崔素賓

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 常村煤礦,山西 長治 046100)

文章對常村煤礦花垴風井投入使用后形成的六進四回的復雜的多風井聯(lián)合通風系統(tǒng)進行研究與應用[1]。S5采區(qū)曲莊與西坡風井形成了雙翼聯(lián)合系統(tǒng),對S5采區(qū)膠帶下山、軌道下山形成的典型的角聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性進行研究;花垴村風井系統(tǒng)投入使用后,與王村風井系統(tǒng)形成相互影響最為密切的θ型網絡結構聯(lián)合通風系統(tǒng),結合生產銜接計劃,解決匯風點優(yōu)化問題并確保470水平北翼大巷風流的穩(wěn)定性[2]?；ㄛ窕仫L井投入使用后,礦井回風井達到4個,礦井通風能耗成為需要考慮的重要問題。結合通風網絡分析,進行多風井通風動力與通風網絡聯(lián)合優(yōu)化,實現(xiàn)多風井主要通風機聯(lián)合高效運行,達到節(jié)能減排的目的[3-5]。

1 礦井通風系統(tǒng)概況

1.1 礦井概況

圖1為常村煤礦全礦井通風系統(tǒng)簡圖,圖2為常村煤礦各風井通風型網絡,可以看出常村煤礦風井布置位置及通風供風情況。圖3為常村煤礦近型系統(tǒng)結構簡化仿真圖,將全礦井通風系統(tǒng)供風情況進行了簡化。表1為圖3中主要巷道的風量及等效風阻。

表1 常村煤礦主要巷道風量及等效風阻

圖1 常村煤礦全礦井通風系統(tǒng)簡圖

圖2 常村煤礦各風井通風θ型網絡

圖3 常村煤礦近θ型系統(tǒng)結構簡化仿真圖

中央回風井阻力主要路線:主井底繞道—N520大巷—N翼聯(lián)絡巷—N1/N2材料巷—N1進風巷—N翼膠帶巷—N3下部膠帶延伸段—N3-13軌順材料巷—N3-13膠順—N3-15膠順—N3下部回風巷延伸段—N3回風巷延伸段—N3回風巷—N翼回風巷—N總回風巷—北翼總回—中央風井。

以N3-15工作面為例,從中央風井到中央回風井的通風阻力累加圖見圖4,總阻力為2 643 Pa.

圖4 主井到中央回風井的通風阻力累加圖

西坡回風井阻力主要路線:西坡進風井井底—S520大巷—S5軌道下山—S5采區(qū)延伸軌道下山—S5延伸采區(qū)膠帶下山—S5-22膠順—S5-22軌順—S5-22軌順回風通道—S5延伸采區(qū)1號回風下山—S5采區(qū)2號回風下山—S5采區(qū)2號回風巷—西坡回風井。

以S5-22工作面為例,從西坡進風井到西坡回風井的通風阻力累加圖見圖5,總阻力為2 928 Pa.

圖5 西坡進風井到西坡回風井的通風阻力累加圖

王莊回風井阻力主要路線:王村副立井井底車場—470輔助運輸巷—+470 m北翼輔助運輸大巷—23采區(qū)軌道下山—2302膠順—2302輔助回風巷—23采區(qū)2號回風下山—470北翼2號回風大巷聯(lián)巷—470北翼2號回風巷—王村風井1號聯(lián)巷—470北翼1號回風巷—王村回風井。

以2302工作面為例,從王村副井到王村回風井的通風阻力累加圖見圖6,總阻力為2 490 Pa.

圖6 王村副立井到王村回風井的通風阻力累加圖

花垴回風井阻力主要路線:花垴1號進風聯(lián)巷—25采區(qū)軌道下山—27采區(qū)輔助運輸聯(lián)巷—27采區(qū)膠帶巷—2702膠順—2702膠順回風通道—27采區(qū)回風巷—25采區(qū)1號回風下山—25采區(qū)2號回風下山—花垴1號回風聯(lián)巷—花垴回風立井。

花垴回風井系統(tǒng),沒有回采工作面,主要是巷道開拓掘進。以2702膠順為例,從花垴進風立井到花垴回風立井的通風阻力累加圖見圖7,總阻力為1 250 Pa.

圖7 花垴進風井到花垴回風井的通風阻力累加圖

1.2 花垴主要通風機投運分析

花垴回風井投運前后通風系統(tǒng)變化如圖8、圖9所示。

圖8 花垴主要通風機投運前通風系統(tǒng)圖

圖9 花垴主要通風機投運后通風系統(tǒng)圖

1.3 花垴風機節(jié)能減排分析

2021年花垴風機投運,2022年進行通風系統(tǒng)優(yōu)化降阻,降阻后風量有所富余,產生能耗,因此需要通過變頻調頻的方法實現(xiàn)節(jié)能減排,如圖10所示。

圖10 花垴風機變頻調控節(jié)能示意

通風機變頻調速依據:變頻調節(jié)技術的引入可以很好地優(yōu)化風機風量的調節(jié)。變頻調速技術操作簡單,可靠性、有效性突出,只需適當調大或者調小變頻器的頻率就可調整電機的轉速,風機風量隨之改變,同時能夠進行風速連續(xù)調節(jié)。

同一類型的風機在變頻調節(jié)時,其風量Q、風壓Hf、功率N與轉速n之間存在以下比例定律:

(1)

(2)

(3)

式中:D1、D2為兩臺相似風機的葉輪外緣直徑,m.

當同一臺風機變頻調節(jié)時,D1=D2,ρ1=ρ2.則風機風量Q與轉速n成正比,風壓Hf與n2成正比,功率N與轉速n3成正比。因此,通過風機變頻調節(jié),可以直接改變風機風量、風壓和功率,達到變頻調風的目的?；喪?1)、(2)、(3)可得理論上的通風機定律:

(4)

從上式可得,若測定風機某頻率下的風量Q、風壓Hf、功率N,就可以計算出該風機任意頻率下的風量Q、風壓Hf、功率N,然后根據拉格朗日插值法,可以得到任意頻率下風機的理論特性曲線方程。

花垴風機投運初期風機運行頻率為35 Hz,對應工況點為M1,輸出功率與H1M1Q1O圍成的面積成正比。輸出功率經計算為366.6 kW.2022年花垴系統(tǒng)阻力下降,風阻特性曲線由曲線1變化為風阻特性曲線曲線2,工況點將變?yōu)镸1',此時風量有所富裕。為了實現(xiàn)節(jié)能減排,根據比例定律公式(4),當頻率調節(jié)至34.1 Hz時,花垴主要通風機調節(jié)后回風量為255.14 m3/s,能夠滿足生產需要,負壓為1 250 Pa,實際運行工況點變?yōu)镸2,與H1M1Q1O圍成的面積成正比,輸出功率經計算為318.9 kW,可以達到節(jié)能要求。

2 全礦井通風動力與阻力匹配

2.1 通風動力與阻力匹配度

礦井主要通風機為風流提供了絕大部分的動力,為了研究通風動力與阻力匹配的狀態(tài),需要對風機的運行現(xiàn)狀和基本參數進行測試,繪制風機風量、靜壓特性曲線,分別見圖11、圖12、圖13、圖14.

圖11 中央回風立井主要通風機特性曲線

圖12 西坡回風立井主要通風機特性曲線

圖13 王村回風立井主要通風機特性曲線

圖14 花垴回風立井主要通風機特性曲線

2.2 礦井通風動力與阻力匹配現(xiàn)狀

如表2所示,各回風立井通風動力與通風阻力的匹配度分別為:中央風井79,西坡風井64,王村風井70,花垴風井35.由礦井通風動力與阻力匹配度計算公式可知,當前狀況下常村煤礦中央回風井通風動力與通風阻力匹配度為優(yōu),西坡回風井以及王村回風井通風動力與通風阻力匹配度為良,花垴回風井通風動力與通風阻力匹配度為劣。從風機性能曲線圖中可以看出,花垴回風立井風機性能留有非常高的調節(jié)富裕量,目前花垴風機的運行效率較低,導致花垴回風井的通風動力與通風阻力匹配度較低,隨著25采區(qū)、27采區(qū)的延伸,用風地點將會增多,總回風量將會增加,通風阻力將會增大,后續(xù)應繼續(xù)做出相應調整。

表2 常村煤礦各風井工況點數據

2.3 多風井通風動力聯(lián)合高效運行研究

2.3.1 節(jié)能減排研究

花垴回風立井投運后,風井數目較多,通風管理難度較大,僅憑借經驗對礦井的通風系統(tǒng)進行管理和調節(jié),不僅無法達到滿意的調風效果,而且不能保障經濟性和技術性。為了保證礦井安全運轉,亟需對通風系統(tǒng)進行優(yōu)化。

在多進多回通風網絡結構分析的基礎上,對各用風地點的風量分布、礦井阻力分布進行合理調整,提出改造措施,實現(xiàn)多風井風機聯(lián)合高效運行,達到節(jié)能減排的目的。

2.3.2 風機性能測試結果處理與分析

目前中央、西坡、王村和花垴4個回風立井的主要通風機的實際運行角度分別為0°,-10°,-5°,-10°,西坡主要通風機經調節(jié),負壓相比之前有明顯下降,但應注意西坡主要通風機風量為19 189 m3/min,小于20 000 m3/min,但負壓已經接近2 940 Pa的閾值,后期進行通風系統(tǒng)調整時,應注意符合煤礦安全規(guī)程規(guī)定。對這4個風機葉片安裝角度各自進行一定范圍增大后,這幾個通風機仍然能夠正常運行。

2.3.3 節(jié)能減排研究結果分析

2021年花垴風井投運后,常村煤礦形成了六進四回的多風井聯(lián)合通風系統(tǒng),各回風井配置的通風動力可以符合生產要求,具體動力配置如表3所示,經優(yōu)化后,目前各回風井配置的通風動力配置如表4所示。

表3 2021年各回風井主通風機參數

表4 2022年各回風井主通風機參數

花垴風井在改造前后風機效率均較低。2021年風機效率為27.20%,2022年風機效率為27.21%.這是因為花垴風井剛投運不久,25采區(qū)、27采區(qū)采面還沒有形成,大多巷道均處于掘進過程當中,風機克服阻力較小。之后25采區(qū)、27采區(qū)系統(tǒng)逐漸復雜后,效率才會提高。現(xiàn)階段,為了避免“大馬拉小車” 現(xiàn)象, 可以考慮在風道、彎頭增加導葉,減小氣流損失,達到節(jié)能的目的。

通過分析,2021年中央主通風機和王村主通風機的輸入功率分別為1 954.01 kW和2 276.88 kW,而2022年中央主通風機和王村主通風機的輸入功率分別為1 924.99 kW和2 121.28 kW.可以看出,功率變化較小,中央主通風機和王村主通風機運行穩(wěn)定。西坡主通風機的負壓由2021年的3 209 Pa下降到2022年的2 928 Pa,效率提高0.31%,實現(xiàn)了降阻增效,電流由249 A下調到203 A,功率降低409.99 kW,經濟效益明顯?；ㄛ裰魍L機2021年的風量、負壓分別為14 101 m3/min和1 560 Pa,2022年通過調節(jié)通風設施,風量負壓分別為15 308 m3/min和1 250 Pa,功率由1 347.95 kW下降到1 172.25 kW,實現(xiàn)了降阻增效,功率明顯下降,經濟效益明顯。

2021年常村煤礦4個主通風機的總功率為7 752.50 kW,2022年總功率為6 982.17 kW,減少了770.32 kW.主通風機用電按照0.637 6元/kW·h計算,每年通風可節(jié)約電費430.25萬元。