某矿主通风机选型设计与应用研究

杜懿宇

（山西忻州神达集团南岔煤业有限责任公司，山西 忻州 036700）

引言

通风控制着矿井内部密闭空间内的空气流动、数量和方向。虽然它不直接有助于生产阶段的业务，但是缺乏适当的通风往往会导致工人效率低下、生产率下降和事故率增加。空气不仅对呼吸是必要的，而且对分散化学和物理污染物（气体、灰尘、热量和湿度）也是必要的。矿井通风系统是地下采矿系统的重要组成部分。它们提供足够的空气来维持一个合适的工作环境。矿井通风系统应当是非常可靠的，因此，必须在整个矿井的使用寿命内定期维护[1]。在现实中，矿井通风系统偶尔会发生故障，这种故障会给矿井工人带来潜在的风险。为了确保地下煤矿的安全和生产环境，良好的通风系统是强制要求的。主通风机的选型设计应使其在整个矿山生命周期内提供所需的空气量，经济运行的静态效率一般不低于60%[2]。通过对矿井通风机技术适用性的分析和经济分析，确保通风机的选择具有长远的目标，使矿井通风机全寿命运行的总成本最小。最终主通风机的风扇选择取决于在研究风扇技术方面对矿井生产的安全保障。

1 主通风机选型设计方法简介

1.1 层级分析法的核心要义

层次分析法（AHP）是一种多准则决策（MCDM）方法，它帮助决策者面对具有多个冲突和主观准则的复杂问题（通风路径、风扇大小、转速等）。它是一种通过成对比较的测量理论，依靠专家的判断来得出优先级范围。层次分析法专注于将问题分解，然后将所有子问题的解集合成一个结论。它通过将感知、感觉、判断和记忆组织成一个框架，展示影响决策的力量，从而促进决策的制定[3]。在层次分析法的第一步，决策问题被分解成一个层次结构与决策元素（如通风目标、安全准则、间歇性转动方案）。从安全通风目标到安全执行标准，从次标准到最终的设计的通风选型方案，分解到通风机关键位置以执行。

为了建立层次分析模型，有必要确定影响选择合适风扇的因素。在选择最合适的风机时，确定了四个主要标准:技术、操作、环境和经济，每个标准都有具体的子标准[4]。

1.2 选型设计特性曲线

矿井的空气需求量根据通过矿井顶层的通风结构空气表面泄漏量而确定，则必须根据全综采工作面密封性质增加10%~30%[5]。在获得与矿山工作面风阻有关的基本数据之后，绘制矿山风阻曲线。

矿山风阻曲线包括任何矿山作业期间所需的风机数量。在得到矿井风阻曲线后，从风机特性曲线选择主通风机，以图形方式表示压力、效率和转速与输送能力的函数关系。这些风扇特性曲线和各种型号风扇的列线图通常可以在各大通风机制造商的公告和其他销售产品目录中找到。风机特性曲线和矿井风阻曲线的交点称为操作点。将风机特性曲线与矿井风阻曲线叠加得到工作点数后，如图1所示。可以计算出主通风机风量为3522m3/min，负压为1496Pa[6]。最后选择多个厂家生产的主通风机制作选型设计表，保证选型后设备的安全性。

图1 风机特性曲线示意图

2 通风机选型考虑的因素

2.1 选型设计的安全预防保障

1）在任何情况下，风扇在其整个使用寿命的任何运行节点的效率不得低于60%。

2）任何阶段的运行节点不得落在最高转速0.9倍的左边曲线。因为在这种情况下，风扇可能会进入不稳定或失速状态。

3）矿井内克服空气动力和摩擦阻力的压降等于风扇产生的静压，而不等于总压。因此，在总压力对体积的性能曲线上拟合风扇值数据会给出错误的信息，从而导致错误的选择。

4）风扇在其估计使用寿命期间的备用容量必须为最大计算风扇容积的20%或以上[7]。

2.2 经济性因素

为了满足矿井中特定的通风要求，可以从经济的角度来比较多种通风机风扇，包括设备、安装和整个使用寿命的总成本。总成本包括折旧成本、电力成本、贷款资本利息及营运成本（即维修及保养成本、故障成本及润滑油、机油及油脂成本的总和）。

由于备用风扇装置的所有设备费用与工作风扇装置的费用相同，因此一般建议工作风扇应始终备有一台备用风扇，通常每隔一个月运行一次。可如此评估工作风扇连续运行的通风成本，假设备用风扇只需在15年内运行1年，因此成本条件乘以一个系数(1+1/15)，以考虑备用风扇的成本。同时可以通过将每个运行点（效率）下降所增加的每年电力成本等同于每年固定电费的百分比乘以加权系数来计算。如果风扇运行能够保证效率，那么每年的电费不会有较大的波动。

3 主通风选型设计效果分析

为了满足矿井主要综采工作面区域7 750 m3/min的需风量要求，一方面矿井需实施上述井下降阻措施，另一方面需要更换目前的G4-73-11№22D型离心式通风机。需要特别提出的是，综采工作面南风井G4-73-11№25D型离心式通风机目前风量为4 420 m3/min，后期担负的综采工作面北翼采区风量降至1 000 m3/min，可通过降低电机转速的方式进行调节，调整后风机曲线见图2。

图2 G4-73-11№25D风机装置特性曲线

目前，轴流式通风机是更换离心式通风机的最佳途径。选用GAF26.6-14-1与ANN2500-1250B两种轴流式通风机时，井下各用风地点风量均能满足要求。选用GAF26.6-14-1型主通风机时，风机风量7 430 m3/min，静压2 396.9 Pa，效率约80%，功率371 kW；选用豪顿ANN2500-1250B型主通风机时，风机风量7 452 m3/min，静压2 382.4 Pa，效率约85%，功率348 kW。同时，豪顿ANN2500-1250B型主通风机智能控制高，风机运行稳定，效率高。上述主通风机的选型设计能够满足实际工程需要。

4 结语

本文介绍了层次分析法在某地下煤矿通风机选型方案评价中的应用。与传统的风机选择方法不同，层次分析法能够更科学地选择最合适的通风机，保持通风机的完整性和客观性。它也是一种灵活的方法，可以应用不同的评估标准和选择方案。在通风机风扇选择过程中，该方法易于理解，易于决策者应用。

通风机是采矿作业中的一项关键任务。为地下矿选择合适的风机需要考虑许多标准，包括技术、操作、环境和经济因素。这个选择问题是基于安全性标准对替代通风机进行的比较。因此，有必要使用考虑多个标准的决策方法来解决这个问题。为此，本研究采用层次分析法作为选择过程，并选择合适的通风机。同时对矿井主通风机的选型方案进行实际工程应用的验证分析，研究结果为矿井机械设备的选型优化设计研究提供了依据。