高原礦井通風(fēng)參數(shù)及風(fēng)機(jī)選型研究與應(yīng)用

姚銀佩 蔡澤山 王輝林 李亞俊

摘要：高原環(huán)境的特殊性，致使高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)具有空氣低壓缺氧、進(jìn)風(fēng)溫濕度低、電動(dòng)機(jī)有效功率低等特點(diǎn)，高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)及風(fēng)機(jī)參數(shù)都與平原地區(qū)不同。在分析高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)問題的基礎(chǔ)上，研究了高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)及風(fēng)機(jī)參數(shù)，結(jié)合高原礦山通風(fēng)參數(shù)調(diào)整的工程實(shí)例，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)計(jì)算和工程應(yīng)用。通過工程現(xiàn)場檢測，風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)計(jì)算工況相符，驗(yàn)證了參數(shù)調(diào)整和風(fēng)機(jī)選型的有效性。

關(guān)鍵詞：高原礦井;礦井通風(fēng)系統(tǒng);通風(fēng)參數(shù);風(fēng)機(jī)選型;工程應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TD72文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2020）10-0037-03doi：10.11792/hj20201007

高原環(huán)境與平原地區(qū)相比存在著特殊性，致使高原礦井具有“三低”特征，即氣壓低、溫度低、濕度低[1-2]。高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)受高原環(huán)境的影響，存在著空氣低壓缺氧、進(jìn)風(fēng)溫濕度低、電動(dòng)機(jī)有效功率低等特點(diǎn)，因而，高原礦井通風(fēng)參數(shù)及風(fēng)機(jī)特性參數(shù)也和平原礦井不同。在高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通風(fēng)阻力參數(shù)和風(fēng)機(jī)選型計(jì)算需要進(jìn)行調(diào)整，才能以正確的參數(shù)選取和高原環(huán)境相匹配的風(fēng)機(jī)，以滿足高原礦井通風(fēng)的需求[3]。本文以高原環(huán)境下礦井通風(fēng)阻力參數(shù)和風(fēng)機(jī)特性參數(shù)為基礎(chǔ)研究，結(jié)合高原礦山實(shí)際情況，對(duì)高原礦井風(fēng)機(jī)選型進(jìn)行分析計(jì)算與設(shè)計(jì)[4]，并進(jìn)行了工程實(shí)施和現(xiàn)場風(fēng)機(jī)工況檢測，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)問題

高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮高原環(huán)境下存在的問題。高原礦井面臨大氣壓力低、空氣密度低、氧含量低、溫度低且溫差大、濕度低等環(huán)境條件，導(dǎo)致高原礦井風(fēng)量需求、通風(fēng)方式、進(jìn)風(fēng)條件、自然風(fēng)壓、礦井阻力、風(fēng)機(jī)設(shè)備等都受到影響，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）空氣密度低，單位空氣中氧含量低，井下需風(fēng)量增加，并且井下炮煙擴(kuò)散體積增加，礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算需風(fēng)量增加，以達(dá)到排煙排塵的通風(fēng)需求。

2）礦井內(nèi)氣壓低，若采用抽出式通風(fēng)，礦井內(nèi)負(fù)壓狀態(tài)，井下壓力進(jìn)一步降低;而壓入式通風(fēng)僅適用于淺部開采的礦山。因此，壓抽混合式通風(fēng)方式成為高原通風(fēng)系統(tǒng)的首選方式。

3）地表氣溫低，特別是冬季寒冷且時(shí)間長，需要空氣預(yù)熱等防寒措施，防止進(jìn)風(fēng)井結(jié)冰凍井，保持礦內(nèi)溫度避免工人缺氧加劇，以免影響生產(chǎn)。

4）冬夏季及晝夜溫差大，礦井內(nèi)外受溫差、高差影響，自然風(fēng)壓變化大，夏季自然風(fēng)壓一般對(duì)礦井通風(fēng)不利，冬季負(fù)壓大對(duì)礦井通風(fēng)有利，應(yīng)充分利用。

5）高原氣候干旱缺水、濕度低、植被稀少、多勁風(fēng)、多風(fēng)沙、易揚(yáng)塵。礦井進(jìn)風(fēng)風(fēng)源需采取相應(yīng)的凈化措施，保證風(fēng)源質(zhì)量。

6）高原狀態(tài)下空氣密度下降，風(fēng)流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力降低，根據(jù)礦井摩擦阻力計(jì)算公式計(jì)算礦井阻力時(shí)，需對(duì)摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行修正調(diào)整。

7）高原環(huán)境下空氣稀薄，導(dǎo)磁能力差，電動(dòng)機(jī)有效輸出功率降低，空氣介質(zhì)冷卻效應(yīng)降低，電動(dòng)機(jī)散熱能力差，應(yīng)降負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，選擇通風(fēng)機(jī)時(shí)，要選取配套的高原電動(dòng)機(jī)，并給予一定的備用和降效系數(shù)。

2 高原礦井通風(fēng)參數(shù)

在高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)的通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)的有效性。主要的高原礦井通風(fēng)參數(shù)計(jì)算方法為：

1）風(fēng)量。在高原礦井通風(fēng)中，氣壓降低，炮煙體積膨脹，因此排煙需要更多風(fēng)量。通風(fēng)條件惡化，應(yīng)以空氣密度校正排煙風(fēng)量，在計(jì)算礦井的實(shí)際需風(fēng)量時(shí)，采用空氣密度的比對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整（標(biāo)準(zhǔn)空氣密度取1.2 kg/m3），以滿足高原礦井的通風(fēng)需求[5]。

Qh=1.2ρhQ0（1）

式中：Qh為高原狀態(tài)下的需風(fēng)量（m3/s）;Q0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的需風(fēng)量（m3/s）;ρh為高原礦井的空氣密度（kg/m3）。

2）通風(fēng)阻力。高原狀態(tài)下，根據(jù)礦井摩擦阻力計(jì)算公式，需對(duì)摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到高原礦井摩擦阻力計(jì)算公式[6]。

pfh=ρh1.2pf0（2）

式中：pfh為高原狀態(tài)下的摩擦阻力（Pa）;pf0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩擦阻力（Pa）。

3）風(fēng)機(jī)壓力。根據(jù)風(fēng)機(jī)相似原理，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定、葉輪直徑不變的狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)壓力與風(fēng)機(jī)安裝處的空氣密度成正比[7]。高原狀態(tài)下風(fēng)機(jī)的壓力為：

ph=ρh1.2p0（3）

式中：ph為高原狀態(tài)下風(fēng)機(jī)的壓力（Pa）;p0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)的壓力（Pa）。

4）風(fēng)機(jī)流量。根據(jù)風(fēng)機(jī)相似原理，風(fēng)機(jī)的體積流量與葉輪直徑和轉(zhuǎn)速成正比。同一風(fēng)機(jī)葉輪直徑不變，轉(zhuǎn)速一定時(shí)，高原狀態(tài)下其體積流量不變，質(zhì)量流量減小[8]。

2020年第10期/第41卷采礦工程采礦工程黃 金

5）風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率。電動(dòng)機(jī)在高原特殊環(huán)境下運(yùn)行，須考慮15 %的儲(chǔ)備和28 %的高原降效，以使電動(dòng)機(jī)輸出功率達(dá)到預(yù)期[9]。

高原狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的功率選取為：

Nh電=N電（1+0.15）/（1-0.28）（4）

式中：Nh電為高原狀態(tài)下選取電動(dòng)機(jī)的功率（kW）;N電為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下選取電動(dòng)機(jī)的功率（kW）。

3 高原通風(fēng)阻力計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型

3.1 工程概況

錫鐵山鉛鋅礦位于青海省海西州大柴旦行委錫鐵山鎮(zhèn)，采用主平硐+豎井+斜坡道開拓方式，礦區(qū)主平硐標(biāo)高3 055 m，主豎井平硐標(biāo)高3 142 m，斜坡道口標(biāo)高3 065 m，屬高原礦井。通風(fēng)系統(tǒng)為中央進(jìn)風(fēng)東中西多井回風(fēng)方式，其中東部回風(fēng)井為新建回風(fēng)井，須對(duì)東部通風(fēng)系統(tǒng)高原環(huán)境下的通風(fēng)阻力及風(fēng)機(jī)選型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)阻力計(jì)算

礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力一般由自然風(fēng)壓、沿程阻力、局部阻力、裝置阻力及動(dòng)壓損失等組成。

1）自然風(fēng)壓[10]。按照井深100 m為界，當(dāng)井深大于100 m時(shí)，井筒內(nèi)空氣狀態(tài)變化屬于等溫過程。計(jì)算冬季自然風(fēng)壓為83.43 Pa，夏季自然風(fēng)壓為-158.78 Pa。 所以，冬季自然風(fēng)壓幫助通風(fēng)，夏季自然風(fēng)壓為井下通風(fēng)的阻力，屬通風(fēng)困難時(shí)期。

2）東部回風(fēng)線路最困難通風(fēng)阻力計(jì)算。東部回風(fēng)線路的最大沿程阻力為1 510.48 Pa，局部阻力為302.10 Pa，自然風(fēng)壓為158.78 Pa，通風(fēng)裝置阻力為150.00 Pa，動(dòng)壓損失89.58 Pa，則最困難時(shí)期最大通風(fēng)阻力為2 210.94 Pa。根據(jù)高原通風(fēng)阻力參數(shù)調(diào)整公式，調(diào)整后最大沿程阻力為1 087.55 Pa，局部阻力為217.51 Pa，自然風(fēng)壓、裝置阻力及動(dòng)壓損失取值不變，則調(diào)整后最困難時(shí)期通風(fēng)阻力為1 703.41 Pa。

3.3 東部通風(fēng)系統(tǒng)主扇風(fēng)機(jī)選擇

東部風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)地表標(biāo)高3 232 m風(fēng)井口，負(fù)擔(dān)礦區(qū)東部生產(chǎn)作業(yè)100 m3/s的排風(fēng)量。所以，風(fēng)機(jī)在高原條件下需提供的風(fēng)量應(yīng)為100 m3/s，通風(fēng)總阻力為1 703.41 Pa，按風(fēng)機(jī)效率0.70，儲(chǔ)備系數(shù)0.15，高原降效系數(shù)0.28，電動(dòng)機(jī)效率0.89，傳動(dòng)效率1.0來計(jì)算，需電動(dòng)機(jī)功率為436.71 kW。根據(jù)線路阻力特性及風(fēng)機(jī)特性曲線，查閱風(fēng)機(jī)選型表，選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)為DK40-6NO.21-2×220 kW，該風(fēng)機(jī)參數(shù)見表1。

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)特性曲線及工況點(diǎn)為：風(fēng)量105 m3/s、風(fēng)壓2 250 Pa，葉片安裝角35°/30°，裝置效率77.50 %，見圖1。

在高原狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)特性曲線及工況點(diǎn)為：風(fēng)量105 m3/s，風(fēng)壓1 750 Pa，葉片安裝角35°/30°，裝置效率75.90 %，見圖2。

4 工程應(yīng)用效果

東部風(fēng)機(jī)安裝于3 232 m 035勘探線東風(fēng)井口，見圖3。礦井通風(fēng)系統(tǒng)施工完成后，對(duì)東部通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況參數(shù)進(jìn)行測定，主要測量工具為熱敏式風(fēng)速儀、高原數(shù)字氣壓計(jì)、精密數(shù)字壓差計(jì)、激光測距儀等。

經(jīng)實(shí)測，東部風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況為：風(fēng)量106.3 m3/s，風(fēng)壓1 900 Pa，裝置效率為77.58 %，見表2。 測定數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相吻合，東部通風(fēng)系統(tǒng)滿足生產(chǎn)作業(yè)用風(fēng)量需求。

5 結(jié) 語

高原礦井具有“三低”特征，高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)受高原環(huán)境的影響，具有空氣低壓缺氧、進(jìn)風(fēng)溫濕度低、電動(dòng)機(jī)有效功率低等特點(diǎn)。因此，高原礦井系統(tǒng)在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)要根據(jù)高原礦井通風(fēng)特性對(duì)通風(fēng)參數(shù)及風(fēng)機(jī)特性參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足高原礦井通風(fēng)的需求。高原風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)有效輸出功率降低，散熱能力差，降負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，所以高原風(fēng)機(jī)配套電動(dòng)機(jī)應(yīng)給予一定的能力備用和高原降效，才能使得電動(dòng)機(jī)功率達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。本文以錫鐵山鉛鋅礦東部通風(fēng)系統(tǒng)為工程實(shí)例，通過對(duì)東部通風(fēng)系統(tǒng)阻力和風(fēng)機(jī)選型參數(shù)計(jì)算，選出合適的風(fēng)機(jī)，工程實(shí)施后現(xiàn)場檢測，風(fēng)機(jī)實(shí)際工況良好，滿足生產(chǎn)所需，設(shè)計(jì)合理。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 高俊，王海寧.高寒地區(qū)礦井通風(fēng)研究現(xiàn)狀[J].化工礦物與加工，2019，48（12）：13-17.

[2] 張亞明，何水清，李國清，等.基于Ventsim的高原礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化[J].中國礦業(yè)，2016，25（7）：82-86.

[3] 黃勇，李濟(jì)吾.礦井扇風(fēng)機(jī)計(jì)算機(jī)優(yōu)選及其QBASIC程序設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2000，20（4）：40-42.

[4] 王洪粱，辛嵩，韓永輝.高海拔礦井通風(fēng)機(jī)的合理選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，23（6）：523-526.

[5] 劉全，王秀華，周保東，等.高原地區(qū)阻力修正及風(fēng)機(jī)選型[J].鍋爐制造，2001（2）：79-80.

[6] 王社海.高原地區(qū)通風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)實(shí)例分析[C]∥《建筑科技與管理》組委會(huì).2014年8月建筑科技與管理學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.北京：北京恒盛博雅國際文化交流中心，2014：27.

[7] 黃玉誠，王瑜敏.高海拔對(duì)礦井軸流式風(fēng)機(jī)性能影響及風(fēng)機(jī)合理選型[J].中國礦業(yè)，2020，29（1）：133-136.

[8] 尹玉鵬.高原礦井通風(fēng)設(shè)備參數(shù)修正計(jì)算模型的研究[C]∥中國職業(yè)安全健康協(xié)會(huì).中國職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)，2008：246-250.

[9] 杜海青.高原缺氧地區(qū)多金屬礦的開發(fā)思考——以西藏甲瑪特大型銅多金屬礦開發(fā)為例[J].黃金，2011，32（12）：1-4.

[10] 譚海文.自然風(fēng)壓變化規(guī)律及其對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響[J].黃金，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