网路降阻与风机调节相结合管理井下通风系统

黄绍明 季现伟 王 晶

(玉溪矿业有限公司)

大红山铜矿位于云南省玉溪市新平彝族、傣族自治县戛洒镇，是玉溪矿业有限公司的主力矿山，也是云南铜业集团的标杆矿山，采用无轨+有轨相结合的方式进行开采，实际矿石生产能力为15 000 t/d。该矿山采用“两翼进风，中部回风”多风机多级机站压抽结合的通风方式，井下生产范围大，巷道与作业点较多，整个通风系统网路结构十分复杂［1］。随着采矿的进行，开拓工程不断向深部延伸，致使该矿山的整个通风网路结构、总风阻、风机工况点较初期都发生了变化。与其他金属矿山一样，风机运行效率低，通风效果不佳，盲目增加风机，不同程度地存在着低效高耗的现象［2-3］。

如何保证通风效果、井下的微气候条件及风机高效经济运行，是大红山铜矿生产经营中亟待解决的难题，也是一个非常具有实际应用价值的研究课题。针对这一课题，笔者作为大红山铜矿整个通风系统的管理者，根据自己多年从事通风管理工作的经验，结合该矿山的实际情况，在优化通风路线、缩短送风里程、封闭废弃的联络井巷、减少漏风和风机使用变频调速器等方面采取有效措施的基础上，又提出网路降阻与风机调节相结合的方法管理通风系统，明显改善了井下的微气候条件，并保证了风机高效经济运行，同时为矿山创造了巨大的经济效益［4］。

1 通风存在的问题分析

在矿山实际生产中，风机的工况点经常因开拓工程的增加、采掘工作面的转移等因素变化及风机本身性能的变化而改变［5］。特别是整个矿井通风进入困难时期，由于供风里程、需风量、漏风点都在增加，风机工况点变化较大，为了保证供风量，存在盲目增加风机的现象，结果导致风机运行效率低，风流沿途漏入采空区，通风电耗急剧增加，工作面达不到理想的作业环境［6］。

对于整个矿井的通风系统而言，风机运转的效率高低直接影响整个系统通风效果的好坏。如何保证风机在高效区域运转是降低矿井通风能耗和提高矿井通风效果的重要措施之一［7］。根据风机理论分析证明，风机的轴功率与风量的立方成正比，即［8］

式中，Nf为风机的轴功率，kW;Rf为井巷的风阻，N·s2/m8;Qf为风机的风量，m3/s;ηf为风机的效率。

虽然通过减少供风量降耗效果最明显，但在实际生产中，特别是通风相对困难时期，为了保证井下具备良好的作业环境，减少供风量是不现实的。必须在保证供风量的前提下，采取其他措施降耗节能，并提高通风效果。

风机通过克服井巷的沿程阻力，把新鲜风流送到作业面所耗费的电能至少与2个因素密切相关:一是网路的风阻大小;二是风机的效率高低。显然，降低通风网路的风阻值，就相当于直接降低风机的输出风压值，相应地降低了风机的轴功率，即减少电能消耗。另外，风机的效率与轴功率成反比，当提高风机运行效率时，同样也直接降低了风机的轴功率，即减少电能消耗［9］。因此，必须平衡井巷风阻与风机效率之间的关系，保证通风效果的同时，真正达到节能增效的目的。

2 网路降阻与风机调节相结合

在整个通风系统随生产运行过程中，为保证风机高效经济地运行，必须适时地进行风机工况点的调节。实质上，风机工况点的调节就是供风量的调节。由于风机工况点是由风机的风压和井巷风阻两者的特性曲线决定的，因此，要调节风机工况点，必须把网路降阻与风机调节相结合才能真正达到节能增效目的［10］。

2.1 网路降阻的措施

当矿井通风进入困难时期，总风量供应不足时，如果能降低矿井的总风阻，则不仅可以增加矿井的总风量，而且可以降低矿井的总阻力。网路降阻有多种措施，但是，当井下巷道开掘完毕投入使用后，井巷的风阻大小就已成固定值，各分支井巷的风阻难以人为改变其大小。根据矿山企业的实际情况，在不影响井下正常生产的情况下，投入成本最少，最显著地降低整个网路总风阻大小的方法就是改变各分支井巷的相互连接结构形式。尽可能地利用相互并联的井巷，包括利用废旧井巷，将串联风流改为相互并联流动，其原理如式(2)所示［11］:

式中，R为并联巷道总风阻，Rn为各分支巷道风阻。

式(2)表明:并联通风网路并联的分支井巷越多，总风阻越小，且并联通风网路总风阻永远比任意一条分支井巷的风阻小。若有n条风阻相同的风道并联，则并联后的总风阻为R=Rn/n2。即使是最简单的情况，设两条并联井巷风阻相等，当同等的风量经两条并联井巷进入风机，较风流经单一井巷进入风机，总风阻只有分支井巷风阻的1/4倍。可见并联通风网路的总风阻较并联分支井巷的风阻值降低的幅度非常大。

因此，在实际的通风工作中，在盘区的进风和回风路线上，应尽可能利用现有的相互并联的井巷输送风流，可显著降低网路的总风阻。通常盘区的回风路线距风机较远，除专用回风路线外，沿途还有许多废旧井巷。为了减小回风路线的总风阻，充分利用沿途的废旧井巷，对废旧井巷中各中段、水平的上下联络井采取隔离措施，防止漏风。

如图1所示，该区域为435 m中段的部分井巷，450 m切顶巷作为东部区域的专用回风巷。为了减小通风阻力，把已经采矿结束的440 m切顶巷利用起来，对435 m中段20－24盘区Ⅰ段出矿进路进行密闭(一是为了充填采空区使用，二是为了防止漏风)，使用2条井巷形成并联回风，从而降低了盘区的回风路线总风阻，其降阻效果如表1所示。尽管有的2条并联井巷长度并不完全一样，但只要充分、合理、科学地使用，也能起到降低总风阻的作用。

图1 利用废旧井巷降低通风阻力示意

表1 网路并联降阻结果

2.2 提高风机效率的措施

提高风机运行的效率，本质是在保证供风量的前提下，让风机在高效率状态下运行，从而达到节能的目的。受风机结构的限制，轴流式风机的风压特性曲线一般都有马鞍形驼峰存在，而且同一台风机的驼峰区随着叶片安装角度的增大而增大。驼峰右侧的特性曲线为单调下降曲线，是稳定工作区段;驼峰左侧的特性曲线为不稳定工作区段，风机在该区段工作，有时会引起风机的风量、风压和电机功率的急剧波动，甚至机体发生震动，发出不正常的噪音，产生所谓喘振现象，严重时会损坏风机［12］。因此，为保证风机在稳定区域高效运行，叶片安装角度尽量不要选择厂家提供的最大及最小安装角度，宜选择中间角度。

风机在不同叶片安装角度下运行时都有其效率的最大值点，在该点两侧的效率相对较低，见图2所示。该图为K40－8－No22轴流式风机32°叶片安装角的效率曲线。将不同角度叶片角的等效率点连线，即可获得该风机的运行效率分布曲线。

图2 K40－8－No22风机32°叶片角的效率曲线

风机运行状态的工况点是风机运行时对外输出风量、风压等所有技术参数的即时状态点，也即网路风阻特性曲线与风机的风量－风压特性曲线的交点，简称工况点。当网路总风阻变化时，工况点将沿风机特性曲线上下移动，从而改变风机运行的效率，使风机的运行效率较原来提高或降低［10］。但通过采取相应措施调节使网路总风阻降低时，倘若工况点向低效率方向移动，由此获得的节能效果就要打折扣。因此降低网路的风阻还要与提高风机效率调节紧密结合，才能取得良好的节能及通风效果，见图3所示。

图3 网路风阻与风机工况点变化

图3 表示了K40－8－No22风机经过网路降阻后工况点的变化情况。其中，R1和R2表示网路经过并联处理前后的风阻特性曲线，K1、K2、K3表示不同条件下的风机工况点。

以图3为例，该装机点原来的网路风阻特性曲线为 R1，风机工况点为 K1，风量 70.5 m3/s，风压820 Pa，叶片安装角29°，效率77%，轴功率75.08 kW。通过将网路并联降阻后，网路风阻特性曲线为R2，风机工况点为 K2，风量 77 m3/s，风压 725 Pa，叶片安装角29°，效率83.5%，轴功率66.86 kW。通过网路降阻后，风机风量增加了，效率提高了，轴功率也明显降低。

这仅是对1台风机的举例说明，大红山铜矿原有风机97台，总装机容量6 233 kW，如果每台风机每秒增加几立方风量，所有风机每秒将增加上百立方风量。通过公式(1)可知，电耗与风量之间成3次方的关系，也就是说，在矿井风阻、风机效率、电机功率、传动效率等因素不变的情况下，若把风量增加1倍，电耗将升为原来的8倍，过度地加大风量，将导致电耗急剧增加，因此应严谨计算需风量。

虽然大红山铜矿通风进入相对困难时期，但在原通风设计的基础上，也不需要增加过多的供风量。通过图3仔细研究可发现，如果采用网路降阻与风机调节相结合的方法，在网路降阻的基础上，再把风机叶片安装角由29°调整为26°，此时风机工况点为K3，风量 73.5 m3/s，风压 620 Pa，效率 86.3%，轴功率52.8 kW。与网路降阻单一调节法相比，风机效率提高了2.8个百分点，轴功率却降低了14.06 kW，而供风量也完全满足需求，保证通风效果的同时，节能降耗效果非常明显。

3 调节效果统计

大红山铜矿近3 a来专门立项进行区域收缩和通风系统优化，通过封闭废弃的上下连通的管缆井，处理部分废旧井巷与现用井巷实现并联，降低通风阻力。每个区域的通风网路优化完毕，再利用自主研发的通风网络解算软件MVNSS进行解算，并对解算结果进行分析。根据解算结果，再对部分中段水平的风机工况进行调节(使用变频器或者调节叶片安装角)，提高运行效率，拆除不必要的风机，从而降低通风能耗。通过充分利用网路降阻与风机调节相结合优化通风系统所获得的节能效果进行粗略统计，其结果如表2所示，在保证通风效果的同时，仅8个中段水平的部分区域风机就降低能耗136.78 kW，增加风量26.7 m3/s，每年可节约通风费用59.58万元。

表2 网路降阻与风机调节相结合调节法效果统计

4 结论

笔者根据多年从事通风管理工作的经验，把理论与实践紧密结合进行深入研究，提出了网路降阻与风机调节相结合的方法优化通风网路。此方法在大红山铜矿通风管理过程中实际应用，井下风机由原来的97台减少到84台，装机容量由原来的6 233 kW减少到目前的5 687 kW，目前风机平均效率在80%以上。该方法的应用明显改善了大红山铜矿井下的微气候条件，并保证了风机高效经济运行，同时每年为矿山节约数百万元通风费用，达到了良好的节能降耗效果，值得大力推广应用。

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