高海拔矿井风机通风降效特征的研究

王瑜敏 黄玉诚

（中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京100083）

随着我国中东部地区矿产资源的长期开发，资源储量越来越少。而西部地区地域广阔、资源丰富，必将在未来的国民经济发展中发挥越来越重要的作用。西部多为高海拔地区，海拔1 000 m以上的土地面积占全国陆地面积的60%左右，海拔2 000 m以上的面积约占33%，3 000 m以上面积约占26%［1-2］。高海拔地区，大气压力低、空气稀薄缺氧、气候干燥寒冷，这种恶劣的地理气候环境极大地影响和制约着高海拔矿山地下开采的正常生产，给矿产资源的开发造成了很大的困扰［3-7］。特别是低压低氧环境使得井下通风管理难度加大，通风效果严重下降，更加恶化了井下作业环境。本研究主要结合某高海拔矿井局部通风实际条件探讨高海拔条件下矿井风机通风的降效特征。

1 海拔高度对大气压力和空气密度的影响

1.1 大气压力随海拔的变化

一般情况下，大气压力随海拔高度的增加而减小。大气压力与海拔高度的关系［8］为

式中，P为当地平均大气压，Pa；P0为海平面处的大气压，取101 325 Pa；h为当地海拔高度，m；M为空气的摩尔质量，取29 kg/kmol；g为自由落体加速度；R0为通用气体常数，取8 314 J/（kmol·K）；T为空气温度，取293 K。

1.2 空气密度和氧含量随大气压力的变化

1.2.1 空气密度

矿井空气的密度与温度、压力和湿度等因素有关。在矿井通风中，相对湿度一般变化不大（70%～100%），它对空气密度的影响极小。一般可按照下式近似测算矿井空气密度［8-9］:

式中，ρ为空气密度，kg/m3；t为空气温度，℃。

1.2.2 空气氧含量

随着海拔高度变化，空气中氧气体积分数和质量分数基本不变（20.95%）。但由于大气压力随海拔升高而减小，空气密度变小，单位体积所含氧气的质量则相应减少。空气中氧含量=空气密度×空气中氧气质量分数。为了便于氧含量对比，本文基于标准矿井空气条件下（P0=101 325 Pa，t=20℃，相对湿度φ =60%）的氧含量［8］，定义：

由式（1）～式（3）分析得到t=20℃时不同海拔处的空气压力、密度、氧含量及氧含量百分比见表1。

2 高海拔条件下风机通风参数的变化

2.1 风机特征参数随空气密度的变化规律

目前，矿用风机均以标准地区的环境参数为基础进行设计与制造，风机制造企业所提供的风机性能曲线也是根据标准气象条件下所作的模型试验资料绘制而成［10-12］。当风机应用于高海拔矿井时，根据通风机比例定律，在风机转速不变的条件下，空气密度不同引起的风机特性参数的变化［12-13］，可表达为：

式中，ρI、ρII为不同空气密度；QI、QII分别为空气密度为 ρI、ρII时的风机风量；HI、HII分别为空气密度为 ρI、ρII时的风机风压；NI、NII分别为空气密度为ρI、ρII时的风机功率；ηI、ηII分别为空气密度为ρI、ρII时的风机效率。

由式（4）可以看出，同一型号的风机应用于不同海拔地区时，风机的风量、效率相同，风压和功率与环境的空气密度成正比。

为便于后文分析空气密度变化对风机通风特征的影响，定义比例系数：C0/h=表示标准地区与海拔h处的空气密度比值，Ch1/h=表示海拔h1处与海拔为h处的空气密度比值。

2.2 不同海拔条件下风机通风参数对比分析

某高海拔矿井位于海拔高度3 700 m（空气密度为0.782 kg/m3），空气质量氧含量仅为标准地区的64.94%。该矿的一处采场目前采用K40-6-NO15型辅扇进行通风，风机进风量Q=20 m3s，实际风压206 Pa，比例系数机样本风压Hf=1.541×206=317.4 Pa，风机输出功率

研究表明，海拔2 700 m对应的环境为人体适宜工作的上限［14-15］。若该矿位于海拔2 700 m（空气密度为0.879 kg/m3），空气质量氧含量为标准地区的72.98%。选用和上述同一型号的风机，风机进风量Q=20m3/s，比例系数则风机实际风压H=1.124×206=231.5Pa，风机输出功率看出，和海拔高度3 700 m相比，由于海拔的下降，在风机输出功率增加较少的情况下，风流中的空气氧含量提高了8.04%。同理可分析得到，若该矿井位于海拔0 m、3 200 m、3 400 m和3 500 m时风机通风参数，见表2。

3 高海拔矿井风机通风效能变化特征

根据表1，高海拔矿井由于空气密度低，大气氧含量明显低于平原地区，而空气中的氧含量低是导致人员和某些设备降效的根本原因。提高氧含量的方法主要有2种途径［16-19］：①对工作地点进行增阻加压，以提高气流密度从而提高氧含量；②采用增氧设备对工作地点进行人工增氧。

为了对比风机通风效能的变化，下文分析增阻加压方式达到相同氧含量条件下的风机通风参数变化及高海拔引起的风机效能下降特征。

3.1 高海拔矿井通风增阻加压技术原理

在高海拔矿井通风中通过增阻加压提高井下空气压力，可以达到增加氧分压和氧含量的效果，其技术原理如图1所示：增阻加压前风机出口处气压为p1，井巷末端气压为p2；增阻加压后风机出口处气压为，需要在井巷末端通过增设风窗等方式增阻hc=-p1，并选用合适的高压风机进行加压，增阻加压段的空气密度和氧含量随之提高，从而实现加压增氧的目标［19-20］。

3.2 加压增氧的风机通风参数变化规律

假设某高海拔矿井位于海拔h处，大气压力为P，空气密度ρ。其局部井巷段加压前的状态如图1（a）所示，风机出口处气压为p1，井巷出口处气压为p2，风机进风量为Q，风压为H，则有：风机样本风压Hf=C0/hH，输出功率N=QH。

若该矿井位于海拔h1（h1＜h）处，大气压力为P1，空气密度p1，风机进风量为Q1=Q，则风压H1=Ch1/hH，样本风压Hf1=C0/h1H1=C0/hH，输出功率N1=Q1H1=Ch1/hQH。

为了提高氧含量，现通过图1（b）的方式进行增阻加压，将位于海拔h处的井巷氧含量水平提高到海拔h1处矿井氧含量水平，此时需要的风机进风量Q'=Ch1/hQ，需要增阻hc=P1-P，需要达到的实际风压H'=P1-P+H1=P1-P+Ch1/hH，风机样本风压=C0/hH'=C0/h(P1-P+Ch1/hH)， 输 出 功 率N'=Q'H'=Ch1/hQ(P1-P+Ch1/hH)。

为便于对比相互之间的变化规律，将增阻加压前后的风机通风参数计算式列于表3。

3.3 加压增氧的风机效能对比分析

对于前文2.2中所述海拔3 700 m矿井某采场，当前通风风流中的质量氧含量仅为标准地区的64.94%。若按照图1（b）增阻加压的方法将其提升至海拔2 700 m气压水平，根据表3所列的风机通风参数计算式可分析得到增阻加压后的各项通风参数如下（此时h=3 700 m，h1=2 700 m）：

同理可以分析得到，通过增阻加压方式将海拔3 700 m低气压提升至海拔0 m、3 200 m、3 400 m和3 500 m气压水平时的风机通风参数如表4。

表2所列是矿井位于海拔0 m、2 700 m、3 200 m、3 400 m和3 500 m时风机通风参数，表4所列为将海拔3 700 m低压低氧状态通过增阻加压方式提升到海拔0 m、2 700 m、3 200 m、3 400 m和3 500 m对应的气压和氧含量状态所需的风机通风参数。对比表2和表4可以看出：

（1）同样的气压和氧含量水平，若矿井本身位于海拔2 700 m处，风机风压232 Pa，风机输出功率为4.63 kW；若矿井位于海拔3 700 m处经过增阻加压提高到海拔2 700 m气压和氧含量水平，需要达到的风机风压高达8 375 Pa，风机输出功率高达188 kW，技术参数和通风能耗相差巨大。

（2）从风机选型和通风能耗的角度来看，海拔3 700 m处经过增阻加压提高到2 700 m气压和氧含量水平，加压风机的样本风压高达12 906 Pa，风机输出功率188 kW，技术上难以实现，作为局部地点的通风，也是相当耗能与不经济的。

（3）加压增阻能耗随着目标海拔的降低而急剧增大，基干技术可行和经济合理综合考虑，对于3 700 m的高海拔矿井，作业地点进行局部增阻加压提高氧含量3%左右（即将海拔3 700 m处氧含量提高到3 300 m左右氧含量水平）是可行的，但提高氧含量4%以上难度很大。

（4）在井下人员工作地点，为了进一步提高空气氧含量，可结合实际采用加压增阻提氧和人工增氧的联合方式。

4 结论

（1）高海拔地区气压低，空气密度和大气氧含量明显低于平原地区，低压缺氧是导致高海拔矿井作业人员和某些设备降效的根本原因。

（2）和低海拔相比，高海拔矿井在风机风量相同的条件下，风机实际输出功率相差不大，但通风气流密度和氧含量水平下降较多，通风环境明显恶化。

（3）海拔3 700 m的矿井，经过增阻加压提高到2 700 m气压和氧含量水平，风机需要很高的风压和功率，技术上难以实现，也是相当耗能与不经济的。

（4）基于技术可行和经济合理综合考虑，对于3 700 m的高海拔矿井，作业地点进行局部增阻提高氧含量3%左右是可行的，但加压提高氧含量4%以上难度很大。

（5）在井下人员工作地点，为了进一步提高通过空气氧含量，可结合实际采用加压增阻提氧和人工增氧的联合方式。