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多级机站通风系统新技术 石海 林 马鞍 山矿 山研 究院 J 一 、多级机站通风系统新技术 在矿井开采设计的同时．必须设计通风系统，其日的是向井下作曼j - 【 点甓 直足謦韵薪鲜 空气，排际开采时 产生的炮烟和粉尘，以保护矿工的安全和健康．保证生产的正常进行 ，传 统的通风系统是靠没置在主要进或排风井口的主扇进行通风。大型矿山主赢的功事可高达几 千千豆，年通风 电费数 百万 元。矿山通风电耗通常 占井下总能耗蒯三分之一。冶金矿山的主 扇系境普遍存在漏风尢、风机 【作效率低， 通风无益能耗 很大，因此，改进通 风系统也是节 能的重要途径之一。 ． 马鞍山矿山研究院用引进开发的多级帆站透风系统新技术代替 了传统的太主扇 通 风 系 统，具有曩最少、风枫工作效率高、翕控糖，锗耗低等优点， 是一种适应 冶金矿山开采特点， 较优越雒叠其系境。 ‘ 多嘲潮 直 通风系统，即是由几级鼠机蝽接 力道将地袭薪风直接送到井下作业区，将污风 擅排捌I 自 囊 其嚣风点的风量调节全由风辘控弱’，尽量盛免厝风囊}蠢节．以提高系统的可控 性，使叠巍系统真正擞到按需供应．不需暂停。多级虮蒴通风蒹麴其有以下特点 ．入 排风均由专用通风井巷直接送到作业区和排至造襄， 。可使内部 精风降 到最 少． 保证 入风不罡污染。 因属压、擅式混合通服，在井 F 回采分段联络巷内形成叠爝警篮区，叮使采空区的 漏风降到最少 ，同时也能减少各分层 段之间天．混井的串漏鼠 ； 、多级机站的串联工作．降低 l『各级碾机的风压 ．既 町减少鳆机装置的撼只鼙 ，义 4 使风压分布更合理、更均匀 ，有种于保证采场稳定地处 于零压。 I 、每级机站由多台风级韭联组成，町适应作业地点和产量韵变亿 ，灵括麓调节风量。 由于多级机站系统具有以 L 优点，必然能提高矿井有效风量率与风机效率，取得明显的 节能效益，且能从根本上改善冶金矿山井下的通风现状，提高通衙嗍 管理永平。 ● 二、多级机站通风系统设计 中的黼 ， 多缀机站系统的设 干 和主扇系统不同．除r 井下需风量霸并饕鲁 计算蚪． 尚霉考瘩井 下执站设置的级数及 各机站的风机台数．选择各缓机站风机时要汁鼻期潞 局基及考虑机站闭 风压的合理分配等。所以多级机站系统的设计更为复’杂。 一机站级数的确定 维普资讯 多级机站级数的确定是设 汁中首先要解决的『-玎 J 题．它不仅取决于控制风量的要求 ，还取 决于井巷阻力和风机风压的蜓配，从八风井到 回风井每条风路的机站级数可以不等，即各风 路的井巷阻力可以不等，它不象主扇系统采取人为加阻平衡 备风路风压，而是由机站风压D n 以平衡，从而可达大幅度节能的效果 确定每条风路机站级数的一般原则 每 条需 风巷 一 般至 少没置 一个机站。 2 j当需风巷 中间存在其它井巷 如溜井、设备电梯井或斜坡道等时 ，则应在需风 巷两头各设置一级机站 ，以利于风流控制。 3需风巷、回风段机站的设最 ，主要由各风路的井巷阻力和所选机站风机的风压 来确定；每彖风路各机站的 风压之和必须等 于或大于该风路的井巷 总阻力。 二 需风量的计算 计算各 作业点最小需风量及其它需风点最小需风量，以备选择风机。 三并巷风阻的汁算 不仅计算摩擦风阻，还需汁算井巷所有拐弯、分叉和汇台等处的局诗 I 风凰。 1 四帆站碣阻的计算 。 ， 风机韭联运转的风机站，其局部阻力主要包括风机入口的突缩损失 出皿的突扩损失 应包括出口安装扩散器时扩散器的局阻，巷道与机站连接处的扩 出 口风流间相互干扰碰撞的附加 能量损失等。此外 ，计算机蛄入、出口局 阻耐还应考虑机站捐 风系数和巷道壁粗糙度的影响。 我们提出了下列计算几台相同性能风机监联运转时的机站局阻系数柏l公式 1对应于机站 出口巷道断面处的流速 。 、 。 l、入口突缩局阻系数 。 一 器 c 麓 ‘ ㈩ ’式 中 风机八口形状影响系数} - N 风机并联运转台数； ． s 一机站 幂风系数。 Xs ， D ／Qs 2 式中Q， o 机站风机 总风量，米。 ／秒； 一 Qs 机螭巷风量，米 ／秒； S“每台风机入口断面，米 ； 。 S z 机站 出口巷道的断面 ，米 ； ‘ S。 机站风侧巷道断面，米 。 2．出口扩大局阻系数 维普资讯 i j取 阻出 口 装扩 敞器 ⋯ J ， 1 1 l_ 【 中si 一 一吼机 出j 】 断面 ，米 巷 道疃粗 糙度影响 的校 正系数 ⋯ t 一 0． 5一 1． 0 5 a -1 0 十 n -l 0 -- 0． 2 r l 0 式 中口 机站巷 的摩擦 系数。 2 风机 出口安 装扩散器 扩散器 摩阻 系数 ” 式 中 0． 0l 4 S i n ，2 4 J c 0． 0 0 3 一 饕 扩 散器 的扩张 角； D厂一风机直 径 ，米； D 扩 散器 出 口直径 ．米； S 一～ 扩散器 出 口断面 ，米 。 扩 散器浙 扩局阻 系数 ㈤ s 一 c ④ 扩散器出口突扩局阻系数 ． 一 一 o- s ， 6 7 机站出 口扩大局阻系数 c 2 一} _ f e d 8 机站与巷道断面若不相同，则其连接处应开凿成渐扩或渐缩段，它们的 局阻相对很小， 故在计算机站局阻时忽略不计。 此外，13 台风机并联工作时 ．入口的分流和n 股风机出口旋流在混合过程 中的相互碰撞均 会增加能量损失 这部分能量损失 目前还查不到它们的函数表示式 ，在计算机站局阻系数时 可乘以综合校正系数 c， c值应 由试验i 翼 l 定来确定。 3、机站局阻系数 由 1 式、 3 式 或 5 、 、 7 、 8 式 可求得下列机站局阻系数的计算式 } ， c K c } cI }c 2 9 由此可求得井下风机站的局部阻力为 ， c n 0 井下风机站的局部风阻为 ， c ， 。 一 】 维普资讯 井 F 机站的风8 L lx I 压克眼 j 帆站 阻后剥下的风压才是用来克服井巷阻力的有效风匪 该 耀压称之 为机站城压。 即 s- hf -- h c n2 式 中 ， 一 ～风机全压 ，毫米水牲 矗 各级机站 的优化选 择 采用非线性规划方法研究风机优选．我院已研究完善，取得了令人满意的效果。其方法 主 要有豇 L 机直接 优选 厦工况 点优 化两种 方法 1、风机直接优选 它是在机站位置、级数及风机型号 确定的情况下，对风机 各参数及并联台数进行优化选 择 ，使其在满足各需风点风量要求的情况下所选风机的总能耗最省 优选风机的优化数学模型 m 讯 ～FT一 ∑ i I 兰 c ， 二 生 一 里 1 0 2 ER E Di ，n ， M ， 口 。 ， Q ‘ ⅣP1 Di , i ， Ni ， 8i ，Q 至 C i l ， 2⋯⋯上 ． Q j ，辱 J 0是常鼓， J 是鼠岛风量要案翦巷道号 ， 。Ⅳi ， 藕足其各自上下界要束。 式中 ， 燕税站舞最j 啜 ． Q， 日是分支的最羹甍疆 办损失街羹； ， c ， 日， 为机站局阻损失及风机风压向量； Q I 为分支 f的风量； Qr 为总排风量或惫入贝量 取其大者； ， 分别是丽鳍舶点蕾关鬟雉阵爰藿立两路矩阵； D 一一 分别是第 号枫站内最帆豹直径、 转教及叶片安装角 这里仅考虑同一 帆站内风机参数均相罚情况； Ni 是 风机 蓝联数； L 为垒 系统机站教； Wi D b Ni ，巩． Q ～是计算第 号机站风视风压的翔台关系式； U Di ， ， ， Q 是计算第 号机靖 砜机效率的拟台关系式， 自然风压。 上述优化数学模型是一个包含线性与非线性约束条件、非线性目标 函数的惋化 问题 ，我 们应用了非线性规划方法中的乘子法对模型 IⅣP1 进行求解。解算的结果不仅 可 以 获 得 各机站风机的参数及韭联 台数，还得到 各分支的风量及阻力损失 一 辟 Ⅳ ∑ 维普资讯 2、风机工况点优化 在上进 模型 P 1 中，由 所 窘机站的 风机 参数 厦 风机韭联 数均代 入到其 中进 行 解 箅 大夫增加了问题的复杂性一 为了提高运算速度 ，使{ c 化方法更为生产实际所应用，我们 进步将模型 NP 1 J进行简佗，即去掉所有风机项 ．将风机有效风压抽象为一未 知 数 代 人 到模 型中去 ，可得到 如下 机 r 况 点优化 数学模 型 L mi n NFT一 ∑ ， J 0 NP 2 l S z AQ 一 0 Bf t H H s～ Hn、 一 0 至 q i至 0 i l ， 2 ⋯ ⋯ L 在模型 N P 2中，优促计算的结果可以得到各机站风橇的有效风压及帆站风量 ，然 后可根据该风机 工况参数去配风机。最后进行网络解算获得最终数根。 三 、多级机站通风系统的实践 1 、梅山 矿多●藕| I| 曲宴■ 梅山矿j 匕 采区是一后探明的矿体 ，在一2 0 0 米和--1 4 0 米与南部采 区相通。 但三个采矿分 层都在一l 4 0 米以上 ，虽在矿体走向两铡开凿一对通风天井，但 由于矿井主回风水平在一1 4 0 米 以上，风璐大量短路，依靠 主扇通风很难使上部分层得到需要莳新风，我们多机组设计 了 该矿的多缓机站通风方案，并进行了工业试验 ，取得 了较好翦鼓皋 “ 。 囊们按常规设计选择的风机列于表 l的原 方案栏 中，’测得蛄皋主要有 1全 系统 风机 平 均效 率 为7 5 ． 6 ％； 、 2全系统机站平均效率为4 0 ． 2 ％； 3有效风量率7 2 ． 8 ％。 表 1 梅山铁矿北采 区优化结果 风机F Z垄 设 机 并 风 机 参 量 风 帆 工 况 计 联 方 站 一 法 号 数 帆 号 转数 安装 角 风量 全压 兹事 功率 l 4 l O 1 0 0 0 2 o 1 0 ． 6 2 1 ，3 I ‘ 7 5 ．8 ％ 一l 1 ．6 5 2 4 l 0 1 5 ∞ 2 O 1 2 ． 2 6 6 ． 1 7 5 ． 瞄 }4 1 ． 5 7 原 l 7 ． 喜 。髋{ 3 ．4 7 g 2 9 1 O 帅 2 0 7． 5 方 4 2 9 1 O 帅 2 o 6 ． 3 箜 t - 5 2 g 1 0 帅 2 o 7 ． 4 1 7 ． 9 鼍 ‘ 案 2 1 ． 2 | ％ 6 2 9 1 O 帅 跚 6． 5 洼 7 2 9 1 0 帅 2 o 6 ． 7 2 0 ． 6 订． 8 ％ 8 2 9 1 0 帅 2 0 6 ． 7 2 0 ． 6 7 8 ． 1 ％ ∑ 7 3 ． 8 9 维普资讯 续表 l 设 机 并 风 机 参 数 M 机 工 况 计 联 方 站 台 法 号 敷 机号 转数 安装 角 风 。 压 效 率 功率 l 4 l 2 ． 5 1 0 0 0 8 { 1 ． 0 1 5 5 ∞ ． 2 ％ l 0 ． 2 4 l 0 1 5 0 1 I 7 1 l j 5 6 9 8 1 ． 2 ％ 3 2 7 5 优 ％ ．3 ％ 】． 1 9 3 2 1 G j 0 0 0 8 6 8 7 t 4 2 l C 1 0 0 6． 1 I 4 ．1 7 8 S ％ 2 1 S 化 5 2 儿 i 0 0 J J { 9 ．1 I 3 ． 7 7 3 ． 8 ％ 3． 3 l 6 2 l 0 1 C O 0 8 6． 2 【 2 ． g 7 7 6％ 2． 0 3 法 7 2 1 0 l ∞ r 3 6 2 l 8 7 7 ． 5 ％ 2． 0 2 8 2 1 0 1 0 0 0 8 6． 2 I 2 ． 9 7 7 ． 7 ％ 2． 0 3 ∑ 5 9 ． 4 6 表 2 梅 山铁 矿北采 区优化结 果 风机K 4 o 型 风机参数 风 机 工 况 机 站 号 并联 台数 机号 转数 安装 角 风量 生压 效率 功 率 1 4 1 0 1 0 0 0 2 0 9 ． 2 9 2 6 ． 0 4 7 1 ％ l 2 ． 1 5 9 4 1 1 ． 2 1 0 0 0 1 7 1 0 ． 1 8 3 2 ． 8 5 7 9 ． 7 ％ 1 6 ． 4 5 3 2 9 l 0 0 0 l l 5． 9 4 6． 7 6 鹋． 5 ％ 1 ． 1 5 4 2 9 1 0 0 0 l 1 5． 3 3 l 1 ． 4 2 7 7 ． 8 ％ 1 ． 5 3 b 2 9 1 0 0 0 l 7 7． 3 1 1 1 ． 4 4 7 2 ％ 2． 2 8 6 2 9 l O 0 o l 7 6． 2 5 1 7 ． 5 8 踯 9 ％ 2． 6 6 7 2 9 1 0 0 0 1 4 5． 7 8 l 5 ． 4 3 踯 ． 9 ％ 2． 1 6 8 2 9 1 0 0 0 1 4 5 ． 7 3 1 5 ． 6 9 8 1 ． 2 ％ 2 ． 1 7 ∑ 4 0 ． 5 5 应用模型 N P 1到梅山矿进行风机优选时，得到的优化结果列于表 l 直接优选风机 栏 中，可以看到优化的结果节能l 9 ． 5 ％，当采用 NP 2对梅山系统进行优化计算 ，其结 果列于表 2，比原方案节能4 5 ． 1 ％，可以看出简化计算的好处。 2、丰山铜矿多级机站的实践 丰山铜矿多缓机站 系老系统改造，根据以上设计原则，用优化模型 NP1 及 NP 2对 丰山矿 系统进行解算 ，最终方案分别比老系统节能4 8 ． 2 ％及4 6 ． 1 ％。优化结果列于表 3。 此外大冶铁矿、云锅公司某矿也得到较好的应用。且云锡公司实践表明多级机站系统对 氡的析出有较好的控制 。 维普资讯 表 3 丰山铜矿 优化结 果 风 机 直 接 优 选 风 机 工 况 点优 选 机站 号 蓝联 台数 安装 角 机 型 转数 机站号 并联台教 安装 角 机 型 转数 l 2 2 0 K4 0 A1 4 g 0 1 】 。 0 K2 5 A2 2 9 8 0 9 2 ∞ K4 0 AI 5 9 8 0 2 l 2 0 K2 5 A盟 9 8 0 u 3 1 蕊 K4 0 A t 5 9 8 0 3 l 2 7 K4 0 A1 5 9 8 0 4 1 K4 0 A 1 7 9 8 0 4 1 2 6 K4 0 A1 7 9 8 0 5 l 2 o 1 { 4 0 C1 4 9 3 5 5 l 2 l K如 Al 3 9 8 0 6 l 髓 K 0 Al 7 g 8 O 6 l 盟 K4 0 Al 7 9 8 0 7 1 2 5 K4 0 l 4 9 8 O 7 l 2 5 K4 0 A1 4 9 8 0 8 j 2 2 Kd O Al l 9 8 0 8 l 2 0 K4 0 Al 1 9 8 0 功率1 2 7 ． 6 2 KW 功 率1 3 2 ． 7 1 KW 原 主 扇 功 率2 4 6． 2K W 四、多级机站通风系统节能原因 l ，加强了风流控制．大幅度减少漏风，由于多级机站使全矿的风压分布均衡，可以达 到减少 风机外部 褥风的效 果。 2、用风机平衡各风路风压代替风窗调节风流在网络中自然分配时，其风压最小 ，也 即 最节雒，多级机站正是利用了这点。 3 采用优化方法优选风机，使风机的能力尽可能逼近实际供风需求，充分达到风流 自 然分配．这样能使通飙能耗最省。 4、加强了耀量调节和控翻的灵活性。多级机站系统由于每个机站可 以由几台风机燕联 工作，就有可能根据分层的作业要求．开动不同的风机数来调节供风量。 5． 采用串韭联工作 方式 也是节 能的 一个原因。 6、采用高效节能腑机。 练上所述，多级机站通凡系统节能效果是明显的，与主扇系统相比，一般可节能5 ％以 上，同时还能比较有效地控制风量 ，使风流进入作业分盛。 五、 尚需进 一步研 究的 问题 1 机站局阻系数是设计多级机站通风系统的重要参数 级机站的Y - , m造成机站效率 低．一般占碾机全压 比倒的5 O ％左右 2．对 于大型地 下矿 山 ，糯 系统 可 能要设 置儿十个机 站 和上 百台风机 。 对这么 多风机的 运转管理就 比较复杂．应逐步实璎微机集中自动控制。 3．大型矿t l I 风机优选问题 ．微机难以宴珊 ．需要容量九及收敛速度快的大型计算机。 下转第6 2 5 6 维普资讯 参考文献 1] 溺家辅等．复旦学报 t 自然科学版 ，f 3 4 ，8 1订9 7 6 。 【 2 李蕾平． 泮自强主编 ，辐射 防护手册 第二分册 ， 北京隙子能 出版社 ，1 9 8 8 年 ，2 4 7 页。 L 3] 田蕾 蠢，鞍 电子学与棵测技术 ， 8 3 J ，1 6 8 ] 9 8 8 J 4] 】 so ／TC 8 5 一 SC 归 口单位北 京原于 艟研 究所译 ，美 国辐射防护标准j [ 黛，北京 ，1 9 8 1 年 ，第1 0 5 页。 [ 5 GB 5 7 4 8 - 8 5，作业场所空气中档尘醋定方法，北京，l 目 8 6 年，第5页。 L 6] I CRP第2 4 号 出版拖f 陈 安译 ， 北京 ，碌子能 出版社 ，1 9 8 1 年 ，第3 7 页。 [ 7 EJ 2 7 3 8 5 ，铀地蜃，矿山．选冶厂工作人员个人剂量臂理攘定，北京，l 9 8 5 年，第 5页 上摇第s 6 页 参考文献 L 1 ] 马鞍山矿山研究院多机纽矿井 多缀机站可控式通风 系统的研究 金属矿 山8 6 l 【 2 J 程历生等井下多风机机站局阻 的研究 工业安全与肪尘8 7 N o 2 【 3 j 李丙林等降低 井下机站的局部阻力及机站台理蜡构舶研究 金属矿山帮 № 7 [ 4] 石海林等用挽化 方挂设计矿井多缀机站暹赢系统 全国通风学术会 设论文 自城8 7 ．8 [ 5] 云话老厂中央通 风系统可靠性研究云南 话韭公 司等1 9 8 5 ．珀． 维普资讯