機法。局部通風機利用電機帶動葉輪轉動將新鮮空氣送到掘進工作面，按照抽風和壓風的布局方式可分為三種類型。

1）壓入式通風。如圖1-1所示，局部通風機被安裝在距離煤礦掘進工作面巷道進風側10 m以外，通風機將新鮮空氣壓入風筒，風筒出風口向掘進面輸送新鮮空氣，氣流在形成有限貼壁射流后折返，將污濁空氣帶出巷道。壓入式通風具有安全性高、排塵效率高、風筒材質要求低的特點，適合用于以瓦斯為主要排出物的巷道中。

2）抽出式通風。如圖1-2所示，局部通風機被安裝在距離煤礦掘進工作面巷道出風側10 m以外，通風機從風筒內抽取污濁氣流，風筒進風口安裝在巷道工作面處，污濁空氣從此處被抽入風筒，形成低氣壓區(qū)，新鮮空氣在此氣壓差下被抽入巷道。抽出式通風具有排塵效率高、衛(wèi)生條件好的特點，適合用于以礦塵為主要排出物的巷道中。由于抽出式通風具有一定的有效吸程，在瓦斯風流等環(huán)境中容易引起爆炸，因此不適用于瓦斯?jié)舛雀叩拿旱V[3]。

3）混合式通風。如圖1-3、1-4所示，混合式通風是將壓入式和抽出式結合起來，在巷道口和工作面分別采用兩種通風方式，新鮮空氣采用壓入式通風送入工作面，污濁空氣采用抽出式通風抽出巷道。巷道口采用風筒較長的壓入式通風，工作面采用風筒較短的抽出式通風，被稱為長壓短抽式混合通風，相應地巷道口采用風筒較長的抽出式通風，工作面采用風筒較短的壓入式通風，被稱為長抽短壓式混合通風。混合式通風具有效率高、耗電大、成本高的特點，常用于大斷面掘進巷道中。

圖1 局部通風機通風方式

2 局部通風機的選型

2.1 掘進工作面風量的計算

《煤礦安全規(guī)程》對于工作巷道的粉塵含量、風流速度和溫度等環(huán)境因素做了明確的規(guī)定，在設計局部通風系統(tǒng)時首先進行風量計算。風量計算由三部分組成：排出炮煙所需風量、排出瓦斯所需風量和排出礦塵所需風量[4-5]。

2.2 通風系統(tǒng)阻力的計算

計算出工作面風量后，還需要計算通風系統(tǒng)的阻力。通風系統(tǒng)的阻力指的是風筒對風的摩擦力，摩擦力大小與阻力系數(shù)α、巷道通風長度L、風量Q的2次方成正比，與風筒直徑的5次方成反比。不同材質和形狀的風筒阻力系數(shù)差別很大，難以根據(jù)理論計算，常用的金屬風筒、玻璃鋼風筒和膠布風筒可根據(jù)阻力系數(shù)表查閱。

2.3 局部通風機的選型

1）對旋式局部通風機。常用的局部通風機有FBD系列和2BKJ系列，F(xiàn)BD系列通風機風壓高、效率高、負載合理、調試方便。2BKJ系列通風機噪音低、風壓高、體積小、反風效果佳，在瓦斯和煤塵濃度高的礦井中應用廣泛。

2）離心式局部通風機。DF系列為代表的離心式通風機利用葉輪高速旋轉形成的離心力產(chǎn)生真空，氣體在此壓差下被壓入葉輪。離心式通風機反風效率低，較少應用于掘進工作面。

2.4 風筒的選擇

根據(jù)通風機型號選擇風筒的材質和直徑，風筒的直徑根據(jù)通風距離和掘進面風量需求確定，直徑越大的風筒風阻和耗電量也越小。

3 通風機工況點的調節(jié)

由于掘進工作面推進、瓦斯?jié)舛茸兓仍颍植客L機的運行工況不是一成不變的，完成通風機和風筒的計算、選型和設計后，為了使通風機運行更加經(jīng)濟，需采取調節(jié)措施保證通風機運行在最佳工況點。

3.1 改變管網(wǎng)特性

通風機運行工況點即是管網(wǎng)特性曲線和風機特性曲線的交點，通過改變風筒閥門的開度大小可以改變管網(wǎng)特性曲線的斜率，如圖2所示，原管網(wǎng)特性曲線R1與風機特性曲線的交點為A點，閥門開度變小后管網(wǎng)特性曲線R2與風機特性曲線的交點為B點，工況點的風量變小風壓變大。類似地，閥門開度增大后工況點C的風量變大風壓變小。

圖2 管網(wǎng)特性對風機工況點的影響

3.2 改變風機性能

改變風機的速度、葉輪外徑和切換葉輪單雙級可以改變風機的特性曲線，從而改變風機的工況點。風機的轉速改變，則風量、全壓和功率等參數(shù)均會跟隨變化，對于同種型號的風機而言，其變化規(guī)律是相似的，稱之為相似定律。目前變頻調速技術發(fā)展迅速，通過變頻器改變風機供電頻率，可實現(xiàn)風機無級調速。如圖3-1所示，M1、M2、M3分別對應不同頻率供電方式下的風機特性曲線。M1供電頻率為50 Hz，M2供電頻率為40 Hz，M3供電頻率為30 Hz，由圖可知，隨著供電頻率下降，風機轉速下降，則風機特性曲線下移，對于特定管網(wǎng)而言，風機的工況點向原點移動，風量和風壓均減小。葉輪的外徑對風機特性曲線也有顯著影響，如圖3-2所示[6-7]，切削縮小葉輪外徑不產(chǎn)生多余的能量消耗，但是這種方式的缺點也很明顯，切削葉輪需要成本支出，并且此項工作需要風機停機，影響掘進面工作效率，切削量需要嚴格計算，若切削量不準確將降低風機的效率。對旋式通風機可通過葉輪單雙級運行調節(jié)風壓，管網(wǎng)阻力較小時采用一級葉輪工作，此時風壓為雙級對旋同時工作的30%～60%，管網(wǎng)阻力增大后啟用雙級葉輪工作。除了上述方式改變風機性能，也有煤礦采用調節(jié)風機葉片夾角的方式調節(jié)風機性能曲線，但是存在不穩(wěn)定的工況，因此較為少用。

圖3 風機性能對風機工況點的影響

4 結語

局部通風機的布置方式有抽出式、壓入式和混合式，長壓短抽或長抽短壓混合式通風兼具兩者的優(yōu)點，為了提高掘進工作面的安全性，特別是在大斷面的巷道中適合采用此種通風方式。掘進面通風系統(tǒng)設計過程包括風量風壓計算、阻力計算、風機選型和風筒選型等步驟。為了使風機運行在最佳工況點，可采用改變管網(wǎng)性能和改變風機性能的方式調節(jié)特性曲線，使風機運行更加經(jīng)濟合理，提高風機的使用壽命，減少風機的電量消耗。

（編輯：王慧芳）