高原矿井通风参数及风机选型研究与应用

姚银佩 蔡泽山 王辉林 李亚俊

摘要：高原环境的特殊性，致使高原矿井通风系统具有空气低压缺氧、进风温湿度低、电动机有效功率低等特点，高原矿井通风系统参数及风机参数都与平原地区不同。在分析高原矿井通风系统问题的基础上，研究了高原矿井通风系统参数及风机参数，结合高原矿山通风参数调整的工程实例，对风机进行了选型设计计算和工程应用。通过工程现场检测，风机实际运行工况与设计计算工况相符，验证了参数调整和风机选型的有效性。

关键词：高原矿井;矿井通风系统;通风参数;风机选型;工程应用

中图分类号：TD72文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2020）10-0037-03doi：10.11792/hj20201007

高原环境与平原地区相比存在着特殊性，致使高原矿井具有“三低”特征，即气压低、温度低、湿度低[1-2]。高原矿井通风系统受高原环境的影响，存在着空气低压缺氧、进风温湿度低、电动机有效功率低等特点，因而，高原矿井通风参数及风机特性参数也和平原矿井不同。在高原矿井通风系统设计时通风阻力参数和风机选型计算需要进行调整，才能以正确的参数选取和高原环境相匹配的风机，以满足高原矿井通风的需求[3]。本文以高原环境下矿井通风阻力参数和风机特性参数为基础研究，结合高原矿山实际情况，对高原矿井风机选型进行分析计算与设计[4]，并进行了工程实施和现场风机工况检测，取得了较好的应用效果。

1 高原矿井通风系统问题

高原矿井通风系统设计必须考虑高原环境下存在的问题。高原矿井面临大气压力低、空气密度低、氧含量低、温度低且温差大、湿度低等环境条件，导致高原矿井风量需求、通风方式、进风条件、自然风压、矿井阻力、风机设备等都受到影响，主要表现在以下几个方面：

1）空气密度低，单位空气中氧含量低，井下需风量增加，并且井下炮烟扩散体积增加，矿井通风系统设计计算需风量增加，以达到排烟排尘的通风需求。

2）矿井内气压低，若采用抽出式通风，矿井内负压状态，井下压力进一步降低;而压入式通风仅适用于浅部开采的矿山。因此，压抽混合式通风方式成为高原通风系统的首选方式。

3）地表气温低，特别是冬季寒冷且时间长，需要空气预热等防寒措施，防止进风井结冰冻井，保持矿内温度避免工人缺氧加剧，以免影响生产。

4）冬夏季及昼夜温差大，矿井内外受温差、高差影响，自然风压变化大，夏季自然风压一般对矿井通风不利，冬季负压大对矿井通风有利，应充分利用。

5）高原气候干旱缺水、湿度低、植被稀少、多劲风、多风沙、易扬尘。矿井进风风源需采取相应的净化措施，保证风源质量。

6）高原状态下空气密度下降，风流运动产生阻力降低，根据矿井摩擦阻力计算公式计算矿井阻力时，需对摩擦阻力系数进行修正调整。

7）高原环境下空气稀薄，导磁能力差，电动机有效输出功率降低，空气介质冷却效应降低，电动机散热能力差，应降负荷运转。因此，选择通风机时，要选取配套的高原电动机，并给予一定的备用和降效系数。

2 高原矿井通风参数

在高原矿井通风系统设计时，应对矿井通风系统相关的通风参数进行调整，以保证矿井通风系统的有效性。主要的高原矿井通风参数计算方法为：

1）风量。在高原矿井通风中，气压降低，炮烟体积膨胀，因此排烟需要更多风量。通风条件恶化，应以空气密度校正排烟风量，在计算矿井的实际需风量时，采用空气密度的比对风量进行调整（标准空气密度取1.2 kg/m3），以满足高原矿井的通风需求[5]。

Qh=1.2ρhQ0（1）

式中：Qh为高原状态下的需风量（m3/s）;Q0为标准状态下的需风量（m3/s）;ρh为高原矿井的空气密度（kg/m3）。

2）通风阻力。高原状态下，根据矿井摩擦阻力计算公式，需对摩擦阻力系数进行调整，得到高原矿井摩擦阻力计算公式[6]。

pfh=ρh1.2pf0（2）

式中：pfh为高原状态下的摩擦阻力（Pa）;pf0为标准状态下的摩擦阻力（Pa）。

3）风机压力。根据风机相似原理，在风机转速一定、叶轮直径不变的状态下，风机压力与风机安装处的空气密度成正比[7]。高原状态下风机的压力为：

ph=ρh1.2p0（3）

式中：ph為高原状态下风机的压力（Pa）;p0为标准状态下风机的压力（Pa）。

4）风机流量。根据风机相似原理，风机的体积流量与叶轮直径和转速成正比。同一风机叶轮直径不变，转速一定时，高原状态下其体积流量不变，质量流量减小[8]。

2020年第10期/第41卷采矿工程采矿工程黄 金

5）风机电动机功率。电动机在高原特殊环境下运行，须考虑15 %的储备和28 %的高原降效，以使电动机输出功率达到预期[9]。

高原状态下电动机的功率选取为：

Nh电=N电（1+0.15）/（1-0.28）（4）

式中：Nh电为高原状态下选取电动机的功率（kW）;N电为标准状态下选取电动机的功率（kW）。

3 高原通风阻力计算及风机选型

3.1 工程概况

锡铁山铅锌矿位于青海省海西州大柴旦行委锡铁山镇，采用主平硐+竖井+斜坡道开拓方式，矿区主平硐标高3 055 m，主竖井平硐标高3 142 m，斜坡道口标高3 065 m，属高原矿井。通风系统为中央进风东中西多井回风方式，其中东部回风井为新建回风井，须对东部通风系统高原环境下的通风阻力及风机选型进行设计计算。

3.2 通风系统阻力计算

矿井通风系统阻力一般由自然风压、沿程阻力、局部阻力、装置阻力及动压损失等组成。

1）自然风压[10]。按照井深100 m为界，当井深大于100 m时，井筒内空气状态变化属于等温过程。计算冬季自然风压为83.43 Pa，夏季自然风压为-158.78 Pa。 所以，冬季自然风压帮助通风，夏季自然风压为井下通风的阻力，属通风困难时期。

2）东部回风线路最困难通风阻力计算。东部回风线路的最大沿程阻力为1 510.48 Pa，局部阻力为302.10 Pa，自然风压为158.78 Pa，通风装置阻力为150.00 Pa，动压损失89.58 Pa，则最困难时期最大通风阻力为2 210.94 Pa。根据高原通风阻力参数调整公式，调整后最大沿程阻力为1 087.55 Pa，局部阻力为217.51 Pa，自然风压、装置阻力及动压损失取值不变，则调整后最困难时期通风阻力为1 703.41 Pa。

3.3 東部通风系统主扇风机选择

东部风机设计地表标高3 232 m风井口，负担矿区东部生产作业100 m3/s的排风量。所以，风机在高原条件下需提供的风量应为100 m3/s，通风总阻力为1 703.41 Pa，按风机效率0.70，储备系数0.15，高原降效系数0.28，电动机效率0.89，传动效率1.0来计算，需电动机功率为436.71 kW。根据线路阻力特性及风机特性曲线，查阅风机选型表，选择风机型号为DK40-6NO.21-2×220 kW，该风机参数见表1。

在标准状态下，风机特性曲线及工况点为：风量105 m3/s、风压2 250 Pa，叶片安装角35°/30°，装置效率77.50 %，见图1。

在高原状态下，风机特性曲线及工况点为：风量105 m3/s，风压1 750 Pa，叶片安装角35°/30°，装置效率75.90 %，见图2。

4 工程应用效果

东部风机安装于3 232 m 035勘探线东风井口，见图3。矿井通风系统施工完成后，对东部通风系统风机运转工况参数进行测定，主要测量工具为热敏式风速仪、高原数字气压计、精密数字压差计、激光测距仪等。

经实测，东部风机实际运转工况为：风量106.3 m3/s，风压1 900 Pa，装置效率为77.58 %，见表2。 测定数据与设计数据相吻合，东部通风系统满足生产作业用风量需求。

5 结 语

高原矿井具有“三低”特征，高原矿井通风系统受高原环境的影响，具有空气低压缺氧、进风温湿度低、电动机有效功率低等特点。因此，高原矿井系统在选择风机时要根据高原矿井通风特性对通风参数及风机特性参数进行调整，以满足高原矿井通风的需求。高原风机的电动机有效输出功率降低，散热能力差，降负荷运转，所以高原风机配套电动机应给予一定的能力备用和高原降效，才能使得电动机功率达到设计预期。本文以锡铁山铅锌矿东部通风系统为工程实例，通过对东部通风系统阻力和风机选型参数计算，选出合适的风机，工程实施后现场检测，风机实际工况良好，满足生产所需，设计合理。

[参 考 文 献]

[1] 高俊，王海宁.高寒地区矿井通风研究现状[J].化工矿物与加工，2019，48（12）：13-17.

[2] 张亚明，何水清，李国清，等.基于Ventsim的高原矿井通风系统优化[J].中国矿业，2016，25（7）：82-86.

[3] 黄勇，李济吾.矿井扇风机计算机优选及其QBASIC程序设计[J].矿业研究与开发，2000，20（4）：40-42.

[4] 王洪粱，辛嵩，韩永辉.高海拔矿井通风机的合理选型与优化设计[J].黑龙江科技学院学报，2013，23（6）：523-526.

[5] 刘全，王秀华，周保东，等.高原地区阻力修正及风机选型[J].锅炉制造，2001（2）：79-80.

[6] 王社海.高原地区通风机选型设计实例分析[C]∥《建筑科技与管理》组委会.2014年8月建筑科技与管理学术交流会论文集.北京：北京恒盛博雅国际文化交流中心，2014：27.

[7] 黄玉诚，王瑜敏.高海拔对矿井轴流式风机性能影响及风机合理选型[J].中国矿业，2020，29（1）：133-136.

[8] 尹玉鹏.高原矿井通风设备参数修正计算模型的研究[C]∥中国职业安全健康协会.中国职业安全健康协会2008年学术年会论文集.北京：中国职业安全健康协会，2008：246-250.

[9] 杜海青.高原缺氧地区多金属矿的开发思考——以西藏甲玛特大型铜多金属矿开发为例[J].黄金，2011，32（12）：1-4.

[10] 谭海文.自然风压变化规律及其对矿井通风系统的影响[J].黄金，2007，28（11）：20-23.

Study of ventilation parameters and fan selection

and its application in underground mines on plateau

Yao Yinpei1，Cai Zeshan2，Wang Huilin2，Li Yajun1

（1.Hunan Labour Protection Institute of Nonferrous Metals; 2.Xitieshan Branch of Western Mining Group Co.，Ltd.）

Abstract：Due to the particularity of the plateau environment，underground ventilation systems on plateau have the characteristics of low air pressure and insufficient oxygen，low inflow air temperature and humidity，low effective power of the motor，and the parameters of underground ventilation systems and fans on plateau are different from those of the plain area.Based on the analysis of the problems for underground ventilation systems on plateau，the parameters of underground ventilation systems and fans on plateau are studied.Based on the adjustment of underground ventilation parameters on plateau in engineering practice，the fan selection is designed，calculated and applied industrially.The onsite industrial test shows that the actual operation status of the fan is consistent with the design and calculation，verifying the effectiveness of parameter adjustment and fan selection.

Keywords：underground mine on plateau;underground ventilation system;ventilation parameters;fan selection;industrial application