（机械工程专业论文）大水头煤矿通风节能技术研究.pdf

论文题目：大水头煤矿通风节能技术研究 专业：机械工程 硕士生：袁弘誉 导师姓名：马胜利 张万宇 摘要 ( 签名) ( 签名 ( 签名 在煤矿生产中，矿井主要通风机、局部通风机向井下及局部通风地点提供新鲜风源 是煤矿安全生产非常重要的环节，同时也是电能消耗量最大的用电设备。据调查，矿井 主要通风机、局部通风机的用电量占整个煤矿企业生产用电的1 8 2 1 。通风系统的能 耗不仅与电气的、机械的、通风安全等方面的设备有关，还涉及其与复杂的井巷系统的 合理匹配，这两者协调工作，才能形成高效节能的通风系统。 本系统通过对大水头煤矿原有通风系统的能耗性能分析的基础上，提出了从通风 机、通风网络和通风设施三个方面综合调节的系统节能方案。对主通风机配套了 p g q 卜4 0 0 2 3 8 0 型变频调速器对风机进行调速，使得风机实际运行功率可根据矿井实 际风量相匹配，提高了风机的平均运行效率；井下局部通风机采用变频调速技术，实现 了高效率自动排放瓦斯，提高了安全性能；利用通风机优化理论，在对原通风机进行测 试分析的基础上，通过优化配置，启用东风井，增加网络并联支路，扩修巷道断面等措 施降低网络阻力，实现了东、北风井通风阻力基本平衡。通过实施矿井堵漏措施，使有 效风量提高了9 6 。 通过该项研究的应用，该矿每年可节约电费2 3 7 6 0 0 0 元，取得了良好的经济效益和 安全效益。该项研究对同类矿井通风系统的节能降耗具有一定的推广应用价值。 关键词：通风系统；节能技术；p w m 变频调速 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho ft h ev e n t i l a t i o ne n e r g yc o n s e r v a t i o nt e c h n o l o g y i nd a s h u i t o uc o a lm i n e o r i e n t a t i o n ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e：y u a nh o n g - y u i n s t r u c t o r ：m as h e n g - l i z h a n gw a l l - y u k i tu uu i nc o l l i e r yp r o d u c t i o n , m a i nv e n t i l a t o r sa n dp a r t i a lv e n t i l a t o r si nt h ep i to f f e r 丘e s hw i n d s o u r w h i c he n 飘1 1 1 e st h ei m p o r t a n tl i n ko fc o l l i e r ys a f e t yi np r o d u c t i o na n di st h eb i g g e s t e l e c t r i cp o w e rc o n s u m i n ga p p a r a t u s a c c o r d i n gt oa ni n v e s t i g a t i o n , t h ee l e c t r i cp o w e r c o n s u m p t i o no f m a i nv e n t i l a t o r sa n dp a r t i a lv e n t i l a t o r si nt h em i n ea c c o u n t sf o r1 8 一2 1 o f t h ew h o l ee l e c t r i c i t yf o rp r o d u c t i o n t b ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ev e n t i l a t i n gs y s t e mn o t m e r e l yr e l a t e st oa p p a r a t u so f t h ee l e c t r i co n e ，m a c h i n e r y , s a f er e s p e c to fv e n t i l a t i o n , b u ta l s o r e l a t e st or a t i o n a lm a t c h 、“t hc o m p l i c a t e dl a n es y s t e m s r h r o u 0 1c o o r d i n a t i o n , t h e yc a nh e l p t of o r mam o s te f f i c i e n tv e n t i l a t i n gs y s t e m 1 1 l i ss y s t e mt h r o u g ht ot h ed a s h u i t o uc o a lm i n eo r i g i n a l v a n t i l a t i o ns y s t e me n e r g y c o n s u m p t i p e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o u n d a t i o n i n , p r o p o s e df r o m t h ev e n t i l a t o r , t h ew e l l v e n t i l a t e dn e t w o r ka n d v e n f i l a r e st h ef a c i l i t yt h l ea s p e c t si n t c g r a w ac o n t r o lt h es y s l c m a n c r g y c o n s e r v m i o np l a n f o r m e dac o m p l e t e s e tp g q l - 4 0 0 x 2 3 8 0 m e 舶q u a n c yc o n v e r s i o n v e l o m e t e rw i n d w a r dt ot h eh o s tv e n t i l a t o rm a c h i n c t oc a r r yo nt h ev e l o c i t ym o d u l a t i o n , c a u s e d t h ea i rb l o w e ra c t u a l w o r k i n gp o w e rt ob ep o s s i b l et om a t c ha c c o r d i n gt ot h em i n ep i t a c t u a l a m o u n to fw i n d , e n h a n c e dt h ea i rb l o w e ra v e r a g eo p e r a t i n ge f f i c i e n c y ；t h em i n es h a f t d a r t i a lv e n t i l a t o ru s e st h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n v e l o c i t ym o d u l a t i o nt e c l m o l o g y , r e a l i z e dt h e h i g he f f i c i e n c ya u t o m a t i c a l l yt od i s c h a r g et h eg a s ，e n h a n c e dt h es e c u r i t yp e r f o r m a n c e ； o p t i m i z e st h ee s t a b l i s h m e n tu s i n gt h ev e n t i l a t o r , i nt ob e a t sa l lt h e o t h e rp l a y e r st h ea i rb l o w e r t oc a r r yo nt h et e s ta n a l y s i si nt h e f o u n d a t i o ne a s t , t h r o u g ht h eo p t i m i z e dt h e o r y , b e g i n su s i n g t h e a i rs h a l lt h ei n c r e a s en e t w o r km u l t i p l eb r a n c h ，e x p a n d sr e p a i r s m e a s u r ea n ds oo nt u n n e l c i o 雹ss g 州o nr e d u c e st h en e t w o r kr e s i s t a n c e , h a sr e a l i z e de a s t , n o r t ht h ea i r 蝴w e l l v e n t i l a t e dr e s i s t a n c e b a s i cb a l a n c c s t o p su pt h r o u g ht h ei m p l e m e n t a t i o nm i n ep i tl e a k s t h e m e a s u r e ，m a d et h ee f f e c t i v ea m o u n to f w i n dt o 朗l h a n c e9 觎 b y t h er e s e a r c ha p p l i c a t i o n , t h ec o a lm i n em a ys a v et h ee l e c t r i c a l b i l l2 3 7 6m i l l i o ny u a n e v e r yy c 甄h a so b t a i n e dt h eg o o de c o n o m i c e f f i c i e n c ya n dt h es e c u r i t yb e n e f i t t h i sr e s e a r c h f a l l st ot h e s m i l a rv e n t i l a t a gs y s t e me n e r g yc o n s e r v a t i o nc o n s u m e sh a st h e c e r t a np r o m o t i o n a p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d：v e n t i l a t i n gs y s t e m e n e r g yc o n s e r v a t i o nt e c h n o l o g y p w m f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt oa d j u s tt h es p e e d 要科技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豸貉醐：砷绷，硼 i 绪论 1 1 引言 1 绪论 1 1 1 国内煤矿通风节能现状 上世纪九十年代及其以前，矿用主要通风机、局部通风机效率低，规格少，品种不 全，用户选择余地小，大马拉小车现象很普遍，多数运行工况偏离设计点，致使运行效 率很低，平均为3 0 4 0 ，有的低到2 0 以下。据前中国统配煤矿总公司1 9 0 0 年所统 计，在2 0 6 5 台主要通风机中，属国际水平的占o 5 ，国内先进水平的占2 9 7 ，国内 一般水平的占6 0 2 1 ，属落后和淘汰的占3 6 3 2 。此外，由于开采及开拓工艺变化等 需要，其风量及负压通常是利用调节风门及风窗的方式来完成的，势必造成巨大能源浪 费。 我国煤矿总体上技术装备落后，耗能高，效率低。以应用量大、面广、耗能量高的 通风机为例，据调查统计，全国国有统配煤矿装备的4 5 0 0 0 多台通风机设备，其中主要 通风机约7 0 0 0 多台，局部通风机3 8 0 0 0 多台。这些设备的1 3 以上是7 0 8 0 年代产品， 技术陈旧，运行效率偏低。煤矿主要通风机是大型固定设备，它担负着向井下输送新鲜 空气、保证井下工人身体健康和安全生产的重任，故要求运行的通风系统必须绝对可靠； 同时，主要通风机又是煤矿主要耗电设备，一般占原煤生产用电量的1 8 2 1 ，有的矿 井高达3 0 以上。煤矿局部通风机是矿井巷道掘进、延深的主要通风工具，是保障独头 巷道安全生产的绿色屏障，其耗电量约相当于主要通风机的5 0 6 0 。由此看来，矿井 通风机节能潜力很大，其节能降耗已成为目前亟待解决问题。 目前，国内在风机节能工作中采取的主要措施有： ( 1 ) 推广使用高效节能风机，改造低效的旧式风机，开发高效的系列化的节能风 机，并在国民经济各个领域推广使用，是风机节能的根本措施。 ( 2 ) 更换使用中的旧风机。对使用效率低，又没有改造价值的风机，采取逐步淘 汰的措旌。 ( 3 ) 尽可能地采用经济性好的调节方法。 随着煤矿向大型化方向发展，通风设备也向大型化、大功率化方向发展，因而对电 能提出了新的更高的要求。变频调速技术较早用于煤矿的是矿井提升机，并且发展迅速。 目前我国在通风设备中广泛采用变频调速技术，市场潜力十分巨大。变频技术能把电能 从一种形式高效地转换成另一种形式，而且能对电能进行控制，在煤炭工业中有广阔的 应用前景。但我国煤炭行业变频技术应用与先进国家相比差距大，潜力也大。在现代化 西安科技大学工程硕士学位论文 矿井中，由于通风设备大型化，自动化水平较高，通风电费所占比例增加，要降低成本， 增强竞争力，应重视利用现代调速技术节约能量。 1 1 2 国外煤矿通风节能现状 ( 1 ) 美国煤矿使用的主要通风机以轴流式为主，近年来开始采用在运行中可以改 变叶片角度的液压式动叶可调风机，节能效果好。 ( 2 ) 德国以t l t 公司为代表，采用液压式动叶调节的轴流通风机，其运行效率可 保持在8 3 8 8 。 ( 3 ) 俄罗斯是以使用离心式矿井风机为主的国家。由于致力于改进气动性能，使 其最大静压效率从7 2 5 增加到8 8 ，平均静压效率从5 2 增至7 5 。 ( 4 ) 矿用局部通风机节能以日本三井三池制作所为代表的低噪声混流式局部通风 机，可通过改变叶高和叶片安装角度获得所需要的性能，且该局部通风机的最高效率接 近8 0 。 1 1 3 矿井通风机节能技术的发展趋势 通过应用叶轮、扩压器及蜗壳等元件的研究成果，以及进一步提高制造精度，力求 使各种通风机的效率平均提高5 1 0 。目前，离心式通风机有的已采用了三元叶轮， 效率提高1 0 ；大型离心式通风机出现了采用较大直径和较窄宽度叶轮、较高转速的高 效结构，其最高效率可达8 7 以上，效率较高的轴流式通风机，最高效率已达9 2 。从 而使产品本身就是节能产品。在调节节能方面，除了采用较先进的动叶可调、双速电动 机、液力耦合器及交流电动机调速外，对大型通风机又出现了调速节能的新装置一多级 液力变速传动装置m s v d ( m u i t is t a g ev a r i a b l es p e e dd r i v e ) 。 1 2 大水头煤矿矿井概况 1 2 1 矿井发展简史 大水头煤矿开采的煤层属于侏罗系大宝煤田的一部分。矿井地理位置优越，交 通便利，煤质优良，储量丰富，煤层赋存比较稳定。矿井开采历史较长，是在小煤窑基 础上开始扩建，到1 9 7 0 年1 2 月简易投产，矿井设计生产能力0 4 5 m t a ，1 9 8 0 年核定 矿井生产能力为0 2 1 m t a ( 即目前的老井区) ；1 9 8 6 年1 1 月因浅部资源枯竭被迫停产， 1 9 8 8 年开始全面进行改扩建，1 9 9 7 年8 月1 日改扩建正式投产，矿井设计生产能力达 到了1 0 5 m t a 。自1 9 9 7 年改扩建投产之后，矿井大力发展综采放顶煤开采等先进技术， 加快技术改造和新技术应用步伐，使矿井生产技术、管理水平和安全生产保障能力快速 提升，矿井产量和效益逐年稳步增加，2 0 0 2 年矿井产量0 8 m t a ，2 0 0 4 年生产原煤达到 2 l 绪论 1 5 8 m t a ，其中综放一队产煤1 0 2 m t a ，首次突破1 0 0 万吨大关，表明矿井在高产高效 的道路上已经取得了显著成效。但是，由于矿井瓦斯涌出量大，煤层易自然发火，煤质 松软，地质构造较为复杂，从而增大了矿井安全生产管理难度，对矿井安全生产技术保 障能力，尤其是对矿井通风系统的技术保障能力提出了更高的要求。 1 2 2 矿井井田地质和开采情况 ( 1 ) 矿井井田地质情况 大水头井田位于靖远煤田中部大宝向斜的南翼，为一单斜构造，东北至宝积山井田， 以+ 1 1 7 5 煤层底板等高线为界，东部以勘探线与魏家地矿为界，西部与北部均以0 6 m 可采边界线为界，井田走向长7 9 9 k m ，倾斜宽1 9 k m ，面积1 5 1 6 k m 2 。矿井主要可采煤 层为1 层煤，平均厚度1 3 0 6 m ，煤层倾角一般小于2 5 。截止2 0 0 4 年底，矿井尚余地 质储量1 4 3 m t 、可采储量9 9 7 0 3m t 。井田构造形态大都受陇西系旋卷构造控制，局部 区域煤层厚度变化较大，地质构造比较复杂。主要地质构造有刀楞山断层、f 4 0 断层、 f 5 断层、f 1 - 2 断层组和f 4 6 断层以及腰水短轴背斜、花尖子向斜，同时井田内还存在 其它规模较小的断层和褶曲。井田内的多数断层为走向或斜交断层。 ( 2 ) 矿井开采情况 大水头井田的开发历史较长，原为小型片盘斜井开拓。2 0 世纪5 0 8 0 年代中期进 行了第一次改扩建，将原来的小型片盘斜井改为阶段斜井，即目前的老井区。1 9 8 8 年矿 井开始进行第二次改扩建，基本甩开原有老井，在深部井田重新建设了一个新井。矿井 深部井田采用斜井单水平上下山分区开拓方式，主开采水平设置在+ 1 1 8 0 m 。全井田共 划分为1 2 个采区，其中中部2 个采区，西翼4 个采区，东翼6 个采区。初期采区为中 一采区和东一采区，两个采区的储量占到矿井储量的5 0 5 ，煤层平缓，采用盘区石门 开采，矿井布置为一井两面的生产格局，工作面开采采用综采放顶煤一次采全高技术， 全部垮落法管理顶板；煤巷掘进面采用锚网+ 锚索+ 喷浆联合支护方式：采区运输采用 d p z l 4 3 1 0 0 0 型双滚筒胶带输送机，主井提升采用b - 1 0 0 0 唧n 钢丝绳牵引皮带机。 1 2 3 矿井通风瓦斯情况 矿井设计为两翼对角式通风方式，抽出式通风方法，即：新主、副斜井及改扩建以 前的老主、副斜井进风，东风井和北风井回风。北风井安装有g 一7 3 1i n 0 2 5 0 离心式主 要通风机2 台，主要通风机的电机功率为4 7 0k w ，采用调速型液力偶合器进行无级调速。 东风井2 0 0 4 年8 月技术改造安装了新型b d i i 一8 一n 0 2 3 轴流式主要通风机2 台，电动机 额定功率2 2 0 0 k w 。矿井原先一个主要采区生产，只启用了北风井主要通风机( 中央边 界式通风方式) ，东一采区投入生产以后，北风井主要通风机难以承担全矿井的通风任 务，富裕系数不足，通风系统不合理，因此于2 0 0 5 年1 月开始启用了东风井主要通风 3 西安科技大学工程硕士学位论文 机，实现了分区通风并使矿井通风能力有了较大增加。目前矿井总进风量8 6 2 2 m 3 m i n ， 总回风量8 7 5 0 m 3 m i n ，主要通风机总排风量9 5 0 0 m 3 m i n ，总外部漏风量7 5 0 m 3 m i n ，内 部漏风量5 6 0m 3 m i n ，有效风量率8 6 2 ，通风阻力1 8 6 0 6 2 8 4 2 4 k n ，各用风地点的 供风量、风流质量、风速等均符合煤矿安全规程的要求。 结合矿井通风阻力和主要通风机性能结果等综合分析，目前矿井通风系统整体处于 通风较容易时期，矿井通风能力可以满足生产需求。但是通风巷道路线上的阻力分配比 例不够合理，总回风巷道的阻力过大，部分通风巷道( 北风井、老进风斜井、中二采区 回风等) 摩擦阻力系数偏大，说明这些巷道的有效通风断面积偏小：北风井离心式主要 通风机的服务时间已经较长，调速方式落后，运行效率较低；东风井的通风阻力较大； 井下角联巷道、固定风量巷道相对较多，通风系统的网络结构比较复杂。 大水头煤矿为高瓦斯矿井，井田内瓦斯地质构造复杂，赋存东高西低，煤层瓦斯含 量平均l o m 3 t ，瓦斯压力最大1 4 8 m p a ，2 0 0 5 年矿井瓦斯等级鉴定相对瓦斯涌出量 1 0 6 7 m 3 t d ，煤层为瓦斯可抽采且易自燃煤层，自然发火期3 6 个月，最短2 l 天， 煤尘具有爆炸性，爆炸指数3 4 5 2 。 1 2 4 矿井通风系统运行现状 为了掌握矿井井巷通风阻力分布状况，我们于2 0 0 5 年3 月完成了矿井通风阻力测 定工作，找出了通风系统中最大阻力路线以及该路线的能耗分布情况。通过对矿井通风 系统进行了认真分析，发现矿井通风系统主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 矿井主要通风机配备电机容量过大，通风机低效运行。 ( 2 ) 井下局部通风机不具备调速功能，局部通风机低效运行，造成电能浪费 ( 3 ) 生产水平较多，通风系统复杂，总回风巷道断面偏小，通风阻力大。 矿井1 1 8 0 水平运输大巷是东一采区的集中运输、进风巷道，巷道设计断面1 4 4 m 2 ，通过风量达到4 2 6 0 m 3 m i n 。自2 0 0 5 年初以来，由于受中2 0 2 综放工作面采动影响， 1 1 8 0 东大巷近1 0 0 0 m 巷道承压变形严重，局部地点的有效断面积只有8 0 i i l 2 左右。 矿井东风井底弯道2 0 0 m 巷道由于长期黄土灌浆管路泄漏充填，巷道有效通风断 面积由原来的7 0m 2 减小到了3 6 2 。 北风井总回风原轨道下山3 0 0 m 巷道由于长期承受采动及地层自然压力的原因， 局部巷道几乎完全堵塞，严重阻碍了总回风系统的畅通，致使矿井通风阻力剧增，矿井 安全生产无法保证。 中二采区总回风上山3 0 m 巷道由于长期承压变形，巷道风速超过 煤矿安全规程 规定，北风井主要通风机负荷增大，无益电耗增加。 1 3 6 5 东中巷、1 3 8 0 东大巷变形冒落严重，巷道有效通风断面积分别由原来的8 0 m 2 、1 2 0m z 减小到了4 0m 2 、6 0m 2 ，东一采区并联支路通风不畅通，矿井通风阻力增 4 1 绪论 大。 东风井通风负压为2 8 0 0 p a ，北风井通风负压为1 9 0 0 p b ，通风阻力偏大，而且东、 北风井阻力分布极不平衡。 ( 4 ) 矿井通风设施达不到质量标准化要求，总漏风量达到1 3 1 0 m 3 m i n ，漏风率为 1 3 8 。其中：外部漏风量为7 5 0 m v m i n ，外部漏风率为7 9 ；内部漏风量达5 6 0 m 3 m i n ， 内部漏风率为5 9 9 6 ，大大增加了主要通风机的无益功耗。 ( 5 ) 矿井东、北风井现各运转主要通风机l 台，配备电机功率各为2 x 2 0 0 k w 、4 7 0 k w ； 矿井生产系统平均运转使用局部通风机超过1 2 台，配备功率超过4 0 0 k w ( 按照4 0 0 k w 进行计算) ，全矿井通风设备总功率配备达到1 2 7 0k w 。 由此可以计算出矿井最小通风耗能为： w = 彤+ 式中：w 。= 主要通风机每年可以节约的电耗，元； w ：= 局部通风机每年可以节约的电耗，元。 主要通风机每年可以节约电耗为： 彤= 2 4 x 3 0 x 1 2 x o 5 x l 式中：w 广主要通风机年节约电量，千瓦时； 2 4 每天运转的小时数，小时天； 3 卜每月运转的天数，天月； 1 2 - - 每年运转的月数，月年； 0 卜每千瓦时电价，元千瓦时； n 主要通风机运行功率，千瓦时。 即：w = 2 4 3 0 1 2 0 5 8 7 0 = 3 7 5 8 4 0 0 ( 元) 局部通风机每年可以节约的电耗为： = 2 4 x 3 0 x 1 2 x 0 5 x n 2 式中：w 厂一局部通风机年节约电量，千瓦时； n 广一局部通风机实际平均运行功率，千瓦时； 即：w = 2 4 x 3 0 1 2 0 5 4 0 0 = 1 7 2 8 0 0 0 ( 元) 综上所述，矿井通风设备每年的通风电耗为5 4 8 6 4 0 0 元。 1 3 课题的意义 煤矿巷道用的通风系统，在煤矿的安全生产中起着至关重要的作用。矿井的瓦斯爆 炸，与巷道的通风是否顺畅，风量供给是否满足安全生产需求有直接关系，一旦通风不 畅，风量供给不足，瓦斯浓度升高到一定程度，即会造成爆炸塌井，造成重大事故，危 及矿工的生命安全。而随着开采及掘进的不断延伸，巷道延长，所需的风量也将不断增 5 西安科技大学工程硕士学位论文 加，风机所用功率也将加大。传统的调节系统是根据风量所需的多少，通过调节风门及 风窗来实现，不但浪费了电能，调节起来也不方便，而且原电控系统采用直接或降压起 动，对大功率电机( 一般在5 5 k w 以上) 来说，启动时间长，启动电流大，对电动机的 各种保护功能也不齐全，很容易烧毁电机，对电网也造成较大的冲击，甚至会使供电系 统跳闸。 合理的矿井通风系统是防治瓦斯、煤尘、自燃发火事故的关键，是实现矿井安全生 产，提高效益的根本保障。其安全、经济地运转，不仅对矿井的安全生产和员工的身体 健康起着重要作用，而且对提高矿井的经济指标具有现实意义。矿井主通风机功率大， 长期连续地运行，是矿井耗电量最多的设备之一。以靖远煤业有限责任公司大水头煤矿 为例，该矿通风设备( 包括主要通风机和局部通风机) 总功率配备达到1 2 7 0 k w ，年通风 电耗达到1 0 9 7 2 8 0 0 k w h ，合计人民币约5 4 8 6 4 万元( 每k w h 电费按0 5 元计算) ， 吨煤通风电耗达到3 3 5 元，严重制约着矿井高产高效、跨越式发展步伐。矿井通风节 能技术改造要实现矿井通风网络合理、动力与网络匹配、通风压力分布适宜的目的；变 频改造后的主要通风机、局部通风机要做到高效节能，保证矿井通风系统安全高效，为 降低吨煤成本、提高经济效益、增强职工的节能意识、矿井的长远发展规划和安全生产 起到重要作用。 课题提出的矿井通风节能技术是最大限度地降低通风系统能耗，最终实现矿井高产 高效的有力技术保障之一。矿井主要通风机是煤矿高能耗的大型设备，通风耗电量，占 原煤电耗的1 8 2 1 。随着开采时间延长、开采难度加大、设备不断老化，导致能耗逐 步加大，出现减产不减电，设备富裕能力大，“大马拉小车”的情况。因此，矿井在不 同的时期，必须合理安排生产布局，经常优化网络结构，降低通风阻力，通过对主要通 风机和网络的改造，使主要通风机与网络匹配，达到主要通风机在高效区运行，从而实 现通风节能的目的。该项技术对同类矿井来说都具有重要的推广使用价值。 6 2 矿井通风系统现状的调查与分析 2 矿井通风系统现状的调查与分析 矿井通风系统管网阻力随开采延深而动态变化，很难单靠选型来实现主要通风机永 远工作在合理运行区内。因此，掌握通风阻力动态变化规律，对通风机运行工况实施动 态评估管理，对煤矿生产来说非常重要。为了核实矿井通风阻力分布情况，准确评价大 水头煤矿矿井通风系统安全可靠性及其节能潜力大小，科学合理地分析矿井通风系统技 术保障能力，从而为矿井通风系统的优化改造工作提供科学依据，我们对矿井通风阻力、 矿井主要通风机性能进行了一次全面测定。 2 1 矿井通风阻力测定 2 1 1 矿井通风阻力测定线路的选择 本次矿井通风阻力测定工作选取了三条矿井主要通风线路，获取了矿井井巷通风基 础参数，查清了现有通风系统下阻力分布状态。通过矿井通风阻力测定，掌握了矿井的 通风阻力分布，获得了矿井主要井巷的摩擦风阻系数，为矿井通风阻力预测提供了科学 的依据。 ( 1 ) 第一条线路：皮带斜主井一一1 1 8 0 运输石门一一1 1 8 0 运输大巷一东1 0 3 回 采工作面一一东一采区总回风一一东一回风石门一一东一回风上山一一边界上山一一 1 3 8 0 回风大巷一一东风井风峒。 ( 2 ) 第二条线路：皮带斜主井一一1 1 8 0 运输石门一一1 号材料上山一一中2 0 2 回 采工作面一一中二采区总回风上山一一1 3 6 5 回风西巷一1 3 8 0 ( 轨道) 运输机下山一 主( 副) 暗斜井一一1 5 7 0 回风大巷一一北风井回风斜井一一北风井风峒。 ( 3 ) 第三条线路：主( 副) 斜井一一井底车场一一1 3 8 0 西巷一一1 3 8 0 主下山一 1 1 8 0 进风石门一一1 1 8 0 运输大巷一一东一采区运输( 回风) 大巷一一东一回风石门一 一东一回风上山一一边界上山一一1 3 8 0 回风大巷一一东风井风峒。 2 1 2 矿井通风阻力测定结果分析 ( 1 ) 三条通风线路自然风压计算结果见表2 卜1 表2 1 - 1 三条通风线路自然风压计算结果 由上表可见，自然风压在帮助主要通风机做功。 西安科技大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 矿井通风阻力测定结果精度检验 由于仪表精度、测定技巧和其他因素的影响，测定时总会产生各种误差。检验方法 有风量检验法和阻力检验法，此处采用阻力检验法进行主干线的阻力测定精度检验。 矿井通风阻力测定时主要通风机装置通风参数见表2 1 - 2 。 表2 卜2 大水头煤矿通风阻力测定时主要通风机装置通风参数表 测定通风线路 矿井通风阻力 ( p a ) 实际测量通风阻力 ( p a ) 测量误差 ( ) ( 3 ) 矿井通风阻力分布 矿井通风阻力分布情况。矿井通风系统中风路可分为进风段、用风段和回风段。 所测定的路线上通风阻力分布情况( 百分比) 见表2 i - 4 。 表2 1 - 4 大水头煤矿通风阻力分布 一般矿井的进风段、用风段和回风段阻力分配比例为3 ：3 ：4 ，从矿井实际测量通 风路线阻力分配比可以看出，第一条线路通风阻力不合理，第二、三条线路通风阻力比 较为合理。 矿井通风阻力坡度图。测定的矿井各通风路线上通风阻力坡度图参见图2 1 、2 2 、 2 3 。 s 2 矿井通风系统现状的调查与分析 图2 1第一条通风路线阻力坡度图 图2 2 第二条通风路线阻力坡度图 图2 3 第三条通风路线阻力坡度图 由图2 1 中的曲线可以看出东1 0 3 工作面回风平巷至东风井回风斜井，总体的回风 的阻力坡度大，特别是在1 3 8 0 大巷至回风斜井阻力坡度更大，这是因为这段巷道断面 积小，风量大的缘故。在图2 2 中，1 3 8 0 西巷回风一直到北风井回风风峒口，矿井通风 阻力坡度大，特别是1 5 7 0 回风大巷，坡度更陡一些，也是由于巷道条件不好，有堆积 物造成巷道的摩擦阻力系数偏大。从图2 3 中的曲线可以看出，总体基本和图2 1 情况 相同，所不同的是在东一采区总回风巷、位于东1 0 3 瓦斯排放巷道出口上风4 0 m 处，有 一道调节风门，增加了整个通风巷道阻力，其他巷道阻力坡度比较均匀，没有变化很大。 2 2 通风机实际运转性能测定 大水头煤矿是一座高瓦斯矿井，矿井需风量大，通风电耗高。通风用电设备主要有 矿井主要通风机、局部通风机。矿井通风设备是根据生产发展规划及安全生产需求配备 9 西安科技大学3 - 程硕士学位论文 的，电机及主要通风机容量选用的比较大，由于矿井改扩建时间短，实际生产能力没有 达到中远期设计水平，掘进工作面瓦斯涌出不均衡，矿井主要通风机、局部通风机通风 能力存在较大富裕量。 为了准确掌握矿井通风机性能，保证风机高效稳定运转，给井下采、掘工作面及其 它地点创造良好的气候条件，我们于2 0 0 5 年3 月分别对东风井两台b d _ i i 一8 一2 3 型主 要通风机和北风井两台g - 7 3 11 n 0 2 5 d 型主要通风机的性能进行了技术性能测定。测定 结果表明，北风井l 。通风机的效率最高为6 2 ，北风井2 。通风机的最高效率为7 2 ，东 风井通风机的最高效率为8 1 ，东风井通风机多数工况点的效率都超过了7 0 。结合2 0 0 5 年3 月下旬矿井实际供风量分析可知，目前北风井1 通风机的实际工作效率为5 3 左右， 北风井2 通风机的实际工作效率为6 5 左右，明显高于l 。通风机。北风井通风机的工况 点落在风机合理工作范围的高负压段，北风井通风机运行效率偏低，经济性和安全稳定 性较差：目前东风井主要通风机效率接近8 0 ，通风机运行工况点落在风机合理工作范 围的中间位置，风机运行效率较高，经济性和安全稳定性好。针对矿井实际的风量需求， 采用调节前导器角度和调节垂直风门开启度来实现主要通风机风量调整；局部通风机根 据工作面最大瓦斯涌出量配备，不具备调速功能。经计算，通风机无调节性能在同等条 件下与采用变频调速技术的高效通风机风机相比，平均运行效率低4 0 ，每年多消耗电 能约2 3 7 6 0 0 0 元。 初期( 近1 0 年内) ，整个风机和电拖动系统处于低效率运行状态，存在“大马拉小 车”的问题，在矿井生产后期，现有的电动机仍能满足后期通风的需求，具备一定的富 裕能力。同时电机起动电流过大，尽管加入起动电抗器，起动电流仍然很大。在正常生 产过程中以及采煤断面的加深和延长，对风量和风压有着不同的要求，而对风量的不同 需求，一般是通过人工改变风门的开启度或者改变风机的扇叶角度来实现的，劳动强度 大，风量调控不便，设备维修工作量大。由于局部通风机恒速运转，常发生“一风吹” 排放瓦斯现象，极易发生瓦斯事故。 2 3 矿井漏风调查 由阻力测定和主要通风机性能鉴定可知：在风硐中闸门提起的情况下，矿井东风井 总回风量为4 9 0 0 m 3 m i n ，主要通风机风量为5 3 0 0 m 3 m i n ，可见地面漏风量为4 0 0 m 3 m i n ， 占主要通风机风量的7 5 ；矿井北风井总回风量为3 8 5 0 m 3 m i n ，主要通风机风量为 4 2 0 0 m 3 m i n ，可见地面漏风量为3 5 0 m 3 m i n ，占主要通风机风量的8 3 。漏风主要发生 在回风井井口防爆门、反风进风口、备用风机风道、风硐与地面交汇处部位。 通过对矿井各通风巷道实际供风量与需要风量相比较，内部漏风量为5 6 0m 3 m i n ， 占主要通风机总风量的5 9 9 6 。漏风主要发生在巷道通风设施部位 1 0 2 矿井通风系统现状的调查与分析 2 4 自然风压的测定 在阻力测定过程中，同时测算了自然风压。测算结果表明：自然风压作用方向与主 要通风机作用方向相同，其值为5 9 1 p a 。停止主要通风机观察表明，自然通风的风流从 进风斜井( 主要通风机运转时的进风井) 进入，由回风井( 主要通风机运转时的回风井) 排 出，验证了自然风压测定结果符合实际，在主要通风机运转时做正向功，在本课题中不 再展开论述。 2 5 通风系统改造的必要性 大水头煤矿随着产量的日益增加，开采范围及开采水平的不断拓展，通风线路也不 断加长，原通风系统不能适应生产和安全的要求。通风系统耗能越来越大。矿井原煤生 产主要集中在东一采区和中二采区，同时白银大棚工贸有限责任公司在东二采区进行轻 放开采，经1 9 9 7 年矿井改扩建改造，有力保障了近年来的安全生产。随着矿井原煤产 量的进一步提高和生产水平的进一步延深，矿井瓦斯涌出量不断加大且不均衡涌出，矿 井主要通风机、局部通风机的供风量及耗能也在随之加大，矿井通风系统阻力大增，矿 井通风系统的节能改造潜力越来越大，急需对现有的通风系统进行节能技术改造。 西安科技大学工程硕士学位论文 3 矿井高效节能通风系统改造模式的建立 在矿井通风系统能耗分析中，要把整个矿井通风系统作为一个整体对待，形成系统、 科学和规范的矿井通风系统节能模式。本课题针对大水头煤矿的生产实际和通风现状， 充分应用变频调速技术，合理地进行通风系统调整，优化矿井通风网路，保证风机和系 统的匹配，实现按需供风，达到安全生产，节能降耗的目的。 3 1 矿井通风系统功耗影响分析 矿井主要通风机是煤矿高能耗的大型设备，通风耗电量占原煤电耗的1 8 2 1 。 随着生产的发展、开采时间延长，开采难度加大、设备不断老化，导致能耗逐步加大， 出现减产不减电，设备富裕能力大，。大马拉小车”的情况。因此，矿井在不同的时期， 应对矿井主要通风机和网络及时进行改造，使通风机与网络匹配，以达到安全、高效、 节能，提高经济效益的目的。 在通风系统中，风机是保证矿井安全生产的的重要设备，即要安全可靠，又要经济 合理，工况点必须处于稳定区，高效率运转。要分析风机工况点必须要测算出风网阻力 和风机特性曲线，从通风系统总体运行效率进行分析。 通风系统要做到高效节能，必须满足以下四个方面的要求： ( 1 ) 主要通风机必须运行效率高，工作稳定，并与通风系统相匹配。 ( 2 ) 局部通风机必须能够根据瓦斯浓度进行风量调节、控制瓦斯排放速度的排放 系统，达到既节能又能安全排放瓦斯的目的。 ( 3 ) 通风系统简单，运行可靠，稳定性高，有效风量率高。 ( 4 ) 通风阻力分布合理，易于调节。 在分析总体效率的所有因素中，电机及传动效率己定，只有风网和风机效率可变， 应视为影响效率的主要因素。通风系统的无益功耗，主要是风网和风机附属装置的阻力 和外部漏风的功耗以及风机的调节性能与电机负载率的影响，由此分析出大水头煤矿通 风系统功耗有以下几个因素影响。 3 1 1 电机容量偏大，主要通风机低效运行 东风井现装备使用两台b i ) - i i 一8 一n 0 2 3 型主要通风机和北风井现装备使用两台 g , - 7 3 1 i n 0 2 5 d 型主要通风机，额定功率分别为2 2 0 0k w 和4 7 0 k w ，在变频调速技术 改造前实际运行功率分别为2 4 0 k w 和2 8 2 k w ，电机平均负载率为6 0 ，无功损耗大，设 备处于低负荷、低效率运行状态。 ( 1 ) 电机额定功率大、电机负荷率偏低，形成“大马拉小车”现象，主要原因有： 3 矿井高效节能通风系统改造模式的建立 矿井主要通风机是根据生产发展规划配备的，电机及其容量选用比较大，由于矿 井改扩建时间短，实际生产能力没有达到中远期设计水平，使得风量存在较大富裕。 目前矿井处于初期开采阶段，矿井阻力偏小，难以实现主通风机的高效运行。 矿井引进先进的采掘设备，实现了一井两面高产高效的矿井生产模式，使得矿井 风量、风压大幅度降低，造成风机与配套电机的性能超过系统实际需要，运行效率比风 机样本提供的偏低很多。 ( 2 ) 风机运行效率低的原因是： 通风机安装质量存在问题。当初，安装地基强度不够，使用中由于机械振动造成 离心式通风机叶轮、外壳、引风道不在同一轴线，形成风机低效运转，降低了通风性能。 叶片安装角度出现偏差。轴流式风机在安装和调整叶片角度时，由于操作方法不 当或叶片长期锈蚀，造成变形或叶片安装角度不统一，破坏了设计的空气动力结构，增 大了叶片问气流阻力，增加冲击和涡流损失，影响风机性能与效益。 维护不当。风机常年排出矿井污浊气体，使得有关部件金属表面受到锈蚀，表面 形状发生变化、失去原有光洁度，破坏了原有的空气动力性能，降低了效率。 外部漏风大，有效风量率低，增加了主通风机的能耗。矿井风量足够，对风井口、 防爆门、井下通风设施及表裂隙等漏风现象处理不到位，造成矿井主要通风装置常年外 部漏风，电能无谓消耗。 缺乏定期检测与调试。由于人员、技术和装备等方面的原因，矿井“一通三防” 的基础工作比较薄弱，没有按规定开展通风机性能鉴定和矿井阻力测定，不能为风机提 效降耗提供科学准确的参数，影响了这项工作的有效开展。 3 1 2 局部通风机低效运行 目前，在煤矿掘进工作面，由于瓦斯的涌出量比较大，瓦斯的排放尤为重要，如果 瓦斯超限，必须停电撤人，因此造成很大的经济损失，所以局部通风机控制系统在煤矿 井下有着举足轻重的地位。而我国大多数煤矿井下局部通风机选配的驱动电机调速能力 较差，智能化程度较低，局部通风机选择一般偏大，当巷道掘进深度较浅时，由于局部 通风机没有调速能力，会造成电能浪费。此外，当巷道出现瓦斯积聚时，需要进行排放 处理，一方面，使回风巷中瓦斯浓度不超限，即新鲜风流和乏风流的混和处瓦斯浓度要 求不超过1 5 ；另一方面，也要控制瓦斯排放的速度，以防“一风吹”排放瓦斯造成的 危害。因此，需要推广应用能够根据瓦斯浓度进行风量调节，控制瓦斯排放速度的排放 系统，达到既节能又能安全排放瓦斯的目的。 本项目以d s p 为控制核心，调速电机驱动局部通风机，采用智能控制等先进的控制 手段，构成智能局部通风机控制系统，对掘进巷道中积聚的瓦斯进行无超限自动排放， 同时还可以兼作风电、瓦斯电闭锁装置使用，通过并入煤矿安全监测系统，实现煤矿生 西安科技大学工程硕士学住论文 产自动化。该项研究对煤矿安全生产和节能都具有重大的意义。 3 1 3 通风系统通风阻力大 通过对大水头煤矿矿井通风系统进行阻力测定，认为目前该矿通风系统整体处于通 风较容易时期，但是从通风巷道路线上的阻力分配比例分析，发现总回风巷道的阻