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(yíng)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(jìn)(開拓)長(zhǎng)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(kuò)大要求提供更多的風(fēng)量,這對(duì)煤礦通風(fēng)能力提出了更高的要求,進(jìn)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(gè)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(jī)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(yùn)行狀態(tài),直接關(guān)系到煤礦安全生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益[6]。
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(jì)劃分為4個(gè)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(jìn)風(fēng),中央風(fēng)井、西翼風(fēng)井回風(fēng)。中央風(fēng)井安裝2臺(tái)FCZ No33/2000(I)型軸流式通風(fēng)機(jī),其中1臺(tái)備用;西翼風(fēng)井安裝2臺(tái)FCZ No26.5/900(I)型軸流式通風(fēng)機(jī),其中1臺(tái)備用。采煤工作面采用“U”型通風(fēng)方式,掘進(jìn)工作面采用局部通風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)。
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(gè)回風(fēng)井,當(dāng)?shù)V井通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn),因此主要通風(fēng)機(jī)之間會(huì)發(fā)生相互影響,為了分析兩風(fēng)井風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)機(jī)之間的相互影響,對(duì)葫蘆素煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,如圖1所示。
圖1 葫蘆素煤礦通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖
根據(jù)主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的繪圖原理,繪制出風(fēng)機(jī)f1和風(fēng)機(jī)f2聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)f1和風(fēng)機(jī)f2的個(gè)體特性曲線,曲線fR1和曲線fR2為風(fēng)機(jī)f1和風(fēng)機(jī)f2減去各自單獨(dú)工作風(fēng)網(wǎng)R1和R2后的等效特性曲線,fR12為等效風(fēng)機(jī)fR1和fR2在為公共風(fēng)路R0服務(wù)時(shí)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(jī)f1和中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)f2聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工況點(diǎn)。
圖2 通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)確定
目前葫蘆素煤礦西翼風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)型號(hào)為FCZ№26.5/900,風(fēng)量為171.7 m3/s,風(fēng)機(jī)壓力為1 580 Pa,風(fēng)阻為0.052 62 NS2/m8。當(dāng)前風(fēng)機(jī)運(yùn)行葉片角度為15°,運(yùn)行頻率為40 Hz;中央風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)型號(hào)為FCZ№33/2000,風(fēng)機(jī)運(yùn)行葉片角度為30°,運(yùn)行頻率為40 Hz。中央風(fēng)井風(fēng)量為245.6 m3/s,風(fēng)機(jī)壓力為1 750 Pa,風(fēng)阻為0.028 45 NS2/m8。風(fēng)機(jī)曲線及工況點(diǎn)如圖3所示。
圖3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況圖
風(fēng)井風(fēng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行工況點(diǎn)位于風(fēng)壓曲線駝峰點(diǎn)右側(cè)單調(diào)下降區(qū)間,風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,壓力小于風(fēng)機(jī)最高風(fēng)壓的90%,風(fēng)機(jī)輸入功率為565 kW,而該風(fēng)機(jī)的額定功率為900 kW,當(dāng)前風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率小于風(fēng)機(jī)的額定功率,風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全,在此工況下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率為47.8%,低于60%的經(jīng)濟(jì)效率運(yùn)行區(qū)間,具有一定的抗災(zāi)變能力,但運(yùn)行效率略低。
中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行工況點(diǎn)位于風(fēng)壓曲線駝峰點(diǎn)附近,基本到達(dá)該風(fēng)機(jī)葉片角度30°,40 Hz運(yùn)行曲線的最高點(diǎn);風(fēng)機(jī)輸入功率為577.6 kW,遠(yuǎn)小于該風(fēng)機(jī)的額定功率2 000 kW,風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率達(dá)到74.4%。從風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況可以看出,該風(fēng)機(jī)在該曲線下到達(dá)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(jī)會(huì)進(jìn)入曲線駝峰點(diǎn)左側(cè)不穩(wěn)定工作區(qū),造成風(fēng)機(jī)喘振而損壞風(fēng)機(jī),同時(shí)影響井下風(fēng)量的穩(wěn)定性。該通風(fēng)裝置中電機(jī)與風(fēng)機(jī)不匹配,風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)到達(dá)該曲線頂點(diǎn)時(shí),電機(jī)的輸出功率577.6 kW,為其額定功率2 000 kW的29%,電機(jī)能力嚴(yán)重過剩。
在風(fēng)機(jī)性能測(cè)定過程中還測(cè)定了在中央風(fēng)機(jī)葉片角度為30°條件下45 Hz和50 Hz的風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能曲線。測(cè)試結(jié)果可以得出該風(fēng)機(jī)為低負(fù)壓高流量風(fēng)機(jī),在風(fēng)阻0.028 45 NS2/m8條件下,風(fēng)機(jī)在40 Hz和50 Hz運(yùn)行曲線運(yùn)行時(shí),工況點(diǎn)均為該曲線的最高點(diǎn),風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行區(qū)間較小,風(fēng)機(jī)的可靠性不足。出現(xiàn)該問題的主要原因是:風(fēng)機(jī)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(duì)礦井實(shí)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(jī)運(yùn)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(jī)。
2.2.2 公共段風(fēng)阻R0對(duì)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的影響
風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),公共段阻力對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)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(huì)造成主要風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)大幅上移,甚至進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū),導(dǎo)致能力較小的風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū),甚至發(fā)生風(fēng)機(jī)喘振,造成風(fēng)機(jī)的損壞。因此為了保證礦井風(fēng)機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(jī)和西風(fēng)井風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其公共段阻力合計(jì)163 Pa,占中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)阻力1 580 Pa的10.3%,占西風(fēng)井風(fēng)機(jī)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(jī)相互影響較小。
2.家里只有一臺(tái)電視機(jī),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(dòng)畫片。請(qǐng)你根據(jù)人物的身份和興趣特點(diǎn),設(shè)想一下他們之間會(huì)怎么說。
(2)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的能力相差越大,公共段阻力發(fā)生變化時(shí)對(duì)能力小的風(fēng)機(jī)造成的影響越大,因此為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn),各風(fēng)機(jī)能力相差越小越好,盡可能采用相同能力的風(fēng)機(jī),實(shí)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(jī)型號(hào)為:FCZ-№33,功率為2 000 kW,西風(fēng)井風(fēng)機(jī)的型號(hào)為FCZ-№26.5,功率為900 kW,雖然通過風(fēng)機(jī)性能的測(cè)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(jī)輸入功率為565 kW,中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)輸入功率為577.6 kW,兩風(fēng)機(jī)功率大致相同,但兩風(fēng)機(jī)風(fēng)量-風(fēng)壓曲線相差較大,西風(fēng)井風(fēng)機(jī)風(fēng)量小,壓力高,中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)風(fēng)量高,壓力小,風(fēng)機(jī)性能有較大差距。鑒于中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)的性能曲線,公共段阻力對(duì)中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)影響更大。當(dāng)前中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)已達(dá)最大能力,因此建議進(jìn)行風(fēng)機(jī)更換;雖然西風(fēng)井風(fēng)機(jī)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(zhǎng),通風(fēng)阻力急劇增加,西風(fēng)井風(fēng)機(jī)也難以承擔(dān)通風(fēng)任務(wù),建議更換大能力風(fēng)機(jī),或者對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。
2.2.3 獨(dú)立工作風(fēng)網(wǎng)風(fēng)阻變化對(duì)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)影響
為了保證通風(fēng)機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,防止礦井某一區(qū)域風(fēng)網(wǎng)風(fēng)阻發(fā)生變化對(duì)主要通風(fēng)機(jī)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(jī),防止其進(jìn)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(shí)觀測(cè)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)不匹配,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)目前處于風(fēng)機(jī)性能曲線的駝峰點(diǎn)附近,風(fēng)機(jī)可調(diào)空間小,一旦風(fēng)阻增加,風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)入不穩(wěn)定工作段,會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)喘振,影響風(fēng)機(jī)壽命和井下供風(fēng)。
2.2.4 主要通風(fēng)機(jī)能力變化對(duì)其他主要通風(fēng)機(jī)的影響
當(dāng)風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),需要改變一風(fēng)機(jī)的能力或者更換大能力風(fēng)機(jī)時(shí),應(yīng)分析其對(duì)其他區(qū)域風(fēng)機(jī)的影響,在試運(yùn)行時(shí),一定要對(duì)其他區(qū)域的風(fēng)量和風(fēng)機(jī)進(jìn)行觀測(cè),以免其他區(qū)域風(fēng)機(jī)因壓力升高而進(jìn)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(jī)能力調(diào)整
依據(jù)風(fēng)機(jī)性能測(cè)定結(jié)果,在葉片角度為15°條件下,測(cè)定了40、45和50 Hz三條曲線。從測(cè)定結(jié)果來看,當(dāng)葉片角度為15°,電流頻率為45 Hz時(shí),該風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況為:風(fēng)量191.6 m3/s,風(fēng)機(jī)壓力為1 940 Pa,風(fēng)機(jī)效率為57.6%,功率為644.8 kW。可以看出在該工況條件下運(yùn)行時(shí),工況點(diǎn)位于駝峰點(diǎn)右側(cè)單調(diào)下降區(qū)間,風(fēng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行,風(fēng)壓小于最高壓力的90%;風(fēng)機(jī)的效率接近60%的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間,風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較高;風(fēng)機(jī)的輸入功率達(dá)到644.8 kW,小于風(fēng)機(jī)的額定功率,風(fēng)機(jī)在該性能曲線下運(yùn)行時(shí),能夠在合理經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
在15°葉片角度下,風(fēng)機(jī)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(shí),該風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況為:風(fēng)量211.9 m3/s,風(fēng)機(jī)壓力為2 330 Pa,風(fēng)機(jī)效率為67.4%,功率為732.6 kW。風(fēng)機(jī)的效率超過60%的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間,風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較高;風(fēng)機(jī)的輸入功率為732.6 kW,小于風(fēng)機(jī)的額定功率,風(fēng)機(jī)在該性能曲線下運(yùn)行時(shí),能夠在合理經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
當(dāng)葉片角度為20°,電流頻率為40 Hz時(shí),該風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況為:風(fēng)量183.8 m3/s,風(fēng)機(jī)壓力為1 760 Pa,風(fēng)機(jī)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(jī)工況點(diǎn)位于駝峰點(diǎn)右側(cè)單調(diào)下降區(qū)間,風(fēng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行,風(fēng)壓約為最高壓力的93%;風(fēng)機(jī)的效率略低于60%的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間,風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較高;風(fēng)機(jī)的輸入功率小于風(fēng)機(jī)的額定功率。由于在該工況條件下風(fēng)機(jī)壓力超過最高壓力的90%,風(fēng)機(jī)的安全性下降,當(dāng)井下風(fēng)阻發(fā)生較大變化時(shí),會(huì)影響風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。
當(dāng)葉片角度為20°,電流頻率為45 Hz時(shí),該風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況為:風(fēng)量208.1 m3/s,風(fēng)機(jī)壓力為2 210 Pa,風(fēng)機(jī)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(jī)工況點(diǎn)位于駝峰點(diǎn)右側(cè)單調(diào)下降區(qū)間,風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),風(fēng)壓約為最高壓力的94%;風(fēng)機(jī)的效率高于60%的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間,風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較高;風(fēng)機(jī)的輸入功率小于風(fēng)機(jī)的額定功率。在該工況條件下風(fēng)機(jī)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(shí),該風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況為:風(fēng)量226.2 m3/s,風(fēng)機(jī)壓力為2 660 Pa,風(fēng)機(jī)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(jī)工況點(diǎn)位于駝峰點(diǎn)右側(cè)單調(diào)下降區(qū)間,風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),風(fēng)壓約為最高壓力的93.3%;風(fēng)機(jī)的效率高于60%的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間,風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較高;風(fēng)機(jī)的輸入功率小于風(fēng)機(jī)的額定功率。在該工況條件下風(fēng)機(jī)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(jī)的功率接近額定功率,同時(shí)該風(fēng)機(jī)屬于非典型風(fēng)機(jī),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(shí),風(fēng)機(jī)運(yùn)行超過額定功率,而造成風(fēng)機(jī)損壞。
(2)中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)能力調(diào)整
通過中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)性能測(cè)定,發(fā)現(xiàn)中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)在葉片角度為30°時(shí),風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)均處于曲線駝峰點(diǎn)附近,該風(fēng)機(jī)在30°條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行存在較大安全隱患;中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)在葉片角度為35°運(yùn)行,其電流頻率在40、45和50 Hz時(shí),該風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)處于駝峰點(diǎn)左側(cè)不穩(wěn)定工作區(qū)域,風(fēng)機(jī)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(yùn)行;從測(cè)定結(jié)果來看,中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)曲線與風(fēng)阻曲線不匹配,建議進(jìn)行更換。
(1)中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)和西風(fēng)井風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),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(jī)阻力的10.3%,占西風(fēng)井風(fēng)機(jī)阻力的9.3%,遠(yuǎn)小于總阻力的30%,因此公共段阻力對(duì)兩風(fēng)井風(fēng)機(jī)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(jī)能力滿足要求;當(dāng)四盤區(qū)開采結(jié)束后,礦井進(jìn)行五盤區(qū)接續(xù)時(shí),建議更換風(fēng)機(jī)或進(jìn)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(jī)不匹配,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)目前處于風(fēng)機(jī)性能曲線的駝峰點(diǎn)附近,風(fēng)機(jī)可調(diào)空間小,一旦風(fēng)阻增加,風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)入不穩(wěn)定工作段,會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)喘振,影響風(fēng)機(jī)壽命和井下供風(fēng)。
(3)葫蘆素煤礦西風(fēng)井風(fēng)機(jī)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(jī)能力,但西風(fēng)井風(fēng)機(jī)能力的提高,會(huì)造成中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)壓力升高,風(fēng)量降低,由于目前中央風(fēng)井風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)已處于駝峰點(diǎn)附近,西風(fēng)井風(fēng)機(jī)能力的提高會(huì)造成中央風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)域,因此,為了保證當(dāng)前礦井風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行,西風(fēng)井風(fēng)機(jī)不能提高其運(yùn)行能力。