矿井通风的节能技术途径综述

第１２卷第３期　２０１４年６月　

矿　业　工　程　

Ｍｉｎｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　５７　

矿井通风的节能技术途径综述　吴洁葵　彭　涛　（湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙４１００１４）　

摘要：通过对我国矿井通风高能耗现状及原因分析，分别从矿用风机、通风网路、通风模式的角度阐　述了矿井通风节能发展的主要技术途径，并对未来发展热点和研究重点做出展望。　关键词：矿井通风；节能技术　中图分类号：ＴＤ　７２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—８５５０（２０１４）０３—００５７—０３　

矿井通风高能耗的现状　通风是当前矿山生产中应用最为广泛的排尘排毒技术　手段。通风系统是支撑矿山企业安全生产，保护企业劳动　者职业健康的基本保障系统，同时也是矿山生产中电能消　耗最大的工作系统之一，据统计，矿山通风能耗一般占矿　山电量消耗的２Ｏ　ｏＡ～４５　。但深入分析不难发现，目前大　多数矿山通风效率仍处在较低水平，有些矿山通风效率甚　至不足３Ｏ　，电能浪费十分严重。随着矿山开采强度的增　大和开采向地下深部的发展，不可避免会导致通风能耗的　显著增加。在全球环境恶化和节能减排成为大势所趋的背　景下，在高能耗的矿山采掘业大力发展矿井通风的节能技　术已成为必然。　

２通风系统高能耗的主要原因　２．１　通风机低效率运行　通风机系统由风机和驱动电动机构成，是通风系统电　能消耗主体，其作用是将电能转换成风能（包括空气静压　能和动能），形成风流。影响通风机整体效率的主要因素：　１）风机的转换效率，即将电能转换成风能的效率，由电动　机效率、传递效率和风机效率共同决定。２）风机工作状　态，因为风机处在不同工况点时装置效率也会不同。影响　风机工况点的因素主要是风机自身的气动特性和通风管网　系统的风阻特性。　导致通风机低效率运行的原　：１）由于风机结构在设　计上存在缺陷，或者是装置本身转换效率低，电动机与风　机、风机与用风量不匹配也会导致整体效率降低。２）风机　工作在不良工况点，导致低效运行。因为风机的特性曲线　限定了风机的高效工作区，以图１所示的典型轴流式风机　特性曲线为例，Ａ、Ｂ两点之间是风机具有较高效率的工作　收稿日期：２ｏ１４—１２—２９　作者简介：吴洁葵（１９６４一），男（汉族），湖南长沙人，湖南有色　冶金劳动保护研究院科技管理部高级］－程师。　区域，Ａ点左边区域为不稳定区域，是风机工况点不允许　进入区，右边是稳定工作区。在稳定工作区内，如果风机　工况点超出右边Ｂ点边界，风机效率将显著下降。　Ｈ　图１风机高效工作区　２．２通风网路存在问题　目前普遍存在的通风网路问题主要有网路布局不合理　或风门、风墙等通风构筑物布设不当导致的通路不畅或分　风不合理，使部分工作面达不到所需风量，因而不得不加　大主回路供风量；通风线路过长、井巷结构参数或断面形　状及尺寸设计不合理都会导致风阻过高；采空区、天井因　密闭措施不当产生漏风或管路系统串风也会导致风压损失；　季节变化导致自然风流转向也是一种影响通风系统效率的　常见现象。　２．３主风机长期高功率运行　主风机集中通风是我国地下矿山应用非常普遍的通风　模式。在矿山通风系统设计阶段，主风机的选型一般情况　下遵循的原则是以矿山满负荷生产用风量为标准，并预留　一定余量，因此设计风量常处在矿井生产所需风量可能达　到的最高水平。然而，井下实际需风量是随工作场所、生　产工艺和作业时间的变动而变化的。一般情况，白班作业　强度高于夜班，白日需风量也高于夜班；作业采场需风量　远大于非作业采场，而作业采场与非作业采场往往是轮换　的。爆破作业是产生污染物最严重的工艺环节，此时需风　量也最大，但爆破作业间隔时间也较长。除上述因素外，　空气的污染程度也会随着通风排毒排尘过程发生改变，地　表环境对井下产生的自然风压也会随着四季的气候变化发　生相应改变。这些因素都决定了矿井实际需风量并不是一　５８　矿　业　工　程　第１２卷第３期　个恒定的常量，也常常低于矿井设计总风量。如果主风机　长期处在高功率运行的状况下，无疑会导致大量能源的虚　耗　。　３通风系统节能的主要技术途径　通风系统节能降耗一直以来就是矿山通风技术发展的　一个重要方向。纵观国内外矿井通风节能技术发展历程，　可以归纳出的主要技术路径：１）从风机着手，通过提高风　机全压内效率和改善风机气动性能等技术手段以增大风机　高效性能区域，在同等功耗条件下减少损耗，增大有效供　风量以达到节能目标；２）通过优化通风网路结构，降低系　统风阻，减少漏风损失来提高井下有效风量率，实现系统　整体节能；３）从用风角度出发，以井下作业面实际用风需　求决定系统供风配置，减少超额供风实现通风节能。　３．１　采用高效节能风机　风机是矿井通风系统中的供风主体设备，其内在的气　动性能在很大程度上决定着通风系统运行的效率。国外先　进的矿用高效风机技术以欧美日等工业发达国家为代表，　优势主要体现在风机的设计和制造方面。其矿用通风主机　的主要技术特点是，风量大，风压高，风机全压内效率在　８Ｏ　以上，高者接近９０　。先进的矿用主风机大都运用了　动叶调节技术调整风机特性曲线，能有效改善风机气动性　能，进一步提高风机整体运行效率。　我国的矿用风机产业起步于建国后，早期主要产品沿　袭了前苏联矿井风机的技术特点，静压范围４００～　６　０００　Ｐａ，主扇高效区多在３　０００　Ｐａ以上。由于我国矿井通　风阻力普遍较大，大多数为１　０００～３　０００　Ｐａ，因此风机的　高效区与矿井的通风参数不相匹配，造成了风机的运行效　率低，大量矿井主扇的平均运行效率仅约为３Ｏ　。在风机　风量调节技术方面，老式产品普遍采用调节门装置调风，　严重影响了风机运行效率。进人上世纪八十年代后，我国　在自主知识产权的矿井风机技术领域取得了较大进步，以　Ｋ系列风机为代表的新一代金属矿用节能风机产品气动效　率高，风量、风压覆盖范围大，与矿井通风网路的匹配效　果较好，全压效率接近或超过９Ｏ　，动叶可调技术的采用　也大大提高了风机在高阻力区运行的稳定性。与旧式风机　相比，节电效果超过５Ｏ　以上　２］。　３．２提高矿井有效风量率　矿井有效风量是指送到采掘工作面、硐室和其他用风　地点的风量总和。矿井有效风量率等于矿井有效风量与矿　井主风机风量之比。提高有效风量率的技术措施主要集中　在通风网路和用风方案优化上。良好的通风网路和经济合　理的用风方案不仅能保证矿井安全生产，而且还能减少通　风用电浪费。　最常见的提高有效风量率的方法是通过设置风墙、风　门、风桥、导风管板等通风构筑物合理分风，减少漏风。　其中，风门是应用非常广泛的设施。利用风门不仅能有效　减少漏风，还能够在安全生产方面起到控制矿井火灾的重　要作用。也有部分矿山通过合理控制风门，达到了充分利　用自然通风条件，减少机械通风能耗的目的。早期的风门　靠人工调节，由于人工调节风门操作较繁琐，响应不及时，　特别是在矿井灾变发生时难以作出及时调整，因此，实现　风门远程自动控制是矿井通风技术发展的一个重要方向。　风门远程自动控制技术在国外起步较早，上世纪７Ｏ年代，　芬兰、英国等国就出现了全自动金属风门调节技术，能在　较大程度上保证作业面处于较好的通风条件。我国对自动　风门的研究始于上世纪九十年代，先后经历了继电器、单　片机、可编程控制器产品时代。目前在技术上已经成熟。　但由于矿山通风系统复杂，风门多，投资大，全面实现风　门自动控制存在较大难度，因此许多矿山目前仍采用人工　调节风门方法［３］。　多级机站通风是近年来广受关注的一种通风模式，也　是提高矿井有效风量率的优化方案。通过机站间串联分压　使得每级机站风机工作在较低风压状态，由于风机布设、　操控灵活，且工作在较低风压状态，通过风压梯度均化控　制可使外部漏风点接近零压、内部漏风点等压状态（见图　２、３），从而最大限度减少漏风，在保持高有效风量率的同　时减少矿井总风量，与主风机集中供风模式相比具有显著　的节能优势ｌ４］。自上世纪８Ｏ年代中期开始，多级机站通风　技术成为我国矿山通风技术研究的另一个重要领域。目前，　该项技术在梅山铁矿、大红山铁矿、狮子山铜矿等大型深　井矿山应用实践中取得了良好的节能效果　］。但由于该　模式一般设置机站和风机数量多，对各级风机风压控制技　术要求高，因而对技术和管理水平提出了更高的要求。对　不具备相应条件或方案设计不当的矿山，盲目上马不仅难　以取得预期通风节能效果，可能还会适得其反，扰乱矿井　通风，给矿井安全生产造成不利影响。　

日　Ａ　

图２有两个外部漏风的机站布置　Ｄ　

ｒ　ｆ　ｒ　Ｌ　Ｂ　。　Ｇ　Ｈ　图３有两个内部漏风的机站布置　

３．３依据矿井实际用风需求通风　按需通风是在矿井现有通风条件（风机、通风网路）　基础上依据矿井实际用风需求进行通风。矿井通风的最根　本目的是利用通风手段排出污染空气，保持井下良好的作　业环境。也就是说当井下作业环境不佳时，表明对通风的　需求增大，应加强通风以对井下环境进行调节使之趋于良　２０１４年第３期　吴洁葵等　矿井通风的节能技术途径综述　５９　好；而当井下作业环境处在良好状态时，表明对通风的需　求降低，应减少通风，降低能耗，否则将导致过度通风。　按需通风要依据矿井空气实际状况对通风参数进行调节，　因而较适用于大风机集中通风系统。由于当前我国大部分　矿井仍然采用大风机集中通风模式，因此按需通风无疑是　一种避免过度通风，减少通风能耗的有效途径。但该方法　必须建立在井下作业环境监测和风机自动控制技术的基础　之上。井下作业环境在线实时监测技术的实现是以各种参　数测量传感器技术为基础，目前各类参数传感器技术发展　不均，总体来看物理参量（如风速、风压、温湿度等）检　测传感器技术和产品已较成熟，而化学参量（如污染物浓　度）传感器尽管理论上取得了较大进展，但产品在精度、　性能稳定性以及对环境的适应性等方面还需要做出重大改　进。在风机控制方面，变频调速技术已较成熟，在许多企　业得到了成功应用。　依据井下作业工况对风机进行干预控制是目前较为可　行的一条按需供风节能途径。当片下作业强度较小（如晚　班、节假日和大修时段）时，应用风机变频调速技术降低　风机转速，减少向井下供风。由于风机频率变化量与风机　轴功率变化量的３次方成正比关系，因此降低风机频率将　会产生十分显著的节能效果。早住十多年前，凡口铅锌矿　就采用了这种方案控制风机，取得了非常好的节能效果ｌ７］。　４发展前景展望　目前，我国现有的地下矿山大部分已经或即将进入中　深部开采，通风线路不断延展并趋于复杂，热害问题不断　加剧，这些因素都对矿井通风提出了新的要求。对于深井　开采而言，矿井通风承担的任务已不仅是降低矿井空气污　染物浓度，还需要担负对作业场所降温的重任。作业面需　风量不断增加，通风难度逐步增大，这些都对通风节能技　术提出了越来越严峻的挑战。根据产业发展趋势、现有技　术水平，结合未来产业技术需求，矿井通风节能技术仍将　以提高有效风量率、减少通风成本为目标，研究重点将聚　集的技术领域：　高效节能风机：用新型风机替代老旧风机是许多　仍然使用低效风机通风的矿山未来的必然之选。因此，对　新型高效节能风机的研发改进仍将是风机产业需要承担的　重要任务。研究的重点是通过对风机结构、材料及参数的　改进，一方面进一步提高风机整体效率，另一方面改善风　机特性曲线，拓宽高效工作区，期望在大风量工况下也能　获得满意的效率。再就是要针对不同的应用需求不断丰富　产品线，使风机与管网得到更好的匹配。　——通风网路优化：包括系统优化设计和现有网路的　优化改造，需要以实现对通风网络的精确解算为基础。计　算机数值模拟和系统仿真技术应用将为通风网络解算、结　构参数设计和通风方案选择提供更高效、便捷、准确的技　术手段［３］。在通风网路调风设施方面，新型通风构筑物将　向多样化、低阻化和智能化方向发展，既方便控制，又能　有效降低网路风阻。　——能耗更低的通风模式：多风机、多级机站的通风　模式以其突出的节能优势将得到越来越多企业的认可和应　用，但这需要以企业较高的技术和管理能力为前提。基于　自动监测和变频调速控制系统的主风机按需通风模式将随　着传感监测技术的突破而成为未来发展的一大热点。作为　矿井通风的前沿技术，可控循环通风的研究目前需要解决　的最大难题还在于如何实现大流量风流净化。虽然目前进　展有限，但已经受到越来越多的科研机构和企业关注，被　公认为是未来解决深部开采通风和降温高能耗技术难题的　有效途径。　参考文献：　［１］聂能光，李福忠．风机节能与降噪［Ｍ］．北京：科学出版　社，１９９０．　Ｅ２］张惠忠．矿用风机的使用现状和发展趋势ｒＪ］．《矿业快　报》，２００７（１Ｏ）：１５～１８．　Ｅ３］邵军．我国煤矿安全技术的现状及发展方向［Ｊ］．《煤炭科　学技术》，２０１ｌ（５）．　［４］刘杰，谢贤平．多风机多级机站通风节能原理初探［Ｊ］．　《有色金属》，２ｏｌＯ（９）：７１～７４．　Ｅｓ］王乃斌．非煤地下矿山矿井通风技术的探讨［Ｊ］．《现代矿　业》，２０１０（２）：１３４～１３５．　［６］杨承祥，罗周全，胡国斌等．深井金属矿床安全高效开采技　术研究ＥＪ］．《采矿技术》．２００６（９）：１４２～１４６．　［７］陈祖安．变频调速技术在凡ＩＺｌ铅锌矿的应用于实践［Ｊ］．　《有色冶金节能》，１９９９（６）：１２～１４．　［８］林晓飞，曹庆贵，刘业娇．矿井通风系统优化调节研究［Ｊ］．　《安全与环境学报》，２００９（Ｓ１）．