矿井通风风阻与风机工作效率研究

赵幸辉

（山西忻州神达南岔煤业有限公司，山西 忻州 036700）

引言

矿井通风系统是地下开采系统的重要组成部分[1]，它能为地下矿井提供足够的空气，以稀释甲烷和其他污染物，保持合适的工作环境，防止事故发生[2]。很多时候，通风是煤矿生产的限制因素[3]。煤矿通风是一个超级复杂的系统，在矿井通风运行阶段，其状态不能保持恒定[4]，可能会因生产要求、采矿法规等原因而及时改变。一般来说，许多影响因素可以控制或影响系统的行为[5]。矿井通风阻力的测量与安全有效的通风系统密切相关。风机的实际风量是否与矿井的空气需求相匹配，矿井通风系统是否处于最佳运行状态，直接关系到矿井的安全和经济效益[6]。同时，大气压的改变也对风机工作效率有着影响。通过测定煤矿井巷的通风阻力，能及时了解反馈各巷道的通风阻力值，该阻力值科作为优化矿井通风线路的数据支撑，从而选用与风阻的大小相匹配的风机。此外，还可利用实测数据进一步推算出巷道面的通风摩擦系数，并作为矿井通风风道延伸与通风系统优化的支撑。

1 通风风阻的测定

采用如图1所示的多功能多参数通风检测仪AODH-JFY-4来测量风阻，AODH-JFY-4是一款多功能仪器，可以测量流量、风速、压力、温度、湿度、露点和其他矿井通风指标。具体参数如表1所示。该仪器使用先进的32位微控制器作为控制单元，可实现一键操作，简单可靠。检测仪具有实时电池电压显示、剩余电压显示、电池欠压提示和自动关机功能，提供可更换的模块化传感器，集成了数据记录备份，PC机通讯、以及处理和统计功能功能。压力传感器的频率信号和温度补偿电压信号分别发送至MCU，分别进行F/D转换和A/D转换后的压力值计算；然后，MCU将压力值发送到显示器进行显示，同样，风速和湿度传感器信号也为F/D。在进行F/D转换和A/D转换之后，它们被发送到MCU以计算风速和湿度值。通过显示设置菜单，可以设置需要在显示器上显示的参数。对于菜单上突出显示的参数，可以选择“打开”选择在屏幕上显示参数，也可以选择“关闭”以关闭参数显示，然后选择主参数“PRIMARY”以在屏幕上显示参数。屏幕上的大字体。只能选择一个参数作为主参数“PRIMARY”显示。另外，最多可以在屏幕上选择4个参数作为显示的辅助参数。

图1 AODH-JFY-4多功能多参数通风检测仪

表1 AODH-JFY-4参数表

2 矿井通风环境的模拟

采用自行设计的变压风阻实验装置来模拟矿井通风环境。变压风阻实验装置主要由通风系统，功率检测系统和气压变化系统三个系统组成。其中，采用环形封闭金属管、管道内通风机、压力以及风速测量系统构成通风系统，采用电量检测和监控装置组成电量检测系统，采用压缩机泵和操作台组成压力可变系统，实验系统图如图2所示。实验管线部分以实际的圆形巷道为原型，采用不锈钢圆管首尾相连的方式形成闭环管线，设计实验模型巷道的相似比为1∶20。实验管线的总长度为70 m，长度为6 m，内径为200 m。环形封闭管道的材质为3 mm厚316不锈钢管，具有良好的耐腐蚀的性能和力学性能，在高低压变化条件下管道也不易变形，从而避免引入因压力变化而导致的管道变形引起的实验误差。另外，316不锈钢管良好的耐腐蚀的性能也是后续的“温度变化实验”和“湿变化实验”正常进行的保障。其中金属管路的设计如图3所示。

图2 实验系统图

图3 不锈钢制式环形密闭管道实际效果图

3 压变风阻与气压关系实验分析

3.1 气压对风机最大转速影响实验分析

在压力可变的风阻实验时，最关键的因素是确定风机的速度和管中风速。为了研究管中的气压是否对风机的最大转数有影响，在实验设计中使用了速度调节和可视化方法，实时监控气压和转速监控，并记录实验中每个大气压下风机的最大转速。在测量范围内，当管道中的大气压为0.06 MPa时，风机的转速达到最大值2 470 r/min。当管道中的大气压为0.13 MPa时，风机的转速最小值为2 300 r/min，两者之差为170 r/min。由图4可知。风机的最大转速会随着管内大气压力的增加而出现降低的现象。

图4 大气压力-转速关系图

3.2 气压对定转速下风机风量、风压的影响实验分析

在实验过程中，为研究在高低压环境下风机的输出风压的之间的联系，采用多功能参数测试仪分别测试对通风机在不同大气压下的输出风压，其记录整理后绘制图5。从图5可以看出，在大气压相同的前提条件下，管内的气压随着风机转速增加而增加。当风机转速相同时，随着大气压的增加，风机提供的风压会更大。也就是说，在相同的工作条件下，高海拔矿山中，由于海拔高度的增加，空气密度降低，风机的风压降低，风机的整体性能降低，出现严重的风机容量不足的问题。选择高海拔风机类型时，应考虑风机的风压校正。

图5 不同气压下风机风压对比图

3.3 气压对通风机的效率影响

为了更加直观地观察出大气压力对风机效率曲线的影响规律，对比了8组不同大气压下风机在8个不同风量下的风机效率对比。如从图6可以看出，随着管道中风机风量的增加，风机的效率也随之提高，即效率与风量呈正相关；反之，风机的风量与风量呈正相关。同时，在比较大气压梯度后，发现在相同风量下风机的效率随大气压的增加而增加。该增加似乎显示出增加的趋势，当风机在相同风量下处于高海拔区域时，风机的效率略低于深井区域中的风机的效率。原因是高海拔地区的空气密度低，使得电机单位时间内的散热效率不高，导致风机的输出功率下降。另外，电机在高海拔地区更容易发生电晕现象，造成能量浪费。

图6 风机效率对比图

4 结语

为研究通风风阻与风机工作效率，本研究自行设计并制作了环形封闭式压力可变风阻试验装置系统，主要研究了不同大气压力与管道的摩擦风阻、摩擦阻力系数以及电机功率和效率相关性。主要方法为通过风机转速、风机风量和风机效率三个变量与大气压力之间的变化趋势图来反映大气压对风机性能变化的影响。实验结果分析表明，在实验条件下，保持风机功率不变，增加大气压会导致风机的速度增加。此外，在相同的工作条件下，受空气密度的影响，风机的风压会随着海拔高度的增加而降低，但是风机的风量保持不变，即在高海拔地区，风机性能会下降；另外，通过对风机的效率的测量发现，风机的效率随大气压的增加而明显提高。