高海拔矿井通风机的合理选型与优化设计

王洪粱， 辛 嵩， 韩永辉

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨 150022;2.山东科技大学 资源与环境工程学院，山东 青岛 266590)

我国西部的青藏高原资源极为丰富，对我国国民经济的发展起到重要的推动作用。高海拔地区能源开发利用存在的主要障碍是高原降效问题，而产生高原降效的主要原因是，高海拔地区气压低、空气密度小等恶劣的气候条件。矿山开采离不开通风机，然而，由于高原地区空气密度较低，导致风机的性能指标远低于风机出厂时的性能标准，这就是风机的降效问题。高原矿井通风机性能分析是高海拔矿井通风机选型的基础，也是关系到高海拔地区矿山资源开采能否实现的关键因素。笔者从通风机动力学原理入手，分析空气对矿用风机性能及矿井风阻特性的影响，并提出高海拔矿井风机合理选型及优化设计方法，为高原低气压地区的矿井开采提供了技术参考。

1 风机性能与矿井风阻特性

1.1 高海拔对矿用风机性能的影响

风机出厂的性能曲线是以标准空气状态为条件设计的，所以风机制造公司所给出的性能曲线也是风机在标准状况下的运行曲线。平原地区的矿井所在地空气密度与标准状态相差不大，主要通风机可以根据出厂曲线进行选择，而高海拔地区空气密度与标准状态下空气密度相差较大，青藏高原等高海拔地区空气密度约为标准状态下的60%。空气密度变化对矿井主要通风机的压力、流量、实际性能、配套电机四方面均产生影响。

1.1.1 风机压力

同一台风机在不同的海拔高度运行时，属于相似风机。根据风机相似原理，在风机转速、叶轮直径不变的状态下，风机压力与空气密度成正比:

式中:p1、p2——两台相似风机的工作压力，Pa;

D1、D2——两台相似风机的叶轮外缘直径，m;

n1、n2——两台相似风机的转速，r/min;

ρ1、ρ2——两台相似风机工作地空气密度，kg/m3;

从式(1)可以看出，风机在转速一定的条件下，在青藏高原等高海拔地区产生的风机压力约为标准状态下的0.6倍。

1.1.2 风机流量

根据相似定律，相似风机的体积流量与叶轮直径和转速成正比。当同一台风机转速一定时，其体积流量不变，如式(2)所示。在高海拔矿井虽然风机的体积流量不发生改变，但是由于空气密度较小，导致风机质量流量大幅减少，通过式(3)可以看出，同一台风机，转速一定的条件下，在青藏高原等高海拔地区的质量流量约为其标准状态下的0.6倍，即单位时间给矿井输送的氧气质量减少，为标准状态下的0.6倍。供氧量减少将给矿井生产造成较大影响。

相关计算式为:

式中:qV1、qV2——两台相似风机的工作流量，m3/s;¯Q1、¯Q2——两台相似风机流量系数。

式中:qm——风机的质量流量，kg/s;

qV——风机的体积流量，m3/s。

1.1.3 风机实际性能曲线

根据相似风机的基本原理，风机在高海拔地区运行时风压会发生不同程度的降低，而体积流量不变。根据式(1)和式(2)可以推算风机在高海拔矿井运行时的性能曲线，如图1所示，Ⅰ曲线为标准状况下风机压力风量曲线，Ⅱ曲线为风机在高海拔矿井运行时的实际压力风量曲线。

图1 高海拔矿井风机实际特性曲线Fig.1 Actual characteristic curves of main ventilator in high altitude mine

1.1.4 风机配套电机

主要通风机的配套电机作为矿井通风动力的来源，在高海拔地区恶劣的气候条件下，其工作效率也会相应地下降，给通风机的正常工作带来较大影响。

高海拔地区恶劣的气候环境给风机配套电机造成的影响主要有以下几个方面:

(1)高海拔地区空气密度小，造成电机散热效率下降，温升较大，输出功率降低。

(2)电机在使用时容易产生电晕，不但造成能量的损失，还易造成绝缘材料的腐蚀老化。

(3)高海拔地区直流电机工作时换向器磨损更加严重。

1.2 高海拔对矿井风阻特性的影响

矿井的阻力特性表示矿井通风阻力及矿井通风的难易程度，是矿井主要通风机选型的依据[1]。矿井风阻的计算公式为

式中:R——高海拔矿井的实际风阻，kg/m7;

R0——高海拔矿井的标态风阻，kg/m7;

α——高海拔矿井的摩擦阻力系数，α=α0·(ρ/1.2);

α0——标准状态下的摩擦阻力系数;

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L——巷道长度，m;

L1——巷道断面周长，m;

S——巷道断面面积，m2。

从式(4)可以看出，在矿井巷道的特征参数一定(如巷道长度、断面积、形状、周长及粗糙度)时，矿井的风阻与矿井内的空气密度成正比[2]，因此，矿井风阻应根据矿内空气密度进行相应校正。

高海拔矿井内部空气密度与标准状态下的空气密度相差较大，由式(4)可以看出，高海拔地区由于空气密度较标准状态下小，造成矿井摩擦风阻减小。如图2所示，R0曲线为该矿井在标准状态下的阻力特性曲线，R曲线为高海拔矿井的实际特性曲线。

图2 高海拔矿井阻力实际特性曲线Fig.2 Actual characteristic curves of resistance in high altitude mine

2 风机选型与优化设计

2.1 矿井风机选型

矿井主要通风机选型的目的是，使所选风机的性能特性与矿井的风阻特性相匹配。高海拔矿井风机选型时，首先绘制预选风机在高海拔地区的等效特性曲线(图3中曲线Ⅱ)和高海拔矿井等效风阻特性曲线(图3中曲线R)。从图中得到该风机在高海拔矿井条件下的实际工况点M，若该工况点满足风机选型要求，则该风机型号作为可选风机之一。从图中可以看出，风机在高海拔地区运行的工矿参数与标准状态下的工况参数有较大差别，压力减小，但是体积流量会增大，而质量流量会减小。因此，必须在高海拔矿井的特定条件下，对主要通风机的性能和矿井的风阻特性进行校正，才能选出满足高海拔矿井的通风要求的主要通风机。

图3 高海拔矿井工况点确定方法Fig.3 Determination method of main ventilator’s operating point in high altitude mine

2.2 优化设计

为了改善井下的生产条件，提高井下空气密度，高海拔矿井一般采用压入式通风，在高压风机的作用下，风流的密度增加，井下的工作环境更加优化。在主要风机选型时，风机的能力约是标准状况下风机的1.7倍，才能达到相同的通风效果，因此，风机正常工作时的压力一般都在5 000 Pa以上才能实现高海拔矿井的通风要求。然而，目前风机厂生产的风机基本不能满足要求，需要对风机进行优化设计。

在高海拔地区实现矿井的正常通风，需要提高主要通风机的压力，可以通过两种优化设计方案来实现:一是改变主要通风机状态参数(如转速或风机的叶轮直径)，二是采用主要通风机串联运行。

2.2.1 方案一

根据风机的相似定律，改变通风机的状态参数可以提高通风机的压力，如式(5)所示，相似风机的压力与风机的转速的平方、叶轮直径均成正比，因此，提高风机的压力可以通过增加风机的转速或者增大风机的叶轮直径实现。轴流式对旋风机转速与配套电机转速相等，提高电机转速可同时提高风机转速。提高配套电机转速有两个途径:一是改变电动机的级对数，二是调频电机改变电流的频率。

根据风机相似定律绘制改造设计的风机性能曲线，如图4所示，根据比例定律由转速为n0的风机性能曲线推出风机提高转速后的性能曲线n1和n2[2]。相似风机的换算公式为

式中:p0——风机增加转速后的压力，Pa。

对于电机来说，级数越少，转速越高，在叶轮直径不变的条件下，级数越少，主要通风机的压力越高。因此，减少电机的级数，可以提高风机的压力。

由式(5)可知，当转速一定时，叶轮直径越大，风机的能力越大。因此，增大风机的叶轮直径可以提高风机的压力，但是转速一定时，直径越大，风机叶片所承受的应力也就越大。

为满足风机在高海拔矿井的需求，需要设计高压风机，在增加风机转速的同时增大叶轮直径以提高风机的压力。转速和叶轮直径同时增加，叶片所承受的应力大幅增加，这对风机叶片的材质提出了更高的要求。

图4 不同转速条件下的风机特性曲线Fig.4 Characteristic curves of main ventilator in different rotational speed

目前，矿井主要通风机叶片一般是由铝金属铸造而成，而锻造铝叶片所能承受的最大应力可以达到铸造铝的2.5倍，因此，高海拔矿井风机的叶片可以采用锻造铝。

2.2.2 方案二

将相同型号的风机串联，用以提高风机的整体压力。目前，煤矿中应用最多的轴流式对旋风机拥有二级主机，通过叶轮的对旋，可以提高风机的压力和使用效率。根据风机联合运转的机理，风机串联时，风量相等，压力相加。相同型号风机串联的等效特性曲线如图5所示。由此，可以通过风机串联的方法提高主要通风机的压力。设计高压风机时，通过增加风机的级数，四台主机两两对旋，理论上可以使风机的压力提高至原来的两倍。

图5 四级主机串联后等效特性曲线Fig.5 Equivalent characteristic curves of four host series

相同型号风机串联可以提高等效风机的工况点，由图5可以看出，风机串联后，风量和压力都会得到提高。但是风机在增加主机后，通风设备增多，风机的可靠性降低，通风的成本增加，而且设备管理维护困难。

2.3 应用效果

娘姆特煤矿是典型的高原矿井，海拔3 850 m，矿区的大气压力约为63 000 Pa，不及标准状态下的三分之二[3－4]。为了提高井下空气密度和压力，娘穆特煤矿采用压入式通风[5]。压入式通风使矿井内部空气的密度增大，单位体积内的氧含量增加，从而改善矿井的生产环境。

经计算，矿井的需风量为130 m3/s，矿井的通风阻力为5 350 Pa，根据通风机论证会专家意见，确定采用风机优化设计方案一，即在叶片可承受的应力条件下，设计大直径高转速的风机。娘姆特煤矿根据风机厂提供的设计方案，选择了BD－Ⅱ－6－No24(HP型)型号风机及配套电机。同时，考虑企业经济效益，最终选用精密铸造铝叶片。变频调速电动机在调节工况点、散热等问题上，都有很大的技术优势。该风机在娘穆特煤矿已经正式投入使用，改善了井下环境，实现了高原煤炭的顺利开采。

3 结束语

笔者从高原气候特点入手，分析了高海拔气候对矿井风机性能和矿井阻力特性的影响，提出了高海拔风机选型的方法。在娘姆特煤矿的实际应用效果良好，验证了文中提出的高海拔风机选型方法的正确性及经过改进后的主要通风机应用于高海拔矿井的可行性。该研究对于保证高海拔矿山资源顺利开采，具有重要的现实意义。但是，高性能风机还会造成高能耗问题，提高了矿山开采的成本，对资源开采造成不利影响，因此，高性能风机经济性问题尚待进一步研究。

[1]张国枢.通风安全学[M].徐州:中国矿业大学出版社，2011:67－70.

[2]尹玉鹏.高原矿井适宜通风方法的研究[D].青岛:山东科技大学，2010.

[3]王洪粱.基于人工增压技术的高海拔矿井通风系统[J].黑龙江科技学院学报，2009(6):447－450.

[4]晁庚奇.青藏高原高寒地区长大隧道通风技术[J].铁道标准设计，2007(1):74－76.

[5]孙信义.试论压入式通风在高海拔矿井中的应用[J].煤炭工程，2004(3):35－39.