礦井通風(fēng)系統(tǒng)運行頻率的優(yōu)化應(yīng)用

梁福兵，常 晶

（山西長治聯(lián)盛首陽山煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

礦井主通風(fēng)機全日處于無休運行狀態(tài)，具有功率大、能耗高的問題，據(jù)統(tǒng)計，通風(fēng)機的耗電量占到全礦井的20%，部分通風(fēng)困難礦井甚至達到30%，通風(fēng)系統(tǒng)的能耗更是占到整個礦井的24.4%～40.5%[1-2]。當(dāng)?shù)V井進入生產(chǎn)淡季后，隨著生產(chǎn)效率的下降，巷道的需風(fēng)量隨之降低，通常將會調(diào)整通風(fēng)設(shè)備的供風(fēng)量。傳統(tǒng)的調(diào)風(fēng)方式包括風(fēng)門的控制、風(fēng)橋的構(gòu)造等，但都需要一定施工周期，效率低下且費用較高[3]。當(dāng)前經(jīng)過諸多專家學(xué)者的研究，采用變頻調(diào)速可以實現(xiàn)主通風(fēng)機的合理優(yōu)化，達到了一定的節(jié)能效果。但該方法常見于礦井生產(chǎn)初期通風(fēng)能力大于生產(chǎn)能力時使用，具有一定的局限性。因此，研究 一種適合礦井全壽命周期的主通風(fēng)機變頻控制技術(shù)，對于提高礦井經(jīng)濟效益，保障安全生產(chǎn)具有重要意義[4]。

1 全礦井風(fēng)量分配

首陽山煤礦為正常生產(chǎn)礦井，3 號煤層考慮服務(wù)年限和設(shè)備投資情況，也采用綜采放頂煤采煤法；9 號煤層為薄煤層，采用綜采一次采全高采煤法。按照該礦的采掘計劃布置，現(xiàn)井下主要用風(fēng)地點由原來的兩采四掘變?yōu)楝F(xiàn)在的兩采一備一掘[兩個回采工作面（3101 工作面、9101 工作面）、一個備用工作面（3102）、一個掘進工作面（3103 運輸順槽）]。風(fēng)量富余較多，現(xiàn)在又進入冬季，為更合理地進行風(fēng)量分配，現(xiàn)通過調(diào)整主要通風(fēng)機的頻率來調(diào)整井下全礦井風(fēng)量。為確保主要通風(fēng)機調(diào)整順利完成，特制定此全礦井風(fēng)量調(diào)整安全技術(shù)措施。

根據(jù)本礦現(xiàn)采掘計劃及巷道布置，井下主要用風(fēng)地點為：兩個回采工作面（3101 工作面、9101 工作面）、一個備用工作面（3102 工作面）和一個掘進工作面（3103 運輸順槽），此外還包括有主水泵房、煤采區(qū)變電所等硐室和1502 采區(qū)大巷和各行人巷。

2 各用風(fēng)地點配風(fēng)量計算

計算采掘工作面、巷道所需風(fēng)量的大小有多種依據(jù)和計算方式，通常以瓦斯?jié)舛?、現(xiàn)場人數(shù)、氣象條件為依據(jù)，選取數(shù)值最大的計算結(jié)果為該巷道的安全需風(fēng)量。

2.1 按瓦斯涌出量計算配風(fēng)量[式（1）]

式中：Q采為采掘工作面實際需風(fēng)量，m3/min；q 為工作面的平均絕對瓦斯涌出量，根據(jù)近期瓦斯記錄表顯示，3101 回風(fēng)順槽瓦斯涌出量為0.17 m3/min、9101 工作面瓦斯涌出量為0.11 m3/min；K 為瓦斯涌出不均衡系數(shù)，工作面正常生產(chǎn)時連續(xù)觀測1 個月后取值1.6。

經(jīng)計算，Q3101=34 m3/min，Q9101=22 m3/min。

2.2 按工作面最多人數(shù)計算[式（2）]

式中：N 為工作面同時工作最多人數(shù)，采煤工作面按50 人取值；4 為每人應(yīng)供給的最小風(fēng)量，m3/min。

經(jīng)計算，兩個采煤工作面均為200 m3/min。

2.3 按氣象條件計算[式（3）]

式中：vcfi為工作面的風(fēng)速，m/s，V3101、V3102與V9101取值1.5 m/s；Scfi為采煤工作面的平均有效斷面積，按最大和最小空頂有效斷面的平均值計算，S3101與S3103取8.6 m2、S9101取3.85 m2；Kchi為采煤工作面采高調(diào)整系數(shù)，3101 工作面，取值1.2，9101 工作面取值1；K 為采煤工作面長度調(diào)整系數(shù)，3101 工作面和9101 工作面都取值1.0。

經(jīng)以上計算，Q3101采=650 m3/min，Q9101=243 m3/min。

2.4 按風(fēng)速進行驗算

經(jīng)過不同維度對需風(fēng)量的計算后，取最大值，即Q3101=650 m3/min，Q9101=243 m3/min，隨后對該需風(fēng)量進行驗算。

驗算最小風(fēng)量[式（4）]：

式中：Lmax為采煤工作面最大控頂距，3101 工作面與9101 工作面取4.7 m；h 為煤層高度，3101 工作面取2.4 m，9101 工作面1.5 m。

故Q3101≥60×0.25×（4.7×2.4×0.7）=118.5 m3/min，Q9101=60×0.25×4.94=74.1 m3/min，符合要求。

2）驗算最大風(fēng)量[式（5）]：

式中：Lmin為采煤工作面最小控頂距，3 個工作面取4.1 m；h 取值同上。

故Q3101≤60×4×（4.1×2.4×0.7）=1 656 m3/min，Q9101≤60×4×4.3=1 032 m3/min，都符合要求。

2.5 備用工作面

3102 備用工作面按3101 綜采工作面風(fēng)量的50%配風(fēng)，計算為325 m3/min。

2.6 3103 運輸順槽掘進及其他硐室需風(fēng)量計算

目前礦井留有一個掘進順槽，按該工作面的最低風(fēng)速計算風(fēng)量[式（6）]進行配風(fēng)：

式中：Q掘為掘進工作面實際需風(fēng)量，S 為掘進工作面巷道斷面積，m2，取8.5 m2。

經(jīng)計算，Q掘為128 m3/min。因此按照工作面最大需風(fēng)量，選用局部通風(fēng)機型號為FBD№6.0/2×15，吸風(fēng)量為220～370 m3/min，滿足需要；該掘進工作面需風(fēng)量為128 m3/min，配風(fēng)量為220 m3/min。

符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)程規(guī)定。因此判斷該掘進工作面需風(fēng)量為128 m3/min，配風(fēng)量為220 m3/min，滿足實際要求。

其他硐室包括采取軌道避難硐室、主水泵房、9#煤采區(qū)變電所、順槽聯(lián)絡(luò)巷等共計12 處，總需風(fēng)量達到1 620 m3/min。

2.7 總風(fēng)量

礦井總需風(fēng)量計算[式（7）]：

式中：∑Q采為3101、9101 工作面、3102 備用工作面實際需要風(fēng)量之和為，計算得1 625 m3/min；∑Q掘為3103 運輸順槽掘進工作面，220 m3/min；∑Q其他為其他用風(fēng)巷道實際需要風(fēng)量的總和1 620 m3/min；K礦通為礦井通風(fēng)系數(shù)，取1.17。經(jīng)計算全礦井總需風(fēng)量為4 054 m3/min。

3 主通風(fēng)機概況及風(fēng)量分配

我礦現(xiàn)使用FBCDZ-№22/2×160 型抽出對旋軸流式通風(fēng)機，正常生產(chǎn)時運行主要參數(shù)：抽出風(fēng)量4 635 m3/min（77.25 m3/s），一級電機功率60.3 kW，二級電機功率22.4 kW，電機頻率46 Hz，負壓1 100 Pa，可以滿足全礦井的配風(fēng)要求。

根據(jù)主要通風(fēng)機說明書及性能特性曲線圖1，判斷目前使用的電機頻率是該葉片角度運行的較小頻率，調(diào)小該葉片角度下的電機頻率，風(fēng)量將會增大。經(jīng)和相關(guān)技術(shù)鑒定中心及廠家技術(shù)人員進行核定后，根據(jù)核定結(jié)果進行主要通風(fēng)機電機頻率進行調(diào)整。按照每旬測風(fēng)報表的全礦井有效風(fēng)量率最小值（94%）進行主要通風(fēng)機吸風(fēng)量計算為：Q主風(fēng)機回=Q礦/94%=4 054÷94%=4 313 m3/min。

圖1 通風(fēng)性能曲線圖

4 風(fēng)量調(diào)整步驟及安全措施

4.1 風(fēng)量調(diào)整步驟

風(fēng)量的調(diào)整將按照以下步驟進行：

1）調(diào)整頻率前，將井下所有保勤人員撤至主要進風(fēng)大巷。待井下所有人員撤至進風(fēng)大巷后，主要通風(fēng)機司機開始進行頻率下調(diào)。

2）調(diào)整時總工程師在調(diào)度室統(tǒng)一指揮，機電礦長在主扇風(fēng)機房進行現(xiàn)場指揮，由主扇司機進行現(xiàn)場操作，對主扇風(fēng)機的頻率進行下調(diào)，由50 Hz 調(diào)至42 Hz。然后對風(fēng)扇角度進行調(diào)節(jié)。主要參考指標(biāo)為電腦顯示的風(fēng)流量參數(shù)，風(fēng)流量由4 635 m3/min 調(diào)至4 313 m3/min。

3）當(dāng)主要通風(fēng)機風(fēng)流量風(fēng)流上調(diào)至99.62 m3/s，待風(fēng)流穩(wěn)定半小時以上時，井下測風(fēng)員開始對井下全礦井總風(fēng)量測定。將測風(fēng)結(jié)果及時匯報調(diào)度室及通風(fēng)科。

4）調(diào)整后待總風(fēng)量滿足需要時，通風(fēng)科組織人員對井下所有地點進行一次全面測風(fēng)，根據(jù)以上的風(fēng)量分配計劃，通過井下的通風(fēng)設(shè)施的調(diào)整，對井下各地點及巷道進行風(fēng)量重新分配。

5）二號主要通風(fēng)機調(diào)整完畢及井下風(fēng)量符合要求正常運作48 h 后，開始進行切換一號風(fēng)機進行調(diào)整，調(diào)整所有工序與二號風(fēng)機相同。

4.2 安全措施的制定

通風(fēng)科人員提前檢查井下所有通風(fēng)設(shè)施的完好情況，對不完好的設(shè)施提前進行加固。在調(diào)整風(fēng)機時，井下瓦斯員要隨時檢查所負責(zé)區(qū)域內(nèi)的瓦斯、二氧化碳的濃度。主要通風(fēng)機在切換時，主要通風(fēng)機司機必須帶絕緣手套及穿絕緣水鞋。切換時必須將另一臺風(fēng)機的碟閥關(guān)閉嚴密。相關(guān)人員必須嚴格學(xué)習(xí)本措施，本措施未提及的嚴格按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定進行作業(yè)。

5 實施效果分析及結(jié)論

經(jīng)過對風(fēng)機進行變頻調(diào)節(jié)后，主通風(fēng)機相應(yīng)的輔助設(shè)備的磨損程度較之前明顯減輕，維護周期縮短，設(shè)備運行壽命延長、維護成本降低，具體如下：

1）通過變頻調(diào)速的改造后，電機可實現(xiàn)軟啟動，電流將降低至額定電流的90%，避免了對電網(wǎng)造成的負載，電纜載荷減弱并且減少電機發(fā)熱量，延緩設(shè)備壽命；

2）設(shè)備低頻工況下降產(chǎn)生更低的噪音，有利于現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的改善；

3）根據(jù)運行工況設(shè)定程序，實現(xiàn)了對主扇風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速的自動控制，并可以對風(fēng)扇角度調(diào)節(jié)；

4）采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電壓源型變頻器功率數(shù)可達0.96，減小了線路的能量損失，地面主通風(fēng)機分時段變頻運行可實現(xiàn)集中式通風(fēng)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的動態(tài)管理，真正意上達到了“按需配風(fēng)”，提高了風(fēng)量利用率，對節(jié)能增效具有顯著的實用價值。