煤礦雙風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性研究

薛景輝

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古 烏審旗 017320）

井下通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦主要生產(chǎn)系統(tǒng)之一[1]，新鮮的風(fēng)流能夠吹散和稀釋井下有毒有害氣體，降低粉塵和溫度，營造和維持適宜的工作環(huán)境[2]。隨著現(xiàn)代化大型和超大型煤礦的建設(shè)和投產(chǎn)，井下掘進（開拓）長度和開采深度增加，煤礦通風(fēng)線路也隨之急速增加，開采規(guī)模的擴大要求提供更多的風(fēng)量，這對煤礦通風(fēng)能力提出了更高的要求，進而造成了煤礦安全生產(chǎn)的重要制約因素之一的局面[3]。煤礦通風(fēng)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程[4-5]，受眾多因素都影響。因此，煤礦風(fēng)機供風(fēng)量是否滿足工作生產(chǎn)要求，是否按需求匹配，是否處于高效工作區(qū)域內(nèi)，是否處于最佳安全運行狀態(tài)，直接關(guān)系到煤礦安全生產(chǎn)經(jīng)濟效益[6]。

1 礦井概況

葫蘆素煤礦位于東勝煤田呼吉爾特礦區(qū)，礦井采用立井開拓方式，建有主井、副井、中央風(fēng)井和西翼風(fēng)井4條井筒。礦井設(shè)計劃分為4個水平，礦井目前開采第一水平，主采2-1煤層。礦井通風(fēng)方式為中央并列與分列混合式，通風(fēng)方法為抽出式，主井、副井進風(fēng)，中央風(fēng)井、西翼風(fēng)井回風(fēng)。中央風(fēng)井安裝2臺FCZ No33/2000（I）型軸流式通風(fēng)機，其中1臺備用；西翼風(fēng)井安裝2臺FCZ No26.5/900（I）型軸流式通風(fēng)機，其中1臺備用。采煤工作面采用“U”型通風(fēng)方式，掘進工作面采用局部通風(fēng)機壓入式通風(fēng)。

2 葫蘆素煤礦雙風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)影響分析

2.1 雙風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)工況點的確定

葫蘆素煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中存在中央風(fēng)井和西風(fēng)井兩個回風(fēng)井，當(dāng)?shù)V井通風(fēng)系統(tǒng)正常運行時，主要通風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)，因此主要通風(fēng)機之間會發(fā)生相互影響，為了分析兩風(fēng)井風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)時風(fēng)機之間的相互影響，對葫蘆素煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進行簡化處理，如圖1所示。

圖1 葫蘆素煤礦通風(fēng)系統(tǒng)簡化示意圖

根據(jù)主要通風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)的繪圖原理，繪制出風(fēng)機f1和風(fēng)機f2聯(lián)合運轉(zhuǎn)時的等效特性曲線。如圖2所示，圖中曲線f1和曲線f2為風(fēng)機f1和風(fēng)機f2的個體特性曲線，曲線fR1和曲線fR2為風(fēng)機f1和風(fēng)機f2減去各自單獨工作風(fēng)網(wǎng)R1和R2后的等效特性曲線，fR12為等效風(fēng)機fR1和fR2在為公共風(fēng)路R0服務(wù)時的等效特性曲線。R0曲線為公共段阻力特性曲線。M1（QM1，HM1）和M2（QM2，HM2）是西風(fēng)井風(fēng)機f1和中央風(fēng)井風(fēng)機f2聯(lián)合運轉(zhuǎn)時的工況點。

圖2 通風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)工況點確定

2.2 葫蘆素煤礦雙風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)現(xiàn)狀

目前葫蘆素煤礦西翼風(fēng)井主要通風(fēng)機型號為FCZ№26.5/900，風(fēng)量為171.7 m3/s，風(fēng)機壓力為1 580 Pa，風(fēng)阻為0.052 62 NS2/m8。當(dāng)前風(fēng)機運行葉片角度為15°，運行頻率為40 Hz；中央風(fēng)井主要通風(fēng)機型號為FCZ№33/2000，風(fēng)機運行葉片角度為30°，運行頻率為40 Hz。中央風(fēng)井風(fēng)量為245.6 m3/s，風(fēng)機壓力為1 750 Pa，風(fēng)阻為0.028 45 NS2/m8。風(fēng)機曲線及工況點如圖3所示。

圖3 風(fēng)機運行工況圖

風(fēng)井風(fēng)機當(dāng)前運行工況點位于風(fēng)壓曲線駝峰點右側(cè)單調(diào)下降區(qū)間，風(fēng)機運行穩(wěn)定，壓力小于風(fēng)機最高風(fēng)壓的90%，風(fēng)機輸入功率為565 kW，而該風(fēng)機的額定功率為900 kW，當(dāng)前風(fēng)機的運行功率小于風(fēng)機的額定功率，風(fēng)機運行安全，在此工況下風(fēng)機的運行效率為47.8%，低于60%的經(jīng)濟效率運行區(qū)間，具有一定的抗災(zāi)變能力，但運行效率略低。

中央風(fēng)井風(fēng)機當(dāng)前運行工況點位于風(fēng)壓曲線駝峰點附近，基本到達該風(fēng)機葉片角度30°，40 Hz運行曲線的最高點；風(fēng)機輸入功率為577.6 kW，遠(yuǎn)小于該風(fēng)機的額定功率2 000 kW，風(fēng)機運行效率達到74.4%。從風(fēng)機的運行工況可以看出，該風(fēng)機在該曲線下到達最大值，幾乎不存在可調(diào)空間，一旦井下風(fēng)阻發(fā)生較大變化，該風(fēng)機會進入曲線駝峰點左側(cè)不穩(wěn)定工作區(qū)，造成風(fēng)機喘振而損壞風(fēng)機，同時影響井下風(fēng)量的穩(wěn)定性。該通風(fēng)裝置中電機與風(fēng)機不匹配，風(fēng)機工況點到達該曲線頂點時，電機的輸出功率577.6 kW，為其額定功率2 000 kW的29%，電機能力嚴(yán)重過剩。

在風(fēng)機性能測定過程中還測定了在中央風(fēng)機葉片角度為30°條件下45 Hz和50 Hz的風(fēng)機運行性能曲線。測試結(jié)果可以得出該風(fēng)機為低負(fù)壓高流量風(fēng)機，在風(fēng)阻0.028 45 NS2/m8條件下，風(fēng)機在40 Hz和50 Hz運行曲線運行時，工況點均為該曲線的最高點，風(fēng)機安全運行區(qū)間較小，風(fēng)機的可靠性不足。出現(xiàn)該問題的主要原因是：風(fēng)機的性能曲線與礦井的風(fēng)阻曲線不匹配。考慮到礦井中央風(fēng)井的風(fēng)阻本質(zhì)較小，對礦井實施降阻措施，投入大，效果不明顯，因此不建議該礦采取降阻措施；因此，為了保證風(fēng)機運行的穩(wěn)定性，提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，建議更換高負(fù)壓大流量風(fēng)機。

2.2.2 公共段風(fēng)阻R0對風(fēng)機工況點的影響

風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)時，公共段阻力對風(fēng)機運行工況點的影響較大，根據(jù)分析可以看出：

（1）如果公共段風(fēng)阻增加的比較大，就會造成主要風(fēng)機的工況點大幅上移，甚至進入不穩(wěn)定工作區(qū)，導(dǎo)致能力較小的風(fēng)機進入不穩(wěn)定工作區(qū)，甚至發(fā)生風(fēng)機喘振，造成風(fēng)機的損壞。因此為了保證礦井風(fēng)機的安全經(jīng)濟運行應(yīng)保證公共段阻力不能超過總阻力的30%，做到礦井風(fēng)流早分開、晚匯合。由葫蘆素煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖分析得出，中央風(fēng)井風(fēng)機和西風(fēng)井風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)時，其公共段阻力合計163 Pa，占中央風(fēng)井風(fēng)機阻力1 580 Pa的10.3%，占西風(fēng)井風(fēng)機阻力1 760 Pa的9.3%，遠(yuǎn)小于總阻力的30%，因此兩風(fēng)井風(fēng)機相互影響較小。

2.家里只有一臺電視機，可是晚上爸爸想看足球比賽，媽媽想看電視連續(xù)劇，女兒想看動畫片。請你根據(jù)人物的身份和興趣特點，設(shè)想一下他們之間會怎么說。

（2）兩臺風(fēng)機的能力相差越大，公共段阻力發(fā)生變化時對能力小的風(fēng)機造成的影響越大，因此為了實現(xiàn)風(fēng)機的安全運轉(zhuǎn)，各風(fēng)機能力相差越小越好，盡可能采用相同能力的風(fēng)機，實現(xiàn)礦井各區(qū)域的均勻供風(fēng)。葫蘆素煤礦中央風(fēng)井風(fēng)機型號為：FCZ-№33，功率為2 000 kW，西風(fēng)井風(fēng)機的型號為FCZ-№26.5，功率為900 kW，雖然通過風(fēng)機性能的測定結(jié)果來看，在當(dāng)前礦井通風(fēng)狀態(tài)下，西風(fēng)井風(fēng)機輸入功率為565 kW，中央風(fēng)井風(fēng)機輸入功率為577.6 kW，兩風(fēng)機功率大致相同，但兩風(fēng)機風(fēng)量-風(fēng)壓曲線相差較大，西風(fēng)井風(fēng)機風(fēng)量小，壓力高，中央風(fēng)井風(fēng)機風(fēng)量高，壓力小，風(fēng)機性能有較大差距。鑒于中央風(fēng)井風(fēng)機的性能曲線，公共段阻力對中央風(fēng)井風(fēng)機影響更大。當(dāng)前中央風(fēng)井風(fēng)機已達最大能力，因此建議進行風(fēng)機更換；雖然西風(fēng)井風(fēng)機能力有一定富裕，但隨著礦井五盤區(qū)的開采，西風(fēng)井服務(wù)范圍增大，通風(fēng)線路增長，通風(fēng)阻力急劇增加，西風(fēng)井風(fēng)機也難以承擔(dān)通風(fēng)任務(wù)，建議更換大能力風(fēng)機，或者對通風(fēng)系統(tǒng)進行改造。

2.2.3 獨立工作風(fēng)網(wǎng)風(fēng)阻變化對風(fēng)機工況點影響

為了保證通風(fēng)機的安全經(jīng)濟運行，防止礦井某一區(qū)域風(fēng)網(wǎng)風(fēng)阻發(fā)生變化對主要通風(fēng)機的影響，在礦井的日常風(fēng)量調(diào)節(jié)分配過程中，應(yīng)密切關(guān)注風(fēng)阻增加區(qū)域的風(fēng)機，防止其進入不穩(wěn)定工作區(qū)域，造成通風(fēng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，同時觀測該區(qū)域的風(fēng)量是否正常，以免影響該區(qū)域的正常生產(chǎn)。

目前葫蘆素煤礦西風(fēng)井服務(wù)礦井西翼四盤區(qū)，由于四盤區(qū)采取跳采的采煤順序，因此在四盤區(qū)服務(wù)周期內(nèi)，西風(fēng)井的風(fēng)阻變化較小，西風(fēng)井風(fēng)機能力富余較大，因此，在四盤區(qū)服務(wù)年限內(nèi)西風(fēng)井工況變化較小，風(fēng)機能力滿足要求。

葫蘆素煤礦中央風(fēng)井服務(wù)礦井東翼一盤區(qū)、二盤區(qū)和2-2煤層的開拓區(qū)域，隨著盤區(qū)工作面的接續(xù)，各盤區(qū)風(fēng)量發(fā)生較大變化，中央風(fēng)井風(fēng)機風(fēng)阻發(fā)生較大變化，而目前中央風(fēng)井風(fēng)阻和風(fēng)機不匹配，導(dǎo)致風(fēng)機目前處于風(fēng)機性能曲線的駝峰點附近，風(fēng)機可調(diào)空間小，一旦風(fēng)阻增加，風(fēng)機運行進入不穩(wěn)定工作段，會導(dǎo)致風(fēng)機喘振，影響風(fēng)機壽命和井下供風(fēng)。

2.2.4 主要通風(fēng)機能力變化對其他主要通風(fēng)機的影響

當(dāng)風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)時，需要改變一風(fēng)機的能力或者更換大能力風(fēng)機時，應(yīng)分析其對其他區(qū)域風(fēng)機的影響，在試運行時，一定要對其他區(qū)域的風(fēng)量和風(fēng)機進行觀測，以免其他區(qū)域風(fēng)機因壓力升高而進入不穩(wěn)定工作區(qū)，影響礦井的正常通風(fēng)。

（1）西風(fēng)井風(fēng)機能力調(diào)整

依據(jù)風(fēng)機性能測定結(jié)果，在葉片角度為15°條件下，測定了40、45和50 Hz三條曲線。從測定結(jié)果來看，當(dāng)葉片角度為15°，電流頻率為45 Hz時，該風(fēng)機運行工況為：風(fēng)量191.6 m3/s，風(fēng)機壓力為1 940 Pa，風(fēng)機效率為57.6%，功率為644.8 kW。可以看出在該工況條件下運行時，工況點位于駝峰點右側(cè)單調(diào)下降區(qū)間，風(fēng)機能夠穩(wěn)定運行，風(fēng)壓小于最高壓力的90%；風(fēng)機的效率接近60%的經(jīng)濟運行區(qū)間，風(fēng)機運行效率較高；風(fēng)機的輸入功率達到644.8 kW，小于風(fēng)機的額定功率，風(fēng)機在該性能曲線下運行時，能夠在合理經(jīng)濟運行。

在15°葉片角度下，風(fēng)機的最大能力曲線為電流頻率50 Hz。當(dāng)葉片角度為15°，電流頻率為45 Hz時，該風(fēng)機運行工況為：風(fēng)量211.9 m3/s，風(fēng)機壓力為2 330 Pa，風(fēng)機效率為67.4%，功率為732.6 kW。風(fēng)機的效率超過60%的經(jīng)濟運行區(qū)間，風(fēng)機運行效率較高；風(fēng)機的輸入功率為732.6 kW，小于風(fēng)機的額定功率，風(fēng)機在該性能曲線下運行時，能夠在合理經(jīng)濟運行。

當(dāng)葉片角度為20°，電流頻率為40 Hz時，該風(fēng)機運行工況為：風(fēng)量183.8 m3/s，風(fēng)機壓力為1 760 Pa，風(fēng)機效率為51.1%，功率為633.5 kW。在當(dāng)前風(fēng)阻條件下，該風(fēng)機工況點位于駝峰點右側(cè)單調(diào)下降區(qū)間，風(fēng)機能夠穩(wěn)定運行，風(fēng)壓約為最高壓力的93%；風(fēng)機的效率略低于60%的經(jīng)濟運行區(qū)間，風(fēng)機運行效率較高；風(fēng)機的輸入功率小于風(fēng)機的額定功率。由于在該工況條件下風(fēng)機壓力超過最高壓力的90%，風(fēng)機的安全性下降，當(dāng)井下風(fēng)阻發(fā)生較大變化時，會影響風(fēng)機的安全運行。

當(dāng)葉片角度為20°，電流頻率為45 Hz時，該風(fēng)機運行工況為：風(fēng)量208.1 m3/s，風(fēng)機壓力為2 210 Pa，風(fēng)機效率為63.2%，功率為727.8 kW。在當(dāng)前風(fēng)阻條件下，該風(fēng)機工況點位于駝峰點右側(cè)單調(diào)下降區(qū)間，風(fēng)機運行平穩(wěn)，風(fēng)壓約為最高壓力的94%；風(fēng)機的效率高于60%的經(jīng)濟運行區(qū)間，風(fēng)機運行效率較高；風(fēng)機的輸入功率小于風(fēng)機的額定功率。在該工況條件下風(fēng)機壓力同樣超過最高壓力的90%。

當(dāng)葉片角度為20°，電流頻率為50 Hz時，該風(fēng)機運行工況為：風(fēng)量226.2 m3/s，風(fēng)機壓力為2 660 Pa，風(fēng)機效率為70.6%，功率為852.3 kW。在當(dāng)前風(fēng)阻條件下，該風(fēng)機工況點位于駝峰點右側(cè)單調(diào)下降區(qū)間，風(fēng)機運行平穩(wěn)，風(fēng)壓約為最高壓力的93.3%；風(fēng)機的效率高于60%的經(jīng)濟運行區(qū)間，風(fēng)機運行效率較高；風(fēng)機的輸入功率小于風(fēng)機的額定功率。在該工況條件下風(fēng)機壓力同樣超過最高壓力的90%，而且在該工況下西風(fēng)井風(fēng)機的功率接近額定功率，同時該風(fēng)機屬于非典型風(fēng)機，其功率曲線隨風(fēng)量增加而增加，當(dāng)局部風(fēng)流發(fā)生短路時，風(fēng)機運行超過額定功率，而造成風(fēng)機損壞。

（2）中央風(fēng)井風(fēng)機能力調(diào)整

通過中央風(fēng)井風(fēng)機性能測定，發(fā)現(xiàn)中央風(fēng)井風(fēng)機在葉片角度為30°時，風(fēng)機工況點均處于曲線駝峰點附近，該風(fēng)機在30°條件下長時間運行存在較大安全隱患；中央風(fēng)井風(fēng)機在葉片角度為35°運行，其電流頻率在40、45和50 Hz時，該風(fēng)機運行工況點處于駝峰點左側(cè)不穩(wěn)定工作區(qū)域，風(fēng)機處于喘振狀態(tài)，因此在礦井風(fēng)阻大幅下降之前，不能在該角度下運行；從測定結(jié)果來看，中央風(fēng)井風(fēng)機曲線與風(fēng)阻曲線不匹配，建議進行更換。

3 結(jié)論

（1）中央風(fēng)井風(fēng)機和西風(fēng)井風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)時，其通風(fēng)系統(tǒng)分開較早，公共段阻力較小約占中央風(fēng)井風(fēng)機阻力的10.3%，占西風(fēng)井風(fēng)機阻力的9.3%，遠(yuǎn)小于總阻力的30%，因此公共段阻力對兩風(fēng)井風(fēng)機相互影響較小。

（2）目前葫蘆素煤礦西風(fēng)井服務(wù)礦井西翼四盤區(qū)，風(fēng)機能力滿足要求；當(dāng)四盤區(qū)開采結(jié)束后，礦井進行五盤區(qū)接續(xù)時，建議更換風(fēng)機或進行通風(fēng)系統(tǒng)改造；葫蘆素煤礦中央風(fēng)井風(fēng)阻和風(fēng)機不匹配，導(dǎo)致風(fēng)機目前處于風(fēng)機性能曲線的駝峰點附近，風(fēng)機可調(diào)空間小，一旦風(fēng)阻增加，風(fēng)機運行進入不穩(wěn)定工作段，會導(dǎo)致風(fēng)機喘振，影響風(fēng)機壽命和井下供風(fēng)。

（3）葫蘆素煤礦西風(fēng)井風(fēng)機有能力提升的空間，在15°條件下可以調(diào)整頻率為45 Hz和50 Hz來提高風(fēng)機能力，但西風(fēng)井風(fēng)機能力的提高，會造成中央風(fēng)井風(fēng)機壓力升高，風(fēng)量降低，由于目前中央風(fēng)井風(fēng)機的工況點已處于駝峰點附近，西風(fēng)井風(fēng)機能力的提高會造成中央風(fēng)機進入不穩(wěn)定工作區(qū)域，因此，為了保證當(dāng)前礦井風(fēng)機的安全運行，西風(fēng)井風(fēng)機不能提高其運行能力。