淺析礦井通風能耗

田俊剛

(大同煤礦集團軒崗煤電公司焦家寨煤礦，山西 原平 034114)

煤礦井下作業(yè)環(huán)境惡劣，對井下工人安全作業(yè)構(gòu)成威協(xié)。井下作業(yè)的通風環(huán)境既關(guān)系到人體正常呼吸需求，也是避免瓦斯爆炸等事故的關(guān)鍵。根據(jù)我國煤炭安全生產(chǎn)要求，礦井通風必須具備三要素。

1)煤礦井下通風風機性能必須穩(wěn)定可靠。風機在長期大負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，必須保證穩(wěn)定的抽風通風性能，不能出現(xiàn)因風機自身溫度升高而發(fā)生線圈燒壞、短路等事故。當風機作業(yè)中出現(xiàn)故障時，必須能及時進行故障報警，并利用可靠的備用設(shè)備保障風機作業(yè)的延續(xù)性。

2)煤礦井下通風分系統(tǒng)必須簡單可靠。通常要求風機數(shù)量少、通風效果好，防止通過大量電線構(gòu)建復(fù)雜通風系統(tǒng)，以減少井下因漏電發(fā)生瓦斯爆炸事件的概率。通風系統(tǒng)防止大量串聯(lián)使用，以避免某個風機發(fā)生故障后產(chǎn)生系統(tǒng)性通風癱瘓。通風系統(tǒng)的可靠性要與系統(tǒng)的簡單性相平衡，不能為了簡化通風系統(tǒng)而取消必要的備用通風設(shè)施或其他預(yù)警手段。

3)通風系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理。煤礦井下深度大、距離遠，對風量需求大，通風系統(tǒng)的巷道設(shè)計過于復(fù)雜既會增加建筑成本，還會導(dǎo)致井下空氣流通阻力大，甚至造成空氣不均勻而產(chǎn)生氣壓差。隨著我國煤炭工業(yè)安全生產(chǎn)標準的提高，我國對煤炭安全生產(chǎn)制定了完善的管理措施，而井下通風系統(tǒng)在滿足生產(chǎn)要求的前提下，必須通過科學(xué)的設(shè)計，優(yōu)化通風系統(tǒng)的能耗，使煤炭能源生產(chǎn)過程中能耗最優(yōu)化，實現(xiàn)煤炭工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能降耗，通過技術(shù)手段降低煤炭生產(chǎn)過程中的能源成本。

1 礦井通風系統(tǒng)概述

礦井通風系統(tǒng)是煤礦井下作業(yè)不可缺少的部分，良好的通風系統(tǒng)可保障井下作業(yè)不受空氣稀缺影響，并能有效防止安全事故的發(fā)生。礦井通風系統(tǒng)主要由通風網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通風動力系統(tǒng)和風流控制系統(tǒng)構(gòu)成。通風網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于煤礦井下巷道系統(tǒng)的，是風流的渠道，既與煤礦井下作業(yè)的工況環(huán)境相匹配，又與空氣動力學(xué)原理相吻合，保障新鮮空氣不斷進入井下，而礦井產(chǎn)生的廢氣則不斷排向外部。通風動力系統(tǒng)是通風系統(tǒng)的核心部分。也是通風系統(tǒng)的重要硬件組成部分，動力系統(tǒng)是通風系統(tǒng)的核心，良好的動力系統(tǒng)能夠保證礦井通風量充足、通風工作穩(wěn)定可靠。通風動力系統(tǒng)主要硬件為通風電機，煤礦通風電機根據(jù)作業(yè)環(huán)境、作業(yè)額定功率等因素具有多種系列化產(chǎn)品，并區(qū)別于普通地面作業(yè)的通風電機，通風電機按照工作用途可以分為抽風機和排風機，抽風機主要在巷道入口進行吸風，為巷道提供充足的新鮮空氣，排風機主要在巷道出口進行排風，將煤礦井下污濁空氣排到井外。通風系統(tǒng)的風流控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng)，主要包括引流裝備、預(yù)警裝備等。井下作業(yè)的特殊性要求風流控制系統(tǒng)必須準確、安全、穩(wěn)定，隨著計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，井下作業(yè)的風流控制系統(tǒng)逐漸實現(xiàn)了計算機自動監(jiān)控，大大提高了風流控制的自動化程度。

2 礦井通風系統(tǒng)風機能耗分析

礦井通風系統(tǒng)中的主要能耗是風機能耗，占到總能耗的80%～90%。礦山風機主要包括風扇葉片、風扇輪轂、電動機等3部分。

風扇葉片是主要耗能部件，通過風扇葉片的選擇產(chǎn)生氣壓差，促進空氣流通。風扇葉片的形狀決定了空氣流動方向，從而產(chǎn)生大氣流、低氣壓或者小氣流、大氣壓。通風機選購過程中如果只注意額定功率而忽視了風扇葉片結(jié)構(gòu)，可能會導(dǎo)致在通風量大的地方產(chǎn)生小的空氣供給，從而影響實際的通風效果，而在風速要求高的環(huán)境下由于選用了通風量大的風機，而不得不通過提高風機功率來達到風速要求，從而產(chǎn)生了額外的功耗。此外，風扇葉片的材料也對風機能耗具有重要影響，傳統(tǒng)材料的葉片密度大、質(zhì)量重、轉(zhuǎn)動慣性大，消耗的額外能量大，而新型的風扇葉片采用樹脂、合成金屬材料等，既增加了葉片的強度，又降低了風扇葉片額外功耗，此外，風扇葉片的材料還對煤礦井下潮濕環(huán)境下的腐蝕等產(chǎn)生影響，一旦葉片選型不對，可能產(chǎn)生潛在腐蝕安全隱患。

風扇輪轂是風扇葉片的固定座，輪轂只起固定作用，而對通風效果影響小。所以，選擇重量重的風扇輪轂將會產(chǎn)生大量額外功耗。

礦井風機的電機是風扇轉(zhuǎn)動的動力來源，電機線圈質(zhì)量可靠將會降低工作過程中的熱量損耗，減少電機故障率，同時能夠提高電機作業(yè)穩(wěn)定性。以70B2型風機為例，該風機輪毅比較大，氣動性差，與通風網(wǎng)絡(luò)不匹配，因此效率低，通風能耗大。該風機為國家明令禁止的淘汰產(chǎn)品，而2K60型風機的氣動性能更好，風量較大、風壓較低、風機效率高、噪聲低，消除了駝峰，且結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

3 礦井通風系統(tǒng)井巷能耗分析

礦井通風系統(tǒng)的能耗狀況取決于井巷系統(tǒng)的特性，一般用井巷系統(tǒng)的風阻曲線來描述，對于特定井巷的風阻值可認為是定值，其能耗特性可用下式表示:

式中:

NR—每立方米空氣在井巷系統(tǒng)中流動所消耗的能量;

R—井巷風力阻力系數(shù);

Q—通風系統(tǒng)中的風量。

從式(1)中可以看出，通風系統(tǒng)中空氣在巷道中所消耗的能量主要與巷道的風力阻力系數(shù)、向?qū)L量有關(guān)。巷道通風系統(tǒng)的能耗曲線是拋物線形狀，隨著通風量的增加巷道能耗增加，其中，風力阻力系數(shù)可以通過優(yōu)化巷道設(shè)計進行降低，通風量則與作業(yè)空間的大小相關(guān)，加強對巷道通風能耗的優(yōu)化，具有實際可行性。

在井巷通風系統(tǒng)中，系統(tǒng)總能耗符合能耗疊加原理，對于正在運行的實際井巷通風系統(tǒng)，為了使風量按需分配，需要對網(wǎng)絡(luò)某些分支進行調(diào)節(jié)控制，故各個風流路線上的總能耗是相等的，那么在合理的井巷通風系統(tǒng)中至少有一條沒有進行增阻調(diào)節(jié)的路線，該路線的能耗分布就反映了復(fù)雜井巷系統(tǒng)的能耗分布，也稱其為井巷通風系統(tǒng)的關(guān)鍵路線，它在井巷通風系統(tǒng)中的位置并非固定的，它隨生產(chǎn)布局、需風量、井巷通風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等參數(shù)的變化而變化。因此，井巷通風系統(tǒng)節(jié)能是一個動態(tài)過程。為此，在通風系統(tǒng)安全可靠性的基礎(chǔ)上，要達到節(jié)能的目的，可通過優(yōu)化通風布局、優(yōu)化礦井通風網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化巷道設(shè)計等措施進行。

4 結(jié)論

本文通過對礦井通風系統(tǒng)能耗地分析，總結(jié)了礦井通風系統(tǒng)的主要構(gòu)成，即礦井通風系統(tǒng)主要由通風網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通風動力系統(tǒng)和風流控制系統(tǒng)構(gòu)成。通風網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于煤礦井下巷道系統(tǒng)。通風網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是風流的渠道。礦井通風系統(tǒng)中的主要能耗是風機能耗，風機能耗占到總能耗的80% ～90%。在井巷通風系統(tǒng)中，系統(tǒng)總能耗符合能耗疊加原理，在通風系統(tǒng)安全可靠性的基礎(chǔ)上，要達到節(jié)能的目的可通過優(yōu)化通風布局、優(yōu)化礦井通風網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化巷道設(shè)計等措施進行。

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