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国际采矿科学与技术杂志

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评估辅助风扇做法对局部地下通风的影响

戴维bull;J德bull;维利尔斯，马克bull;马修斯，菲利普bull;马雷，马里乌斯bull;克莱因德格，迪恩bull;阿恩特

西北大学研究与持续工程发展中心，南非比勒陀利亚0081

文章信息：2018.05.07 第一次收稿 2018.10.10 收到订正稿 2018.02.28 拟录用

2018.03.05 网络出版

摘要：矿井的规模和深度不断扩大，导致对局部地下通风系统的依赖增加。使用地下辅助风扇是增加和控制工作区域中气流的一种首选方法。但是，辅助风扇在这方面的有效性尚不清楚。本文评估了这些地下风机系统在南非四个不同深层金矿中的性能。在六个系统中，辅助风扇系统的总效率为5％，其中33台风扇的平均风扇效率为38％。结果显示，这些风扇明显偏离了它们的设计工作点。因此，当前的地下风扇实践工作存在明显的缺陷。经详细研究得出的结论是地下辅助风机的组装系统导致的能源利用效率严重低下。因此，保持良好的地下风扇操作习惯，例如最佳的风扇选择，管道设计和维护对于矿井通风网络的效率至关重要。

关键词：矿井通风、地下辅助风扇、风扇系统性能

1 引言

随着易于达到的储备量的枯竭，矿产资源的开采已经变得越来越复杂[1]。这导致了矿山开采的规模和深度持续增加以达到新的生产区[1]。为确保安全和高效的生产环境，井下通风系统为矿山人员和设备活动和工作的地区提供所需的新鲜风流[2]。但是，随着矿山生产网络的不断扩张，通风网络的规模和复杂程度也不断增加，这使得新鲜风流分配和通风网络管理面临挑战，也带来了能耗增加[3]。

随着采矿深度的不断增加，通风系统压力和需风量也增加[4]。当地面风机系统不能再提供足够的抽吸压力时，这些压力需求就成为了问题，最红会阻止矿山规模扩大[4]。因此，为了克服这些限制，在深层矿井通风系统中通常使用较小的地下辅助风扇[3-6]。

深部矿井中存在各种风扇，矿井通风网络的基本示意图如图1所示。图1中还显示了井下通风风机的典型位置与类型[6]：

图1.典型的地下通风网络的基本示意图

1. 主要风机是那些对矿井总风流有重要影响的大型风机，例如地表抽风机。
2. 增压风机是一个或多个主风扇串联的较小风扇，安装这些风扇是为了帮助主风机克服矿井通风阻力。
3. 发展端风扇是用以使没有空气流通的工作场所通风的辅扇。
4. 区域风扇或电路风扇是辅助风扇组件，用于将空气引导到特定区域，典型的区域可能是一个或多个矿区，地下大量的空气冷却器处，增加打钻孔处，回风道以及提升井。

对主要通风风机的研究表明，风扇组件可能对风机安装的整体性能产生重大影响。De Souza发现，高达40%~80%的能量是由于主要通风风机用于克服风机组件电阻消耗。但是，如果采用合适的工程设计和安装方式，这些系统可以在80%以上的效率下运行，从而提升了20%~65%的工作效率。这就引出了一个问题：其它的通风组件是否也存在类似的问题，例如地下辅助设备和区域风扇组件。

资料显示了目前矿山辅助风扇组件中存在的一些效率低下的因素，例如由于摩擦因素、风扇性能差和风扇安装不良而造成的管道泄漏、风扇故障以及风机效率低、门泄露、管道压力损失等现象[7-11]。Levesque还强调需要测试以确定可以用于设计目的的泄漏值以及评估风扇组件安装的质量[10]。因此有必要评估和理解井下辅助通风系统对井下通风的影响。

井下局部风扇组件通常包括轴流式风机、波纹螺旋管和气闸（墙壁、密封件或门）[12,13]。本文研究了局部风扇组件的组成和这些系统的实际性能两者之间的有效相互作用。整个研究过程中，辅助风扇将仅被视为风扇，而局部风扇则被视为本地风扇系统，其中包括风机和由管道和气闸组成的风扇组件。

这项研究的新颖之处在于它侧重研究地下辅助风扇组件的工作效率。目前没有可用的文献明确评估地下风机的组装实践以及电能到通风的能量转换效率是如何。 因此，这对于采矿行业及相关机械工程领域了解地下风扇组合的状态以及不良工程实践的影响至关重要。

地下风机组件实验

局部风扇和辅助风扇对矿井的总风量和通风压力不会产生较大影响[12]。总空气流量是由主机通风风扇产生的吸气压力的函数，而分区风扇和辅助风扇分配该风流流到正确的区域[6]。但是，任何地下风机系统中气流分配的效率在很大程度上取决于局部和辅助风扇的安装质量，风扇的选择和组件维护[13]。它们在矿山工人和随后的安全生产中有重大作用[14]。因此，对于一个地下通风网络的正常运行而言，地下风机的设计、规划和监控都至关重要。文献[15]中提供了有关地下通风控制装置的设计，管理和监控的详细步骤。但是，设计和管理的有效性与通风控制装置的监控高度取决于业界一直遵循可用的指南和做法。

当设计或选择井下风机时，了解井下局部阻力和风机组件阻力是关键。文献[16-18]中列出井下风机的选择标准。但是，地区的特征会随着矿山的扩展而动态变化[18,19]。此外，附近地下风扇的压力影响和自然通风压力会显著影响风扇的工作点[5]。更进一步说，风机由于效率低下而损失的能量会作为热能耗散在空气中[20]。理想情况下，通风模拟模型可以帮助工程人员进行地下风机的选择[21]。

在采矿业，现在已经采取了严谨的步骤来设计和安装地面抽气风机及其组件。但是，在地下风机的设计和安装方面的工作做的较少[9]。因此，如果管理不当，地下风机可能会对运营和财务产生影响[9]。矿山工作人员的温度舒适性和安全性也高度取决于这些风扇系统的有效气流分配[22]。出于对安全的影响，这些地下矿井通风风扇的控制和管理工作也不应有失。

克罗格（Krog）先前的案例研究表明，当安装地下风扇却没有安装消声器时，之后会由于震动损失而产生能量影响。克罗格还发现，当风扇出口的排气锥代替风扇将风流直接传递到通风系统中时，会节省接近60%的能源成本，而这是由于减少了安装地下风扇时常忽略的震动损失所致。

由于各种原因，地下风机的测量工作点通常偏离制造商的曲线[8]。但是，文献中却没有这些地下风扇沿制造商曲线运行的原因。在深层矿井中，有大量的局部风机和辅助风机消耗着大量的电能[6]。 因此，地下风扇组件对地下通风网络的影响是一个值得研究的话题。 此外，地下风扇组件中存在各种效率低下的问题，这可能对整个风扇系统的性能产生重大的影响[5,7–9,20]。 因此，我们调查了风机操作对地下风机系统性能的影响以及电能转化为通风能的程度。

2 方法和材料

这项研究调查了局部风扇组件对地下通风网络的影响。通风数据来自南非的四个不同的深层金矿，分别称为A，B，C和D矿。 表1列出了用于研究的各种参数和所需的仪器。对A矿区的六个区域风扇组合进行了全面调查。对这些区域风扇组合的各个组件进行了性能评估。风扇组件包括风扇管道（波纹螺旋管），气闸和风扇本身。此外，在南非的四个深层矿山（A、B、C、D矿）对33个地下辅助风机的性能进行了测量。

表一

风流和风扇组件的测量数据及相关公式：

2.1 局部风扇组件评估

对六个区域风扇组件进行了完整的系统评估。图2是具有两个风扇，两个波纹螺旋导管系统和两个气闸的典型地下区域风扇组件的基本示意图。系统评估包括实际的系统性能评估，然后是风扇性能分析，以及风扇组件的管道和气闸的性能评估。评估的目的是确定风扇系统的实际性能，并量化每个组件、风扇、管道和气闸对整个系统性能的贡献。

图2.区域风扇组合件测量指南

2.2 系统测量

图2显示了建议的测量点和所需的测量。 在图2中还示出了需要压力差的位置，其中DP表示压力差。

在风扇进气之前，测量点A位于新鲜空气流中。在每个系统的A点测量了必要的心理测量参数，干球和湿球的空气温度以及大气压力。测量点D还需要基本的心理测量参数和气压，并且位于系统出口的下游。除了水分测定参数外，还计算了D点的体积流量，并测量了平均牵引速度和估算的牵引面积。

平均风速和风管直径分别在测量点B和C处测量，测量点B和C分别位于风扇风管的入口和出口。 还测量了风扇的总压力和电输入功率，通过测量参数，确定了风扇系统的实际性能，还得出了各种风扇组合件性能的细分。

2.3 系统整体性能

如图2和表2所示，已通过测量或计算得到了输送到区域的风量、风扇系统的输送压力（气闸之间的压差）、通过系统获得的温度以及系统效率，这些参数被用作地下风机系统的关键性能指标。

1. 总电功率输入：测量风扇系统的总电扇功率输入（（kW））。
2. 系统输送的空气流量：计算每个风扇系统的风扇系统进入区域后的体积空气流量Q（）（测量D）（表1中的参数4）。
3. 系统总输出压力：测量值D和A之间的大气压力差和速度压力差之和得出风扇系统的总输出压力（Pa）。
4. 系统空气功率：风扇系统引入通风网络的实际空气功率（（kW））等于系统输送体积空气流速和总输送压力的乘积（表1中的参数12）。
5. 干球和湿球温度升高：计算出测量点D和A之间的空气干球和湿球温度差，以量化风扇系统对地下空气热条件的影响。
6. 系统效率：实际系统效率是系统空气（kW），和总风扇电功率输入（kW）之间的比率，如等式1中所述。（1）。计算每个风扇系统的系统效率，并将其用作系统的关键性能指标。

(1)

2.4 风机性能

确定了风扇的性能，以量化其对风扇系统性能的贡献。 如图2和表1所示，针对风扇组合中的每个风扇，测量或计算了风扇的电源输入，进气量空气流量，风扇压力差，风扇空气功率和风扇效率。

1. 风扇电功率：测量每个风扇的风扇功率输入（（kW））。
2. 风扇进气量风量：在每个风扇进气口，确定测量点B处的风扇总进气量风量（Q（））。
3. 风扇总压差：测量每个风扇的排气和进气之间的总压差（（Pa））。
4. 风扇空气功率：计算风扇系统中每个风扇的风扇空气功率（（kW））。风扇的空气功率等于进气量空气流速与风扇两端总压差的乘积。
5. 风扇效率：风扇效率，如等式（2）中所述。为风扇系统中的每个风扇计算。 风扇效率是风扇空气功率和风扇输入电功率之间的比率。

== （2）

如等式（2）所示，以表示的风扇效率等效于从电源输入产生的空气动力的量。因此，电动机效率在风扇效率中得到考虑。（请参阅表1中的参数10和12）。

空气功率（）等于总压力（）以及风扇的风量（）的乘积，该总压力是跨风扇测得的静态压力，即入口和出口的速度压力 。如表1所示，参数12。此外，使用万用表测量每个风扇的电功率输入（）。

2.5 管道性能

计算每个风扇组件的管道压力损失，空气泄漏和效率，还确定了通过气闸的泄漏量和气闸效率。比较了这些性能，以量化这些组件对地下风扇系统的影响。测量所需的参数，如图2所示。

1. 总导管进气量空气流速：进入导管的总进气空气流速等于相应风扇的进气体积空气流速（测量点B）。
2. 管道泄漏：通过管道的泄漏量是通过减去风扇进气量的空气流速，测量点B，以及管道出口的体积空气流速，测量点C（）来确定的。
3. 风道压力损失：风扇出口处的总压力与系统输送压力之间的差等于风道压力损失（）。

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