煤矿双风机联合运转稳定性研究

薛景辉

（中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿，内蒙古 乌审旗 017320）

井下通风系统是煤矿主要生产系统之一[1]，新鲜的风流能够吹散和稀释井下有毒有害气体，降低粉尘和温度，营造和维持适宜的工作环境[2]。随着现代化大型和超大型煤矿的建设和投产，井下掘进（开拓）长度和开采深度增加，煤矿通风线路也随之急速增加，开采规模的扩大要求提供更多的风量，这对煤矿通风能力提出了更高的要求，进而造成了煤矿安全生产的重要制约因素之一的局面[3]。煤矿通风系统是一个复杂的系统工程[4-5]，受众多因素都影响。因此，煤矿风机供风量是否满足工作生产要求，是否按需求匹配，是否处于高效工作区域内，是否处于最佳安全运行状态，直接关系到煤矿安全生产经济效益[6]。

1 矿井概况

葫芦素煤矿位于东胜煤田呼吉尔特矿区，矿井采用立井开拓方式，建有主井、副井、中央风井和西翼风井4条井筒。矿井设计划分为4个水平，矿井目前开采第一水平，主采2-1煤层。矿井通风方式为中央并列与分列混合式，通风方法为抽出式，主井、副井进风，中央风井、西翼风井回风。中央风井安装2台FCZ No33/2000（I）型轴流式通风机，其中1台备用；西翼风井安装2台FCZ No26.5/900（I）型轴流式通风机，其中1台备用。采煤工作面采用“U”型通风方式，掘进工作面采用局部通风机压入式通风。

2 葫芦素煤矿双风机联合运转影响分析

2.1 双风机联合运转工况点的确定

葫芦素煤矿通风系统中存在中央风井和西风井两个回风井，当矿井通风系统正常运行时，主要通风机联合运转，因此主要通风机之间会发生相互影响，为了分析两风井风机联合运转时风机之间的相互影响，对葫芦素煤矿通风系统进行简化处理，如图1所示。

图1 葫芦素煤矿通风系统简化示意图

根据主要通风机联合运转的绘图原理，绘制出风机f1和风机f2联合运转时的等效特性曲线。如图2所示，图中曲线f1和曲线f2为风机f1和风机f2的个体特性曲线，曲线fR1和曲线fR2为风机f1和风机f2减去各自单独工作风网R1和R2后的等效特性曲线，fR12为等效风机fR1和fR2在为公共风路R0服务时的等效特性曲线。R0曲线为公共段阻力特性曲线。M1（QM1，HM1）和M2（QM2，HM2）是西风井风机f1和中央风井风机f2联合运转时的工况点。

图2 通风机联合运转工况点确定

2.2 葫芦素煤矿双风机联合运转现状

目前葫芦素煤矿西翼风井主要通风机型号为FCZ№26.5/900，风量为171.7 m3/s，风机压力为1 580 Pa，风阻为0.052 62 NS2/m8。当前风机运行叶片角度为15°，运行频率为40 Hz；中央风井主要通风机型号为FCZ№33/2000，风机运行叶片角度为30°，运行频率为40 Hz。中央风井风量为245.6 m3/s，风机压力为1 750 Pa，风阻为0.028 45 NS2/m8。风机曲线及工况点如图3所示。

图3 风机运行工况图

风井风机当前运行工况点位于风压曲线驼峰点右侧单调下降区间，风机运行稳定，压力小于风机最高风压的90%，风机输入功率为565 kW，而该风机的额定功率为900 kW，当前风机的运行功率小于风机的额定功率，风机运行安全，在此工况下风机的运行效率为47.8%，低于60%的经济效率运行区间，具有一定的抗灾变能力，但运行效率略低。

中央风井风机当前运行工况点位于风压曲线驼峰点附近，基本到达该风机叶片角度30°，40 Hz运行曲线的最高点；风机输入功率为577.6 kW，远小于该风机的额定功率2 000 kW，风机运行效率达到74.4%。从风机的运行工况可以看出，该风机在该曲线下到达最大值，几乎不存在可调空间，一旦井下风阻发生较大变化，该风机会进入曲线驼峰点左侧不稳定工作区，造成风机喘振而损坏风机，同时影响井下风量的稳定性。该通风装置中电机与风机不匹配，风机工况点到达该曲线顶点时，电机的输出功率577.6 kW，为其额定功率2 000 kW的29%，电机能力严重过剩。

在风机性能测定过程中还测定了在中央风机叶片角度为30°条件下45 Hz和50 Hz的风机运行性能曲线。测试结果可以得出该风机为低负压高流量风机，在风阻0.028 45 NS2/m8条件下，风机在40 Hz和50 Hz运行曲线运行时，工况点均为该曲线的最高点，风机安全运行区间较小，风机的可靠性不足。出现该问题的主要原因是：风机的性能曲线与矿井的风阻曲线不匹配。考虑到矿井中央风井的风阻本质较小，对矿井实施降阻措施，投入大，效果不明显，因此不建议该矿采取降阻措施；因此，为了保证风机运行的稳定性，提高矿井通风系统的可靠性，建议更换高负压大流量风机。

2.2.2 公共段风阻R0对风机工况点的影响

风机联合运转时，公共段阻力对风机运行工况点的影响较大，根据分析可以看出：

（1）如果公共段风阻增加的比较大，就会造成主要风机的工况点大幅上移，甚至进入不稳定工作区，导致能力较小的风机进入不稳定工作区，甚至发生风机喘振，造成风机的损坏。因此为了保证矿井风机的安全经济运行应保证公共段阻力不能超过总阻力的30%，做到矿井风流早分开、晚汇合。由葫芦素煤矿通风网络图分析得出，中央风井风机和西风井风机联合运转时，其公共段阻力合计163 Pa，占中央风井风机阻力1 580 Pa的10.3%，占西风井风机阻力1 760 Pa的9.3%，远小于总阻力的30%，因此两风井风机相互影响较小。

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（2）两台风机的能力相差越大，公共段阻力发生变化时对能力小的风机造成的影响越大，因此为了实现风机的安全运转，各风机能力相差越小越好，尽可能采用相同能力的风机，实现矿井各区域的均匀供风。葫芦素煤矿中央风井风机型号为：FCZ-№33，功率为2 000 kW，西风井风机的型号为FCZ-№26.5，功率为900 kW，虽然通过风机性能的测定结果来看，在当前矿井通风状态下，西风井风机输入功率为565 kW，中央风井风机输入功率为577.6 kW，两风机功率大致相同，但两风机风量-风压曲线相差较大，西风井风机风量小，压力高，中央风井风机风量高，压力小，风机性能有较大差距。鉴于中央风井风机的性能曲线，公共段阻力对中央风井风机影响更大。当前中央风井风机已达最大能力，因此建议进行风机更换；虽然西风井风机能力有一定富裕，但随着矿井五盘区的开采，西风井服务范围增大，通风线路增长，通风阻力急剧增加，西风井风机也难以承担通风任务，建议更换大能力风机，或者对通风系统进行改造。

2.2.3 独立工作风网风阻变化对风机工况点影响

为了保证通风机的安全经济运行，防止矿井某一区域风网风阻发生变化对主要通风机的影响，在矿井的日常风量调节分配过程中，应密切关注风阻增加区域的风机，防止其进入不稳定工作区域，造成通风系统的不稳定，同时观测该区域的风量是否正常，以免影响该区域的正常生产。

目前葫芦素煤矿西风井服务矿井西翼四盘区，由于四盘区采取跳采的采煤顺序，因此在四盘区服务周期内，西风井的风阻变化较小，西风井风机能力富余较大，因此，在四盘区服务年限内西风井工况变化较小，风机能力满足要求。

葫芦素煤矿中央风井服务矿井东翼一盘区、二盘区和2-2煤层的开拓区域，随着盘区工作面的接续，各盘区风量发生较大变化，中央风井风机风阻发生较大变化，而目前中央风井风阻和风机不匹配，导致风机目前处于风机性能曲线的驼峰点附近，风机可调空间小，一旦风阻增加，风机运行进入不稳定工作段，会导致风机喘振，影响风机寿命和井下供风。

2.2.4 主要通风机能力变化对其他主要通风机的影响

当风机联合运转时，需要改变一风机的能力或者更换大能力风机时，应分析其对其他区域风机的影响，在试运行时，一定要对其他区域的风量和风机进行观测，以免其他区域风机因压力升高而进入不稳定工作区，影响矿井的正常通风。

（1）西风井风机能力调整

依据风机性能测定结果，在叶片角度为15°条件下，测定了40、45和50 Hz三条曲线。从测定结果来看，当叶片角度为15°，电流频率为45 Hz时，该风机运行工况为：风量191.6 m3/s，风机压力为1 940 Pa，风机效率为57.6%，功率为644.8 kW。可以看出在该工况条件下运行时，工况点位于驼峰点右侧单调下降区间，风机能够稳定运行，风压小于最高压力的90%；风机的效率接近60%的经济运行区间，风机运行效率较高；风机的输入功率达到644.8 kW，小于风机的额定功率，风机在该性能曲线下运行时，能够在合理经济运行。

在15°叶片角度下，风机的最大能力曲线为电流频率50 Hz。当叶片角度为15°，电流频率为45 Hz时，该风机运行工况为：风量211.9 m3/s，风机压力为2 330 Pa，风机效率为67.4%，功率为732.6 kW。风机的效率超过60%的经济运行区间，风机运行效率较高；风机的输入功率为732.6 kW，小于风机的额定功率，风机在该性能曲线下运行时，能够在合理经济运行。

当叶片角度为20°，电流频率为40 Hz时，该风机运行工况为：风量183.8 m3/s，风机压力为1 760 Pa，风机效率为51.1%，功率为633.5 kW。在当前风阻条件下，该风机工况点位于驼峰点右侧单调下降区间，风机能够稳定运行，风压约为最高压力的93%；风机的效率略低于60%的经济运行区间，风机运行效率较高；风机的输入功率小于风机的额定功率。由于在该工况条件下风机压力超过最高压力的90%，风机的安全性下降，当井下风阻发生较大变化时，会影响风机的安全运行。

当叶片角度为20°，电流频率为45 Hz时，该风机运行工况为：风量208.1 m3/s，风机压力为2 210 Pa，风机效率为63.2%，功率为727.8 kW。在当前风阻条件下，该风机工况点位于驼峰点右侧单调下降区间，风机运行平稳，风压约为最高压力的94%；风机的效率高于60%的经济运行区间，风机运行效率较高；风机的输入功率小于风机的额定功率。在该工况条件下风机压力同样超过最高压力的90%。

当叶片角度为20°，电流频率为50 Hz时，该风机运行工况为：风量226.2 m3/s，风机压力为2 660 Pa，风机效率为70.6%，功率为852.3 kW。在当前风阻条件下，该风机工况点位于驼峰点右侧单调下降区间，风机运行平稳，风压约为最高压力的93.3%；风机的效率高于60%的经济运行区间，风机运行效率较高；风机的输入功率小于风机的额定功率。在该工况条件下风机压力同样超过最高压力的90%，而且在该工况下西风井风机的功率接近额定功率，同时该风机属于非典型风机，其功率曲线随风量增加而增加，当局部风流发生短路时，风机运行超过额定功率，而造成风机损坏。

（2）中央风井风机能力调整

通过中央风井风机性能测定，发现中央风井风机在叶片角度为30°时，风机工况点均处于曲线驼峰点附近，该风机在30°条件下长时间运行存在较大安全隐患；中央风井风机在叶片角度为35°运行，其电流频率在40、45和50 Hz时，该风机运行工况点处于驼峰点左侧不稳定工作区域，风机处于喘振状态，因此在矿井风阻大幅下降之前，不能在该角度下运行；从测定结果来看，中央风井风机曲线与风阻曲线不匹配，建议进行更换。

3 结论

（1）中央风井风机和西风井风机联合运转时，其通风系统分开较早，公共段阻力较小约占中央风井风机阻力的10.3%，占西风井风机阻力的9.3%，远小于总阻力的30%，因此公共段阻力对两风井风机相互影响较小。

（2）目前葫芦素煤矿西风井服务矿井西翼四盘区，风机能力满足要求；当四盘区开采结束后，矿井进行五盘区接续时，建议更换风机或进行通风系统改造；葫芦素煤矿中央风井风阻和风机不匹配，导致风机目前处于风机性能曲线的驼峰点附近，风机可调空间小，一旦风阻增加，风机运行进入不稳定工作段，会导致风机喘振，影响风机寿命和井下供风。

（3）葫芦素煤矿西风井风机有能力提升的空间，在15°条件下可以调整频率为45 Hz和50 Hz来提高风机能力，但西风井风机能力的提高，会造成中央风井风机压力升高，风量降低，由于目前中央风井风机的工况点已处于驼峰点附近，西风井风机能力的提高会造成中央风机进入不稳定工作区域，因此，为了保证当前矿井风机的安全运行，西风井风机不能提高其运行能力。