礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用分析

馬正騰

（湖南漣邵建設(shè)工程（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，湖南 婁底 417000）

在激烈的市場競爭中，礦山企業(yè)要想提高企業(yè)效益，節(jié)能是重要途徑之一。資源開采依靠大量大功率機(jī)械設(shè)備，每年需要消耗大量電能，利用節(jié)能技術(shù)可以較為顯著地降低設(shè)備耗電量，提高企業(yè)效益。而且資源開采使用的機(jī)械設(shè)備一般比較昂貴，利用變頻技術(shù)可以改善某些設(shè)備的使用工況，提高設(shè)備使用壽命，進(jìn)一步為資源節(jié)約增效。可以說，變頻技術(shù)對于現(xiàn)代礦產(chǎn)資源的安全生產(chǎn)、企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有著重要意義。

1 井下通風(fēng)系統(tǒng)的基本特點

井下通風(fēng)系統(tǒng)的建立主要是為了保證資源能夠進(jìn)行安全生產(chǎn)，近年來，隨著資源逐漸向深部開采，采深不斷增加，開采的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，周圍的環(huán)境也越來越惡劣，壓力增加以及溫度升高，使得有害氣體涌出，若要保證開采安全，必須對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)。當(dāng)前礦井的通風(fēng)系統(tǒng)具有復(fù)雜性和動態(tài)性兩個特點，復(fù)雜性體現(xiàn)在通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，一般在大型的礦井中，通風(fēng)系統(tǒng)的用風(fēng)點有時可達(dá)幾十個，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點達(dá)到五百個以上，另外，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境也使布置通風(fēng)系統(tǒng)時更加復(fù)雜。通風(fēng)系統(tǒng)實際運(yùn)行時，又會受到多種因素的影響。動態(tài)性指的是由于礦井生產(chǎn)的需要而使通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷變更。這兩個特性導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時易受影響，本文這些影響簡要歸類，并提出對應(yīng)的解決措施。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢

使用變頻技術(shù)前的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式：一般來說，礦井主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)時，可更改風(fēng)機(jī)的性能曲線，或者更改管網(wǎng)熱性曲線，也可以是兩者互相結(jié)合。以往用調(diào)節(jié)風(fēng)量、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速等調(diào)節(jié)風(fēng)門的方式調(diào)節(jié)風(fēng)量造成資源浪費(fèi)嚴(yán)重。在使用變頻技術(shù)前，無論是離心式風(fēng)機(jī)或是軸流式風(fēng)機(jī)，在調(diào)整風(fēng)量時候都很費(fèi)時費(fèi)力，大多是調(diào)節(jié)風(fēng)門改變風(fēng)進(jìn)斷面尺寸或者改變?nèi)~片角度等方式調(diào)節(jié)風(fēng)量。使用變頻技術(shù)后的優(yōu)勢：使用變頻器后，只需要調(diào)整頻率就可以調(diào)整礦井風(fēng)量，提升了礦井的安全性。變頻器即“VVVF”也叫做“交－直－交”變頻調(diào)速器，在礦井主扇風(fēng)機(jī)中用變頻調(diào)速器能達(dá)到顯著的節(jié)能降耗效果，提高風(fēng)機(jī)的可靠性。使用變頻調(diào)速器有以下優(yōu)點：①電機(jī)轉(zhuǎn)速能實現(xiàn)無極調(diào)速；②能使功率提高到99%；③轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能完全，在保持電壓常數(shù)的情況下，可以不降低電源頻率，避免電磁爐過于飽和及電機(jī)負(fù)載下降，防止功率變?nèi)酰虎茏冾l調(diào)速器的自身保護(hù)功能完備；⑤使用變頻調(diào)速器后，電機(jī)可直接啟動風(fēng)機(jī)，啟動電流應(yīng)不超過額定電流的兩倍。

3 通風(fēng)系統(tǒng)評價指標(biāo)

井下通風(fēng)系統(tǒng)的主要指標(biāo)分為以下幾類，第一，系統(tǒng)風(fēng)壓。井下開采環(huán)境中的風(fēng)壓越高，越容易出現(xiàn)問題，尤其是漏風(fēng)的出現(xiàn)，從而降低整個體系的安全性，還可能會引發(fā)一系列的安全事故。第二、系統(tǒng)阻力。系統(tǒng)阻力可以通過計算而得出。第三、系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的數(shù)量。系統(tǒng)風(fēng)機(jī)一般情況下是配備兩臺，但是具體數(shù)量也要結(jié)合實際情況來確定。備用機(jī)的存在是必須的，相關(guān)的檢查維修工作也是必不可少的，這樣可以極大的預(yù)防因設(shè)備問題而產(chǎn)生的安全事故的發(fā)生。第四、風(fēng)機(jī)發(fā)生故障率。相關(guān)工作人員可以對風(fēng)機(jī)的發(fā)生故障率進(jìn)行統(tǒng)計和計算，從而可以得到相關(guān)的參數(shù)，一旦這個數(shù)值超出了正常范圍，就表明在運(yùn)作流程中存在著引發(fā)安全事故的因素。第五、風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)停止的次數(shù)。相關(guān)工作人員要仔細(xì)觀察風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，只有這樣才能確保風(fēng)扇的正常運(yùn)行。第六、外部相關(guān)漏風(fēng)程度。漏風(fēng)情況存在于整個通風(fēng)體系的外部，但是這個問題也是極其重要的，一定要對其進(jìn)行相關(guān)的檢查工作，加強(qiáng)對其重視程度。而且要結(jié)合實際情況，計算相關(guān)的系統(tǒng)漏風(fēng)率，從而可以得到通風(fēng)系統(tǒng)的整個漏風(fēng)情況。第七、平穩(wěn)運(yùn)行工作。風(fēng)機(jī)在實際操作過程中，其運(yùn)行狀態(tài)不符合標(biāo)準(zhǔn)。第八、系統(tǒng)安全的運(yùn)行。整個礦井體系內(nèi)部的通風(fēng)情況是非常繁雜的，其形式不利于通風(fēng)工作的進(jìn)行，不利于抵御安全事故的發(fā)生。

4 分析優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

4.1 變頻調(diào)速器的選型

合理選擇變頻調(diào)速器的必要性：高質(zhì)量的變頻調(diào)速器控制變頻的自動化程度較高，不僅可以改變電源頻率，其輔助功能水準(zhǔn)也很高；可以實現(xiàn)近控或是遠(yuǎn)控，能將其他參數(shù)變化通過傳感器實現(xiàn)自動控制，直到電腦程序的控制終端。一般來說，變頻調(diào)速器的水準(zhǔn)越高價格越貴，所以在滿足井下正常通風(fēng)和反風(fēng)需要的前提下，選擇變頻調(diào)速器應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)合理性。選擇變頻調(diào)速器的原則：主扇風(fēng)機(jī)安裝就位后，風(fēng)量調(diào)整大多采用調(diào)節(jié)垂直風(fēng)門、改變風(fēng)阻，在選好變頻調(diào)速器后，主扇風(fēng)機(jī)風(fēng)門全開，按電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)量大小。在風(fēng)機(jī)正常工作，通風(fēng)系統(tǒng)完好，井下風(fēng)路無變化，風(fēng)量、風(fēng)壓變化小時，主扇風(fēng)機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行，所需輔助功能少，應(yīng)優(yōu)先選擇能滿足電機(jī)基本保護(hù)需要的變頻調(diào)速器。以往按照電機(jī)運(yùn)行容量來選擇同等容量的變頻調(diào)速器，這種方法是不恰當(dāng)?shù)?。而選擇變頻調(diào)速器第一點就是要考慮它能否適應(yīng)存在富余風(fēng)量礦井的主扇風(fēng)機(jī)；變頻調(diào)速器不需在基頻狀況下工作時，如選擇基頻電機(jī)功率的變頻調(diào)速器，會增加投資負(fù)擔(dān)。

4.2 改造技能原理的有效落實

在礦山企業(yè)主扇風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中應(yīng)用變頻技術(shù)，取得了良好的節(jié)能效果，充分發(fā)揮了變頻技術(shù)在井下主扇風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的作用和價值。對于變頻技術(shù)在井下主扇風(fēng)機(jī)中的安裝和利用，通過對流體傳輸裝置分機(jī)的實際研究和分析，找到其基本原理。經(jīng)過分析可知，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行成正比；風(fēng)機(jī)承受的壓力、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平方與風(fēng)機(jī)運(yùn)行也成正比。通過對礦山企業(yè)主扇風(fēng)機(jī)實際工作情況的分析，也就是流量與壓力的乘積，即實際工作過程中呈現(xiàn)出的軸功率值，可以計算得出風(fēng)機(jī)自身的軸功率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方之間也成正比。所以，根據(jù)以上分析結(jié)果可知，風(fēng)機(jī)在具體的運(yùn)行過程中，要想不斷完善和優(yōu)化轉(zhuǎn)速，就要采取有針對性的措施，保障它在正常的運(yùn)行中功率隨著情況的不同發(fā)生相應(yīng)的改變。因此，在實際工作中，要適當(dāng)調(diào)整變頻設(shè)備在運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)速，不斷優(yōu)化和完善礦山企業(yè)礦井內(nèi)部的風(fēng)量，充分發(fā)揮變頻技術(shù)在礦山企業(yè)主扇風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的作用。

4.3 對原配液耦和水阻的處理

在利用高壓變頻器進(jìn)行風(fēng)機(jī)的改造時，可根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同選擇適合的安裝方式。采用繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子的風(fēng)機(jī)，可采用將轉(zhuǎn)子短接的方式，使轉(zhuǎn)子的滑環(huán)中不通過電流，降低了轉(zhuǎn)子因電流過大而燒毀的概率；而對于采用液力耦合器風(fēng)機(jī)，可利用與之規(guī)格相近的聯(lián)軸器代替液力耦合器，在實際安裝高壓變頻器時，僅需將原先的液力耦合器拆除后安裝制定的聯(lián)軸器即可完成工作。這種安裝方式對風(fēng)機(jī)電機(jī)以及其他部分的改動幅度較小，安裝的成本較低，對風(fēng)機(jī)運(yùn)行的調(diào)試也更加方便。一般的風(fēng)機(jī)在安裝高壓變頻器后應(yīng)當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)子與液力耦合器，但對于高溫風(fēng)機(jī)來說，可以依舊采用轉(zhuǎn)子與液力耦合器作為后備手段，當(dāng)高壓變頻器出現(xiàn)問題時，可以作為確保風(fēng)機(jī)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的條件。

4.4 高壓變頻器的諧波干擾

輸入高壓變頻器中的電流往往帶有諧波，而這些諧波如果不加處理，可能會對變頻器造成干擾，如果輸入變頻器的電流諧波過大，可能造成供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置的誤動作，導(dǎo)致大面積停電；對生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的其他電子設(shè)備造成影響，使計算機(jī)之類的電子設(shè)備無法正常工作，干擾生產(chǎn)作業(yè)的進(jìn)行；使電容、電動機(jī)等電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波效應(yīng)，增大其功耗，浪費(fèi)電能或?qū)е略骷蜻^熱損壞等，因此在應(yīng)用高壓變頻器時，必須嚴(yán)格控制輸入電流的諧波。對于輸入變頻器的電流，應(yīng)當(dāng)保證其穩(wěn)態(tài)總諧波含量不超過10%，奇次諧波不超過5%，偶次則不超過2%。同時，對高壓變頻器的控制線接地，在布線是注意相鄰線路間的距離不要過小，對于靠近儀表等電子元件的線路應(yīng)當(dāng)加裝屏蔽線等。

4.5 進(jìn)巷道通風(fēng)優(yōu)化

掘進(jìn)工作面爆破后產(chǎn)生的炮煙有害于人的身體健康因此掘進(jìn)工作面的通風(fēng)任務(wù)就是及時降低炮煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)。其中，掘進(jìn)工作面的需風(fēng)量Q 按照壓入式通風(fēng)計算，計算公式為：

其中，t 為通風(fēng)時間，一般取20min；G 為炸藥量，kg；b 為炸藥產(chǎn)生的CO 當(dāng)量，L/kg；S 為巷道斷面面積，m2；L 為掘進(jìn)深度，m；p 為進(jìn)出風(fēng)比；Cp 為CO 的允許體積分?jǐn)?shù)%。

目前，井下開采一般為“一采兩掘”模式，其中，如在對某107 輔運(yùn)順槽采掘工作面需風(fēng)量進(jìn)行估算時，發(fā)現(xiàn)存在通風(fēng)不足的情況，為了稀釋和排出的有害氣體和爆破產(chǎn)生的炮煙和礦塵，保證良好的通風(fēng)作業(yè)環(huán)境，需要對掘進(jìn)巷道的通風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。本文通過采用平行巷道的方式，即掘進(jìn)主巷道的同時，掘一條與之平行的輔助巷道，兩條巷道每間隔50m 開掘一條聯(lián)絡(luò)巷。通風(fēng)時，風(fēng)壓使風(fēng)流從掘進(jìn)巷道流入，通過平行輔助巷道流出。在聯(lián)絡(luò)巷前端利用風(fēng)筒導(dǎo)風(fēng)，通過設(shè)置的閘門可以控制工作面的風(fēng)量，在巷道掘進(jìn)一定距離后，需要開掘新的聯(lián)絡(luò)巷，同時關(guān)閉舊的聯(lián)絡(luò)巷。

5 結(jié)束語

變頻技術(shù)在資源開采中已經(jīng)被普遍應(yīng)用，且發(fā)揮著不可替代的作用，不僅能夠提高設(shè)備的性能和工作穩(wěn)定性，而且可以實現(xiàn)節(jié)能增效。變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，不僅可以提高設(shè)備性能，而且可以提高設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的故障率，對于礦山企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益、保障采礦活動安全生產(chǎn)均有著重要作用。