某礦主通風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

杜懿宇

（山西忻州神達(dá)集團(tuán)南岔煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 036700）

引言

通風(fēng)控制著礦井內(nèi)部密閉空間內(nèi)的空氣流動(dòng)、數(shù)量和方向。雖然它不直接有助于生產(chǎn)階段的業(yè)務(wù)，但是缺乏適當(dāng)?shù)耐L(fēng)往往會(huì)導(dǎo)致工人效率低下、生產(chǎn)率下降和事故率增加。空氣不僅對(duì)呼吸是必要的，而且對(duì)分散化學(xué)和物理污染物（氣體、灰塵、熱量和濕度）也是必要的。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是地下采礦系統(tǒng)的重要組成部分。它們提供足夠的空氣來(lái)維持一個(gè)合適的工作環(huán)境。礦井通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是非常可靠的，因此，必須在整個(gè)礦井的使用壽命內(nèi)定期維護(hù)[1]。在現(xiàn)實(shí)中，礦井通風(fēng)系統(tǒng)偶爾會(huì)發(fā)生故障，這種故障會(huì)給礦井工人帶來(lái)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。為了確保地下煤礦的安全和生產(chǎn)環(huán)境，良好的通風(fēng)系統(tǒng)是強(qiáng)制要求的。主通風(fēng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)應(yīng)使其在整個(gè)礦山生命周期內(nèi)提供所需的空氣量，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的靜態(tài)效率一般不低于60%[2]。通過(guò)對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)技術(shù)適用性的分析和經(jīng)濟(jì)分析，確保通風(fēng)機(jī)的選擇具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)，使礦井通風(fēng)機(jī)全壽命運(yùn)行的總成本最小。最終主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇選擇取決于在研究風(fēng)扇技術(shù)方面對(duì)礦井生產(chǎn)的安全保障。

1 主通風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

1.1 層級(jí)分析法的核心要義

層次分析法（AHP）是一種多準(zhǔn)則決策（MCDM）方法，它幫助決策者面對(duì)具有多個(gè)沖突和主觀準(zhǔn)則的復(fù)雜問(wèn)題（通風(fēng)路徑、風(fēng)扇大小、轉(zhuǎn)速等）。它是一種通過(guò)成對(duì)比較的測(cè)量理論，依靠專家的判斷來(lái)得出優(yōu)先級(jí)范圍。層次分析法專注于將問(wèn)題分解，然后將所有子問(wèn)題的解集合成一個(gè)結(jié)論。它通過(guò)將感知、感覺(jué)、判斷和記憶組織成一個(gè)框架，展示影響決策的力量，從而促進(jìn)決策的制定[3]。在層次分析法的第一步，決策問(wèn)題被分解成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)與決策元素（如通風(fēng)目標(biāo)、安全準(zhǔn)則、間歇性轉(zhuǎn)動(dòng)方案）。從安全通風(fēng)目標(biāo)到安全執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，從次標(biāo)準(zhǔn)到最終的設(shè)計(jì)的通風(fēng)選型方案，分解到通風(fēng)機(jī)關(guān)鍵位置以執(zhí)行。

為了建立層次分析模型，有必要確定影響選擇合適風(fēng)扇的因素。在選擇最合適的風(fēng)機(jī)時(shí)，確定了四個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn):技術(shù)、操作、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有具體的子標(biāo)準(zhǔn)[4]。

1.2 選型設(shè)計(jì)特性曲線

礦井的空氣需求量根據(jù)通過(guò)礦井頂層的通風(fēng)結(jié)構(gòu)空氣表面泄漏量而確定，則必須根據(jù)全綜采工作面密封性質(zhì)增加10%~30%[5]。在獲得與礦山工作面風(fēng)阻有關(guān)的基本數(shù)據(jù)之后，繪制礦山風(fēng)阻曲線。

礦山風(fēng)阻曲線包括任何礦山作業(yè)期間所需的風(fēng)機(jī)數(shù)量。在得到礦井風(fēng)阻曲線后，從風(fēng)機(jī)特性曲線選擇主通風(fēng)機(jī)，以圖形方式表示壓力、效率和轉(zhuǎn)速與輸送能力的函數(shù)關(guān)系。這些風(fēng)扇特性曲線和各種型號(hào)風(fēng)扇的列線圖通常可以在各大通風(fēng)機(jī)制造商的公告和其他銷售產(chǎn)品目錄中找到。風(fēng)機(jī)特性曲線和礦井風(fēng)阻曲線的交點(diǎn)稱為操作點(diǎn)。將風(fēng)機(jī)特性曲線與礦井風(fēng)阻曲線疊加得到工作點(diǎn)數(shù)后，如圖1所示。可以計(jì)算出主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量為3522m3/min，負(fù)壓為1496Pa[6]。最后選擇多個(gè)廠家生產(chǎn)的主通風(fēng)機(jī)制作選型設(shè)計(jì)表，保證選型后設(shè)備的安全性。

圖1 風(fēng)機(jī)特性曲線示意圖

2 通風(fēng)機(jī)選型考慮的因素

2.1 選型設(shè)計(jì)的安全預(yù)防保障

1）在任何情況下，風(fēng)扇在其整個(gè)使用壽命的任何運(yùn)行節(jié)點(diǎn)的效率不得低于60%。

2）任何階段的運(yùn)行節(jié)點(diǎn)不得落在最高轉(zhuǎn)速0.9倍的左邊曲線。因?yàn)樵谶@種情況下，風(fēng)扇可能會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定或失速狀態(tài)。

3）礦井內(nèi)克服空氣動(dòng)力和摩擦阻力的壓降等于風(fēng)扇產(chǎn)生的靜壓，而不等于總壓。因此，在總壓力對(duì)體積的性能曲線上擬合風(fēng)扇值數(shù)據(jù)會(huì)給出錯(cuò)誤的信息，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的選擇。

4）風(fēng)扇在其估計(jì)使用壽命期間的備用容量必須為最大計(jì)算風(fēng)扇容積的20%或以上[7]。

2.2 經(jīng)濟(jì)性因素

為了滿足礦井中特定的通風(fēng)要求，可以從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)比較多種通風(fēng)機(jī)風(fēng)扇，包括設(shè)備、安裝和整個(gè)使用壽命的總成本。總成本包括折舊成本、電力成本、貸款資本利息及營(yíng)運(yùn)成本（即維修及保養(yǎng)成本、故障成本及潤(rùn)滑油、機(jī)油及油脂成本的總和）。

由于備用風(fēng)扇裝置的所有設(shè)備費(fèi)用與工作風(fēng)扇裝置的費(fèi)用相同，因此一般建議工作風(fēng)扇應(yīng)始終備有一臺(tái)備用風(fēng)扇，通常每隔一個(gè)月運(yùn)行一次。可如此評(píng)估工作風(fēng)扇連續(xù)運(yùn)行的通風(fēng)成本，假設(shè)備用風(fēng)扇只需在15年內(nèi)運(yùn)行1年，因此成本條件乘以一個(gè)系數(shù)(1+1/15)，以考慮備用風(fēng)扇的成本。同時(shí)可以通過(guò)將每個(gè)運(yùn)行點(diǎn)（效率）下降所增加的每年電力成本等同于每年固定電費(fèi)的百分比乘以加權(quán)系數(shù)來(lái)計(jì)算。如果風(fēng)扇運(yùn)行能夠保證效率，那么每年的電費(fèi)不會(huì)有較大的波動(dòng)。

3 主通風(fēng)選型設(shè)計(jì)效果分析

為了滿足礦井主要綜采工作面區(qū)域7 750 m3/min的需風(fēng)量要求，一方面礦井需實(shí)施上述井下降阻措施，另一方面需要更換目前的G4-73-11№22D型離心式通風(fēng)機(jī)。需要特別提出的是，綜采工作面南風(fēng)井G4-73-11№25D型離心式通風(fēng)機(jī)目前風(fēng)量為4 420 m3/min，后期擔(dān)負(fù)的綜采工作面北翼采區(qū)風(fēng)量降至1 000 m3/min，可通過(guò)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)整后風(fēng)機(jī)曲線見(jiàn)圖2。

圖2 G4-73-11№25D風(fēng)機(jī)裝置特性曲線

目前，軸流式通風(fēng)機(jī)是更換離心式通風(fēng)機(jī)的最佳途徑。選用GAF26.6-14-1與ANN2500-1250B兩種軸流式通風(fēng)機(jī)時(shí)，井下各用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量均能滿足要求。選用GAF26.6-14-1型主通風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量7 430 m3/min，靜壓2 396.9 Pa，效率約80%，功率371 kW；選用豪頓ANN2500-1250B型主通風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量7 452 m3/min，靜壓2 382.4 Pa，效率約85%，功率348 kW。同時(shí)，豪頓ANN2500-1250B型主通風(fēng)機(jī)智能控制高，風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，效率高。上述主通風(fēng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)能夠滿足實(shí)際工程需要。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了層次分析法在某地下煤礦通風(fēng)機(jī)選型方案評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)選擇方法不同，層次分析法能夠更科學(xué)地選擇最合適的通風(fēng)機(jī)，保持通風(fēng)機(jī)的完整性和客觀性。它也是一種靈活的方法，可以應(yīng)用不同的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和選擇方案。在通風(fēng)機(jī)風(fēng)扇選擇過(guò)程中，該方法易于理解，易于決策者應(yīng)用。

通風(fēng)機(jī)是采礦作業(yè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。為地下礦選擇合適的風(fēng)機(jī)需要考慮許多標(biāo)準(zhǔn)，包括技術(shù)、操作、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素。這個(gè)選擇問(wèn)題是基于安全性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)替代通風(fēng)機(jī)進(jìn)行的比較。因此，有必要使用考慮多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的決策方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。為此，本研究采用層次分析法作為選擇過(guò)程，并選擇合適的通風(fēng)機(jī)。同時(shí)對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)的選型方案進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用的驗(yàn)證分析，研究結(jié)果為礦井機(jī)械設(shè)備的選型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供了依據(jù)。