黃紹明 季現(xiàn)偉 王 晶

(玉溪礦業(yè)有限公司)

大紅山銅礦位于云南省玉溪市新平彝族、傣族自治縣戛灑鎮(zhèn)，是玉溪礦業(yè)有限公司的主力礦山，也是云南銅業(yè)集團的標桿礦山，采用無軌+有軌相結合的方式進行開采，實際礦石生產(chǎn)能力為15 000 t/d。該礦山采用“兩翼進風，中部回風”多風機多級機站壓抽結合的通風方式，井下生產(chǎn)范圍大，巷道與作業(yè)點較多，整個通風系統(tǒng)網(wǎng)路結構十分復雜［1］。隨著采礦的進行，開拓工程不斷向深部延伸，致使該礦山的整個通風網(wǎng)路結構、總風阻、風機工況點較初期都發(fā)生了變化。與其他金屬礦山一樣，風機運行效率低，通風效果不佳，盲目增加風機，不同程度地存在著低效高耗的現(xiàn)象［2-3］。

如何保證通風效果、井下的微氣候條件及風機高效經(jīng)濟運行，是大紅山銅礦生產(chǎn)經(jīng)營中亟待解決的難題，也是一個非常具有實際應用價值的研究課題。針對這一課題，筆者作為大紅山銅礦整個通風系統(tǒng)的管理者，根據(jù)自己多年從事通風管理工作的經(jīng)驗，結合該礦山的實際情況，在優(yōu)化通風路線、縮短送風里程、封閉廢棄的聯(lián)絡井巷、減少漏風和風機使用變頻調(diào)速器等方面采取有效措施的基礎上，又提出網(wǎng)路降阻與風機調(diào)節(jié)相結合的方法管理通風系統(tǒng)，明顯改善了井下的微氣候條件，并保證了風機高效經(jīng)濟運行，同時為礦山創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益［4］。

1 通風存在的問題分析

在礦山實際生產(chǎn)中，風機的工況點經(jīng)常因開拓工程的增加、采掘工作面的轉移等因素變化及風機本身性能的變化而改變［5］。特別是整個礦井通風進入困難時期，由于供風里程、需風量、漏風點都在增加，風機工況點變化較大，為了保證供風量，存在盲目增加風機的現(xiàn)象，結果導致風機運行效率低，風流沿途漏入采空區(qū)，通風電耗急劇增加，工作面達不到理想的作業(yè)環(huán)境［6］。

對于整個礦井的通風系統(tǒng)而言，風機運轉的效率高低直接影響整個系統(tǒng)通風效果的好壞。如何保證風機在高效區(qū)域運轉是降低礦井通風能耗和提高礦井通風效果的重要措施之一［7］。根據(jù)風機理論分析證明，風機的軸功率與風量的立方成正比，即［8］

式中，Nf為風機的軸功率，kW;Rf為井巷的風阻，N·s2/m8;Qf為風機的風量，m3/s;ηf為風機的效率。

雖然通過減少供風量降耗效果最明顯，但在實際生產(chǎn)中，特別是通風相對困難時期，為了保證井下具備良好的作業(yè)環(huán)境，減少供風量是不現(xiàn)實的。必須在保證供風量的前提下，采取其他措施降耗節(jié)能，并提高通風效果。

風機通過克服井巷的沿程阻力，把新鮮風流送到作業(yè)面所耗費的電能至少與2個因素密切相關:一是網(wǎng)路的風阻大小;二是風機的效率高低。顯然，降低通風網(wǎng)路的風阻值，就相當于直接降低風機的輸出風壓值，相應地降低了風機的軸功率，即減少電能消耗。另外，風機的效率與軸功率成反比，當提高風機運行效率時，同樣也直接降低了風機的軸功率，即減少電能消耗［9］。因此，必須平衡井巷風阻與風機效率之間的關系，保證通風效果的同時，真正達到節(jié)能增效的目的。

2 網(wǎng)路降阻與風機調(diào)節(jié)相結合

在整個通風系統(tǒng)隨生產(chǎn)運行過程中，為保證風機高效經(jīng)濟地運行，必須適時地進行風機工況點的調(diào)節(jié)。實質上，風機工況點的調(diào)節(jié)就是供風量的調(diào)節(jié)。由于風機工況點是由風機的風壓和井巷風阻兩者的特性曲線決定的，因此，要調(diào)節(jié)風機工況點，必須把網(wǎng)路降阻與風機調(diào)節(jié)相結合才能真正達到節(jié)能增效目的［10］。

2.1 網(wǎng)路降阻的措施

當?shù)V井通風進入困難時期，總風量供應不足時，如果能降低礦井的總風阻，則不僅可以增加礦井的總風量，而且可以降低礦井的總阻力。網(wǎng)路降阻有多種措施，但是，當井下巷道開掘完畢投入使用后，井巷的風阻大小就已成固定值，各分支井巷的風阻難以人為改變其大小。根據(jù)礦山企業(yè)的實際情況，在不影響井下正常生產(chǎn)的情況下，投入成本最少，最顯著地降低整個網(wǎng)路總風阻大小的方法就是改變各分支井巷的相互連接結構形式。盡可能地利用相互并聯(lián)的井巷，包括利用廢舊井巷，將串聯(lián)風流改為相互并聯(lián)流動，其原理如式(2)所示［11］:

式中，R為并聯(lián)巷道總風阻，Rn為各分支巷道風阻。

式(2)表明:并聯(lián)通風網(wǎng)路并聯(lián)的分支井巷越多，總風阻越小，且并聯(lián)通風網(wǎng)路總風阻永遠比任意一條分支井巷的風阻小。若有n條風阻相同的風道并聯(lián)，則并聯(lián)后的總風阻為R=Rn/n2。即使是最簡單的情況，設兩條并聯(lián)井巷風阻相等，當同等的風量經(jīng)兩條并聯(lián)井巷進入風機，較風流經(jīng)單一井巷進入風機，總風阻只有分支井巷風阻的1/4倍。可見并聯(lián)通風網(wǎng)路的總風阻較并聯(lián)分支井巷的風阻值降低的幅度非常大。

因此，在實際的通風工作中，在盤區(qū)的進風和回風路線上，應盡可能利用現(xiàn)有的相互并聯(lián)的井巷輸送風流，可顯著降低網(wǎng)路的總風阻。通常盤區(qū)的回風路線距風機較遠，除專用回風路線外，沿途還有許多廢舊井巷。為了減小回風路線的總風阻，充分利用沿途的廢舊井巷，對廢舊井巷中各中段、水平的上下聯(lián)絡井采取隔離措施，防止漏風。

如圖1所示，該區(qū)域為435 m中段的部分井巷，450 m切頂巷作為東部區(qū)域的專用回風巷。為了減小通風阻力，把已經(jīng)采礦結束的440 m切頂巷利用起來，對435 m中段20－24盤區(qū)Ⅰ段出礦進路進行密閉(一是為了充填采空區(qū)使用，二是為了防止漏風)，使用2條井巷形成并聯(lián)回風，從而降低了盤區(qū)的回風路線總風阻，其降阻效果如表1所示。盡管有的2條并聯(lián)井巷長度并不完全一樣，但只要充分、合理、科學地使用，也能起到降低總風阻的作用。

圖1 利用廢舊井巷降低通風阻力示意

表1 網(wǎng)路并聯(lián)降阻結果

2.2 提高風機效率的措施

提高風機運行的效率，本質是在保證供風量的前提下，讓風機在高效率狀態(tài)下運行，從而達到節(jié)能的目的。受風機結構的限制，軸流式風機的風壓特性曲線一般都有馬鞍形駝峰存在，而且同一臺風機的駝峰區(qū)隨著葉片安裝角度的增大而增大。駝峰右側的特性曲線為單調(diào)下降曲線，是穩(wěn)定工作區(qū)段;駝峰左側的特性曲線為不穩(wěn)定工作區(qū)段，風機在該區(qū)段工作，有時會引起風機的風量、風壓和電機功率的急劇波動，甚至機體發(fā)生震動，發(fā)出不正常的噪音，產(chǎn)生所謂喘振現(xiàn)象，嚴重時會損壞風機［12］。因此，為保證風機在穩(wěn)定區(qū)域高效運行，葉片安裝角度盡量不要選擇廠家提供的最大及最小安裝角度，宜選擇中間角度。

風機在不同葉片安裝角度下運行時都有其效率的最大值點，在該點兩側的效率相對較低，見圖2所示。該圖為K40－8－No22軸流式風機32°葉片安裝角的效率曲線。將不同角度葉片角的等效率點連線，即可獲得該風機的運行效率分布曲線。

圖2 K40－8－No22風機32°葉片角的效率曲線

風機運行狀態(tài)的工況點是風機運行時對外輸出風量、風壓等所有技術參數(shù)的即時狀態(tài)點，也即網(wǎng)路風阻特性曲線與風機的風量－風壓特性曲線的交點，簡稱工況點。當網(wǎng)路總風阻變化時，工況點將沿風機特性曲線上下移動，從而改變風機運行的效率，使風機的運行效率較原來提高或降低［10］。但通過采取相應措施調(diào)節(jié)使網(wǎng)路總風阻降低時，倘若工況點向低效率方向移動，由此獲得的節(jié)能效果就要打折扣。因此降低網(wǎng)路的風阻還要與提高風機效率調(diào)節(jié)緊密結合，才能取得良好的節(jié)能及通風效果，見圖3所示。

圖3 網(wǎng)路風阻與風機工況點變化

圖3 表示了K40－8－No22風機經(jīng)過網(wǎng)路降阻后工況點的變化情況。其中，R1和R2表示網(wǎng)路經(jīng)過并聯(lián)處理前后的風阻特性曲線，K1、K2、K3表示不同條件下的風機工況點。

以圖3為例，該裝機點原來的網(wǎng)路風阻特性曲線為 R1，風機工況點為 K1，風量 70.5 m3/s，風壓820 Pa，葉片安裝角29°，效率77%，軸功率75.08 kW。通過將網(wǎng)路并聯(lián)降阻后，網(wǎng)路風阻特性曲線為R2，風機工況點為 K2，風量 77 m3/s，風壓 725 Pa，葉片安裝角29°，效率83.5%，軸功率66.86 kW。通過網(wǎng)路降阻后，風機風量增加了，效率提高了，軸功率也明顯降低。

這僅是對1臺風機的舉例說明，大紅山銅礦原有風機97臺，總裝機容量6 233 kW，如果每臺風機每秒增加幾立方風量，所有風機每秒將增加上百立方風量。通過公式(1)可知，電耗與風量之間成3次方的關系，也就是說，在礦井風阻、風機效率、電機功率、傳動效率等因素不變的情況下，若把風量增加1倍，電耗將升為原來的8倍，過度地加大風量，將導致電耗急劇增加，因此應嚴謹計算需風量。

雖然大紅山銅礦通風進入相對困難時期，但在原通風設計的基礎上，也不需要增加過多的供風量。通過圖3仔細研究可發(fā)現(xiàn)，如果采用網(wǎng)路降阻與風機調(diào)節(jié)相結合的方法，在網(wǎng)路降阻的基礎上，再把風機葉片安裝角由29°調(diào)整為26°，此時風機工況點為K3，風量 73.5 m3/s，風壓 620 Pa，效率 86.3%，軸功率52.8 kW。與網(wǎng)路降阻單一調(diào)節(jié)法相比，風機效率提高了2.8個百分點，軸功率卻降低了14.06 kW，而供風量也完全滿足需求，保證通風效果的同時，節(jié)能降耗效果非常明顯。

3 調(diào)節(jié)效果統(tǒng)計

大紅山銅礦近3 a來專門立項進行區(qū)域收縮和通風系統(tǒng)優(yōu)化，通過封閉廢棄的上下連通的管纜井，處理部分廢舊井巷與現(xiàn)用井巷實現(xiàn)并聯(lián)，降低通風阻力。每個區(qū)域的通風網(wǎng)路優(yōu)化完畢，再利用自主研發(fā)的通風網(wǎng)絡解算軟件MVNSS進行解算，并對解算結果進行分析。根據(jù)解算結果，再對部分中段水平的風機工況進行調(diào)節(jié)(使用變頻器或者調(diào)節(jié)葉片安裝角)，提高運行效率，拆除不必要的風機，從而降低通風能耗。通過充分利用網(wǎng)路降阻與風機調(diào)節(jié)相結合優(yōu)化通風系統(tǒng)所獲得的節(jié)能效果進行粗略統(tǒng)計，其結果如表2所示，在保證通風效果的同時，僅8個中段水平的部分區(qū)域風機就降低能耗136.78 kW，增加風量26.7 m3/s，每年可節(jié)約通風費用59.58萬元。

表2 網(wǎng)路降阻與風機調(diào)節(jié)相結合調(diào)節(jié)法效果統(tǒng)計

4 結論

筆者根據(jù)多年從事通風管理工作的經(jīng)驗，把理論與實踐緊密結合進行深入研究，提出了網(wǎng)路降阻與風機調(diào)節(jié)相結合的方法優(yōu)化通風網(wǎng)路。此方法在大紅山銅礦通風管理過程中實際應用，井下風機由原來的97臺減少到84臺，裝機容量由原來的6 233 kW減少到目前的5 687 kW，目前風機平均效率在80%以上。該方法的應用明顯改善了大紅山銅礦井下的微氣候條件，并保證了風機高效經(jīng)濟運行，同時每年為礦山節(jié)約數(shù)百萬元通風費用，達到了良好的節(jié)能降耗效果，值得大力推廣應用。

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