礦井通風風阻與風機工作效率研究

趙幸輝

（山西忻州神達南岔煤業有限公司，山西 忻州 036700）

引言

礦井通風系統是地下開采系統的重要組成部分[1]，它能為地下礦井提供足夠的空氣，以稀釋甲烷和其他污染物，保持合適的工作環境，防止事故發生[2]。很多時候，通風是煤礦生產的限制因素[3]。煤礦通風是一個超級復雜的系統，在礦井通風運行階段，其狀態不能保持恒定[4]，可能會因生產要求、采礦法規等原因而及時改變。一般來說，許多影響因素可以控制或影響系統的行為[5]。礦井通風阻力的測量與安全有效的通風系統密切相關。風機的實際風量是否與礦井的空氣需求相匹配，礦井通風系統是否處于最佳運行狀態，直接關系到礦井的安全和經濟效益[6]。同時，大氣壓的改變也對風機工作效率有著影響。通過測定煤礦井巷的通風阻力，能及時了解反饋各巷道的通風阻力值，該阻力值科作為優化礦井通風線路的數據支撐，從而選用與風阻的大小相匹配的風機。此外，還可利用實測數據進一步推算出巷道面的通風摩擦系數，并作為礦井通風風道延伸與通風系統優化的支撐。

1 通風風阻的測定

采用如圖1所示的多功能多參數通風檢測儀AODH-JFY-4來測量風阻，AODH-JFY-4是一款多功能儀器，可以測量流量、風速、壓力、溫度、濕度、露點和其他礦井通風指標。具體參數如表1所示。該儀器使用先進的32位微控制器作為控制單元，可實現一鍵操作，簡單可靠。檢測儀具有實時電池電壓顯示、剩余電壓顯示、電池欠壓提示和自動關機功能，提供可更換的模塊化傳感器，集成了數據記錄備份，PC機通訊、以及處理和統計功能功能。壓力傳感器的頻率信號和溫度補償電壓信號分別發送至MCU，分別進行F/D轉換和A/D轉換后的壓力值計算；然后，MCU將壓力值發送到顯示器進行顯示，同樣，風速和濕度傳感器信號也為F/D。在進行F/D轉換和A/D轉換之后，它們被發送到MCU以計算風速和濕度值。通過顯示設置菜單，可以設置需要在顯示器上顯示的參數。對于菜單上突出顯示的參數，可以選擇“打開”選擇在屏幕上顯示參數，也可以選擇“關閉”以關閉參數顯示，然后選擇主參數“PRIMARY”以在屏幕上顯示參數。屏幕上的大字體。只能選擇一個參數作為主參數“PRIMARY”顯示。另外，最多可以在屏幕上選擇4個參數作為顯示的輔助參數。

圖1 AODH-JFY-4多功能多參數通風檢測儀

表1 AODH-JFY-4參數表

2 礦井通風環境的模擬

采用自行設計的變壓風阻實驗裝置來模擬礦井通風環境。變壓風阻實驗裝置主要由通風系統，功率檢測系統和氣壓變化系統三個系統組成。其中，采用環形封閉金屬管、管道內通風機、壓力以及風速測量系統構成通風系統，采用電量檢測和監控裝置組成電量檢測系統，采用壓縮機泵和操作臺組成壓力可變系統，實驗系統圖如圖2所示。實驗管線部分以實際的圓形巷道為原型，采用不銹鋼圓管首尾相連的方式形成閉環管線，設計實驗模型巷道的相似比為1∶20。實驗管線的總長度為70 m，長度為6 m，內徑為200 m。環形封閉管道的材質為3 mm厚316不銹鋼管，具有良好的耐腐蝕的性能和力學性能，在高低壓變化條件下管道也不易變形，從而避免引入因壓力變化而導致的管道變形引起的實驗誤差。另外，316不銹鋼管良好的耐腐蝕的性能也是后續的“溫度變化實驗”和“濕變化實驗”正常進行的保障。其中金屬管路的設計如圖3所示。

圖2 實驗系統圖

圖3 不銹鋼制式環形密閉管道實際效果圖

3 壓變風阻與氣壓關系實驗分析

3.1 氣壓對風機最大轉速影響實驗分析

在壓力可變的風阻實驗時，最關鍵的因素是確定風機的速度和管中風速。為了研究管中的氣壓是否對風機的最大轉數有影響，在實驗設計中使用了速度調節和可視化方法，實時監控氣壓和轉速監控，并記錄實驗中每個大氣壓下風機的最大轉速。在測量范圍內，當管道中的大氣壓為0.06 MPa時，風機的轉速達到最大值2 470 r/min。當管道中的大氣壓為0.13 MPa時，風機的轉速最小值為2 300 r/min，兩者之差為170 r/min。由圖4可知。風機的最大轉速會隨著管內大氣壓力的增加而出現降低的現象。

圖4 大氣壓力-轉速關系圖

3.2 氣壓對定轉速下風機風量、風壓的影響實驗分析

在實驗過程中，為研究在高低壓環境下風機的輸出風壓的之間的聯系，采用多功能參數測試儀分別測試對通風機在不同大氣壓下的輸出風壓，其記錄整理后繪制圖5。從圖5可以看出，在大氣壓相同的前提條件下，管內的氣壓隨著風機轉速增加而增加。當風機轉速相同時，隨著大氣壓的增加，風機提供的風壓會更大。也就是說，在相同的工作條件下，高海拔礦山中，由于海拔高度的增加，空氣密度降低，風機的風壓降低，風機的整體性能降低，出現嚴重的風機容量不足的問題。選擇高海拔風機類型時，應考慮風機的風壓校正。

圖5 不同氣壓下風機風壓對比圖

3.3 氣壓對通風機的效率影響

為了更加直觀地觀察出大氣壓力對風機效率曲線的影響規律，對比了8組不同大氣壓下風機在8個不同風量下的風機效率對比。如從圖6可以看出，隨著管道中風機風量的增加，風機的效率也隨之提高，即效率與風量呈正相關；反之，風機的風量與風量呈正相關。同時，在比較大氣壓梯度后，發現在相同風量下風機的效率隨大氣壓的增加而增加。該增加似乎顯示出增加的趨勢，當風機在相同風量下處于高海拔區域時，風機的效率略低于深井區域中的風機的效率。原因是高海拔地區的空氣密度低，使得電機單位時間內的散熱效率不高，導致風機的輸出功率下降。另外，電機在高海拔地區更容易發生電暈現象，造成能量浪費。

圖6 風機效率對比圖

4 結語

為研究通風風阻與風機工作效率，本研究自行設計并制作了環形封閉式壓力可變風阻試驗裝置系統，主要研究了不同大氣壓力與管道的摩擦風阻、摩擦阻力系數以及電機功率和效率相關性。主要方法為通過風機轉速、風機風量和風機效率三個變量與大氣壓力之間的變化趨勢圖來反映大氣壓對風機性能變化的影響。實驗結果分析表明，在實驗條件下，保持風機功率不變，增加大氣壓會導致風機的速度增加。此外，在相同的工作條件下，受空氣密度的影響，風機的風壓會隨著海拔高度的增加而降低，但是風機的風量保持不變，即在高海拔地區，風機性能會下降；另外，通過對風機的效率的測量發現，風機的效率隨大氣壓的增加而明顯提高。