煤矿局部通风机的选型与工况调节研究

朱豫西

（西山煤电西曲矿通风科技术组，山西 古交 030200）

引言

煤炭行业是全社会公认的高危行业，提高开采过程的安全性是煤矿企业的重要课题。在煤炭开采过程中，瓦斯爆炸引起的人员伤亡和生产事故占到了很大的比例。工作面掘进过程中，煤层中被释放的瓦斯、爆破作业产生的矿尘、以及各种设备产生高温聚集在一起，极易发生爆炸事故。局部通风机向工作面输入新鲜空气，抽出污浊空气，是保障工作面工作环境的重要设备。可供局部通风机选择的布置方式有多种，不同布置方式的通风效率、成本、安全性等方面具有不同的特点，从而适用于不同环境的采煤巷道。随着掘进面的推进和巷道瓦斯浓度的变化，局部通风机的运行工况点是不断变化的，因此带来了运行的经济性问题。因此，结合《煤矿安全规程》的相关规定[1-2]，对局部通风机的选型与工况调节进行研究。

1 局部通风机通风方式

煤矿新扩建采区和工作面时需要开掘长距离巷道，在此过程中岩层中的瓦斯会被释放出来，爆破作业形成的矿尘也会充斥在巷道中，威胁巷道内工作人员的人身安全。掘进过程中可采用局部通风或掘进通风的方式向巷道输送新鲜空气，掘进通风有引射器法、全风压法和局部通风机法。局部通风机利用电机带动叶轮转动将新鲜空气送到掘进工作面，按照抽风和压风的布局方式可分为三种类型。

1）压入式通风。如图1-1所示，局部通风机被安装在距离煤矿掘进工作面巷道进风侧10 m以外，通风机将新鲜空气压入风筒，风筒出风口向掘进面输送新鲜空气，气流在形成有限贴壁射流后折返，将污浊空气带出巷道。压入式通风具有安全性高、排尘效率高、风筒材质要求低的特点，适合用于以瓦斯为主要排出物的巷道中。

2）抽出式通风。如图1-2所示，局部通风机被安装在距离煤矿掘进工作面巷道出风侧10 m以外，通风机从风筒内抽取污浊气流，风筒进风口安装在巷道工作面处，污浊空气从此处被抽入风筒，形成低气压区，新鲜空气在此气压差下被抽入巷道。抽出式通风具有排尘效率高、卫生条件好的特点，适合用于以矿尘为主要排出物的巷道中。由于抽出式通风具有一定的有效吸程，在瓦斯风流等环境中容易引起爆炸，因此不适用于瓦斯浓度高的煤矿[3]。

3）混合式通风。如图1-3、1-4所示，混合式通风是将压入式和抽出式结合起来，在巷道口和工作面分别采用两种通风方式，新鲜空气采用压入式通风送入工作面，污浊空气采用抽出式通风抽出巷道。巷道口采用风筒较长的压入式通风，工作面采用风筒较短的抽出式通风，被称为长压短抽式混合通风，相应地巷道口采用风筒较长的抽出式通风，工作面采用风筒较短的压入式通风，被称为长抽短压式混合通风。混合式通风具有效率高、耗电大、成本高的特点，常用于大断面掘进巷道中。

图1 局部通风机通风方式

2 局部通风机的选型

2.1 掘进工作面风量的计算

《煤矿安全规程》对于工作巷道的粉尘含量、风流速度和温度等环境因素做了明确的规定，在设计局部通风系统时首先进行风量计算。风量计算由三部分组成：排出炮烟所需风量、排出瓦斯所需风量和排出矿尘所需风量[4-5]。

2.2 通风系统阻力的计算

计算出工作面风量后，还需要计算通风系统的阻力。通风系统的阻力指的是风筒对风的摩擦力，摩擦力大小与阻力系数α、巷道通风长度L、风量Q的2次方成正比，与风筒直径的5次方成反比。不同材质和形状的风筒阻力系数差别很大，难以根据理论计算，常用的金属风筒、玻璃钢风筒和胶布风筒可根据阻力系数表查阅。

2.3 局部通风机的选型

1）对旋式局部通风机。常用的局部通风机有FBD系列和2BKJ系列，FBD系列通风机风压高、效率高、负载合理、调试方便。2BKJ系列通风机噪音低、风压高、体积小、反风效果佳，在瓦斯和煤尘浓度高的矿井中应用广泛。

2）离心式局部通风机。DF系列为代表的离心式通风机利用叶轮高速旋转形成的离心力产生真空，气体在此压差下被压入叶轮。离心式通风机反风效率低，较少应用于掘进工作面。

2.4 风筒的选择

根据通风机型号选择风筒的材质和直径，风筒的直径根据通风距离和掘进面风量需求确定，直径越大的风筒风阻和耗电量也越小。

3 通风机工况点的调节

由于掘进工作面推进、瓦斯浓度变化等原因，局部通风机的运行工况不是一成不变的，完成通风机和风筒的计算、选型和设计后，为了使通风机运行更加经济，需采取调节措施保证通风机运行在最佳工况点。

3.1 改变管网特性

通风机运行工况点即是管网特性曲线和风机特性曲线的交点，通过改变风筒阀门的开度大小可以改变管网特性曲线的斜率，如图2所示，原管网特性曲线R1与风机特性曲线的交点为A点，阀门开度变小后管网特性曲线R2与风机特性曲线的交点为B点，工况点的风量变小风压变大。类似地，阀门开度增大后工况点C的风量变大风压变小。

图2 管网特性对风机工况点的影响

3.2 改变风机性能

改变风机的速度、叶轮外径和切换叶轮单双级可以改变风机的特性曲线，从而改变风机的工况点。风机的转速改变，则风量、全压和功率等参数均会跟随变化，对于同种型号的风机而言，其变化规律是相似的，称之为相似定律。目前变频调速技术发展迅速，通过变频器改变风机供电频率，可实现风机无级调速。如图3-1所示，M1、M2、M3分别对应不同频率供电方式下的风机特性曲线。M1供电频率为50 Hz，M2供电频率为40 Hz，M3供电频率为30 Hz，由图可知，随着供电频率下降，风机转速下降，则风机特性曲线下移，对于特定管网而言，风机的工况点向原点移动，风量和风压均减小。叶轮的外径对风机特性曲线也有显著影响，如图3-2所示[6-7]，切削缩小叶轮外径不产生多余的能量消耗，但是这种方式的缺点也很明显，切削叶轮需要成本支出，并且此项工作需要风机停机，影响掘进面工作效率，切削量需要严格计算，若切削量不准确将降低风机的效率。对旋式通风机可通过叶轮单双级运行调节风压，管网阻力较小时采用一级叶轮工作，此时风压为双级对旋同时工作的30%～60%，管网阻力增大后启用双级叶轮工作。除了上述方式改变风机性能，也有煤矿采用调节风机叶片夹角的方式调节风机性能曲线，但是存在不稳定的工况，因此较为少用。

图3 风机性能对风机工况点的影响

4 结语

局部通风机的布置方式有抽出式、压入式和混合式，长压短抽或长抽短压混合式通风兼具两者的优点，为了提高掘进工作面的安全性，特别是在大断面的巷道中适合采用此种通风方式。掘进面通风系统设计过程包括风量风压计算、阻力计算、风机选型和风筒选型等步骤。为了使风机运行在最佳工况点，可采用改变管网性能和改变风机性能的方式调节特性曲线，使风机运行更加经济合理，提高风机的使用寿命，减少风机的电量消耗。

（编辑：王慧芳）