梅山铁矿多级机站通风系统机战局阻研究.pdf

Serial No. 366 June. 2001 矿 业 快 报 EXPRESS INATION OF MINING INDUSTRY 总 第 366期 2001年 6 月第 12 期 潘军义, 上海梅山矿业公司采矿场支护车间, 副主任, 工程师, 210041 江苏省南京市西善桥。 技术交流 梅山铁矿多级机站通风系统机站局阻研究 潘军义 梅山矿业公司 摘 要 通过对多级机站通风系统局阻的研究, 找到了机站局阻的范围, 并在新机站 的设计过程中加以应用, 降低了机站投资, 减小了机站局阻, 取得了较好的经济效益。 关键词 多级机站 梅山模式 机站局阻 1 概述 多级机站通风技术是在 20 世纪 80 年代初 期, 由我国通风技术人员借鉴瑞典基鲁纳矿的 通风经验, 并结合我国的技术现状发展起来的 通风新技术, 自 1985年在梅山铁矿北采区试验 成功后, 已在全国很多矿山推广应用, 取得了显 著的社会效益和经济效益。 多级机站通风系统是由几级风机接力把地 面新风直接送到井下作业区, 而污风同样由几 级风机接力抽出排放到地表。每一级都包括若 干个机站, 每个机站有 2 台以上的风机并联运 转。 梅山铁矿多级机站系统采用四级机站, 其中 Ⅰ级机站的任务是将全矿所需新风压入井下, 安装有 10 台 K40-6-19 风机, 每台装机容量为 110kW, Ⅱ级机站的任务是以压入的方式分别 供给各作业区所需风量, Ⅲ级机站是将各作业 区的污风分别抽出并送到总回风井巷, Ⅱ、 Ⅲ级 机站共安装 20 台 K40-6-11 风机, 每台装机容 量为 7. 5kW, Ⅳ级机站的任务是将Ⅲ级机站送 来的污风汇集起来抽送到地表, 共安装 11 台 K40-6-19 风机。采用“ Ⅰ、 Ⅳ级克服全矿总阻 力, Ⅱ、 Ⅲ级分风导向” 的梅山模式。由于Ⅰ、 Ⅳ 级机站共安装 21 台 K40-6-19 风机, 总装机容 量为 2320kW, 可以看出梅山通风系统中Ⅰ、 Ⅳ 级机站的地位是非常重要的, Ⅰ、 Ⅳ级机站设计 成败, 直接关系到整个通风系统的优劣。因此, 有必要对机站设计进行探讨。 2 机站局阻的研究 以往在通风系统设计时, 对风机站通风装 置的阻力 即机站局部阻力 重视不够。对大主 扇通风系统, 由于风机全压较高, 选型时留的余 地较大, 机站局阻所引起的通风问题还不太严 重, 但对多级机站通风系统而言, 由于机站多且 采用的风机都是低压大流量风机, 如果不考虑 机站局阻的影响, 系统风压就会出现很大的缺 口, 导致通风系统设计失败。 根据以前的文献论述, 多级机站的机站局 阻要占低压风机全压的 30～70 , 范围太 大, 因此很有必要对此做进一步的研究 2. 1 机站局阻的组成 机站前后, 流态极为复杂, 下面以并联机站 的典型例子来进行分析研究, 如图 1 所示。 图 1 多风机并联示意图 图 1 是两台风机并联机站, 以风机为准, 可 分为进口和出口两个部分, 气流在流动过程中 形成压力损失的原因有 巷道的突然扩大, 缩 小; 风机进口缩小和出口的扩大; 多风机并联作 业时的进口分流, 出口汇流混合面位置及大小, 机站漏风, 井巷支护粗糙度等。 机站阻力若要用 23 公式表示, 将是很复杂的, 而且即使考虑到上述 各种因素, 也难以考虑各因素之间相互影响作 用, 因此至今还没有一个简明准确的计算公式, 只有通过实测手段来研究这个问题。 2. 2机站局阻的测定和分析 以前对机站静压差的测定多是采用皮托管 和压差计进行测定, 且测定数据极不准确, 而对 机站前后各点的压力却没有简便可行的手段进 行测定, 因此也无法了解机站前后的压力变化 规律。 随着压力测定技术手段的发展, 现在出现 的电脑测压仪能使压力的测定值准确到 1Pa, 这对机站局阻的研究工作起到了很大的促进作 用。 对井下各机站进行分析之后,以西区- 198m 水平的Ⅳ级机站条件比较理想, 于是利用冶金 部马鞍山矿山研究院研制的 WFCY-1 型微电 脑多功能风流测定仪对该机站进行逐点测定分 析。 现场测定及分析表明, 在机站前后各 10m 以外, 风流较为平稳, 而在前后 10m 范围内, 风 流变化较为复杂, 机站的局部阻力损失也主要 发生在这个区段内。 见图 1, 设机站前后各 20m 处为 A、 D 点 在实际测定时, 把机站前后范围扩大到20m , 风机前后两处为 B、 C 点, 则机站的有效压力 H 为风机的全压 Hf 与机站局阻 had 的差值, 即 H Hf- had 列 A、 D 断面的能量方程式如下 Pa r/ 2gV 2 a Hf Pd r/ 2gV 2 d h ad, Hf P d - P a r/ 2g V 2 d - V 2 a h ad 因为Va Vd, 所以 had H f - P d - P a 1 Hf P c - P b r/ 2g V2c - V 2 b 2 式中, Pa 、 P d为 A、 D 断面的静压, Pa ; P c 、 P b为 C、 B 断面的静压, Pa; Va、 Vd为 A、 D 断面的风 速, m/ s; Vc 、 V b为 C、 B 断面的风速, m/ s; had为 ad 段的阻力损失, Pa; Hf为风机全压, Pa。 至此, 公式 1 、 2 的有关量均可在现场测 到, 机站局阻也可求出。 在对测定数据进行计算可知, 机站 两台风 机并联 运行一台风机时, 机站局阻占风机全压 的 50, 而同时运行两台风机时, 机站局阻仅 占全压的 24。 通过机站局阻的研究, 可得出以下结论 1 在进风侧 10m 以前, 静压从高到低, 均 匀下降, 10m 以后下降速率加快, 但在风机入 口 4～6m 处, 静压骤降, 说明有相当数量的静 压转化为动压, 并产生内耗。因此可以认为 20 ～10m 区段基本没有机站阻力。进风侧的机站 阻力主要发生在风机前 10m 的区段内产生。 2 在出风侧前 10m, 静压从低到高, 均匀 上升, 在 10m 处达到最高值。 以后呈均匀下降, 但速率加快, 这说明在风机出风侧前 10m 处动 压转换成静压, 基本转换完毕。 出风侧的机站阻 力主要发生在风机出口后 10m 的区段内。 不论 机站安装 1 台或 2 台风机, 机站的阻力主要发 生在风机前后各 10m 处, 即共 20m 的区域内。 3 机站的有效压力是风机的全压减去机 站内部阻力之后的压力。 风机前后各 10m 处测 得的压力差即为机站有效压力。这个压力才是 向系统提供的有效压力。 4 机站风流出口混合面与巷道断面越接 近, 机站局阻越小。 3 - 198m 水平东南井机站改造设计实践 3. 1 东区Ⅳ级机站概况 东南风井是东区主要回风井,直径为6. 5m。 东区Ⅳ级机站暂设在东南风井地表, 装有 4 台 K40-6-19 风机, 每台装机容量为 110kW 其中 一台风机备用 , 随着矿山二期工程的规模不断 扩大, 采矿已下降至- 198m 以下各水平。地表 Ⅳ级机站也应降段下移至- 198m 水平, 才能 满足采矿二期通风需求。 原二期设计- 198m 水平东南井二条石门 各 安 装 2 台 K40-6-21 风 机, 单 机 功 率 为 200kW。现根据西区Ⅳ级机站局阻实测资料及 井巷摩擦阻力系数的测定数据, 对东南井Ⅳ级 机站进行重新设计, 以便统一风机型号、 并降低 通风能耗。 24 总第 366 期 矿业快报 2001 年 6月第 12 期 1 东区风量确定。东南风井总回风量为 305m 3/ s, 其中主斜回风 25m3/ s, 粗碎系统回风 40m 3/ s, - 330m 运输水平回风 40m3/ s, 采区回 风 200m 3/ s。 2 井巷通风阻力计算。在生产实际中, 对 井巷摩擦阻力系数进行了测定分析, 认为以前 对 取值偏小, 于是在东南风井设计时, 井巷摩 擦阻力系数值采用测定的数据, 局部阻力 Hd 取井巷摩擦阻力 H 的 30。 按 H总 H Hd计算 H总 633Pa。 3 机站布置形式设计。- 198m 水平东南 风井 1 石门安装 3 台 K40-6-19 风机, 2 石 门安装 2 台K40-6-19 风机, 单机功率为110kW 其中一台备用,总风量为260m 3 / s,1 石门和 2 石门各运转2 台风机。 根据梅山铁矿对机站 局阻的研究 机站风流出口混合面与巷道断面 越接近, 机站局阻越小。 对 1 石门 3 台风机并 联成的机站进行了设计, 把其中 2 台风机并联 在一起, 而另外 1 台风机则错开布置 见图 2 , 以便减小风机出口混合面, 降低机站局阻。 图 2 机站布置图 4 风机选型计算。根据- 198m 西区Ⅳ级 机站局阻实测资料, 运行 2 台风机时, 机站局阻 为风机全压的 24, 运行 1 台风机机站局阻为 风机全压的 50。 1 石门 3 台风机运转 2 台 风机叶片角 为 26 , 每台风机风量为 60m 3/ s, 所需风机全压 为 827Pa, 查风机全压特性曲线图, 风机能产生 的全压为 900Pa; 2 石门 2 台风机全部运转 , 风机叶片角 为 29 , 每台风量为 70m 3/ s, 所需风机全压为 827Pa, 查风机全压特性曲线图, 风机能产生的 全压为 900Pa。 通过计算确定 1 石门安装 3 台 K40-6- 19 风机, 叶片角为 26 , 2 石门安装 2 台 K40- 6-19 风机, 叶片角为 29 , 其中一台风机备用, 能满足东区回风的需要。 5 机站测定结果。东南井机站竣工后, 对 机站风流参数进行了测定, 东南井 1 石门巷 3 台风机运转 2 台, 每台 62 m 3/ s, 机站局阻为 32 ; 2 石门 2 台风机运转, 每台风机风量为 73m3/ s, 机站局阻为 26。表明东南井机站的 设计是成功的, 满足了井下通风需求, 统一了风 机型号, 便于管理, 同时节省投资 40 万元, 每年 节电可达 100 万kWh。 图 3 风机特性曲线图 4 结语 1 梅山铁矿采用“ Ⅰ、 Ⅳ级克服全矿总阻 力, Ⅱ、 Ⅲ级分风导向” 的梅山模式, 均化了井下 压力梯度, 使全矿的风流得到有效的控制, 提高 了有效风量率, 同时节能效益明显。 2 多级机站通风系统的机站多、 局阻大, 经研究得出机站局阻与风机全压的比例达到 24 ～50。 3 多级机站是项新技术, 国内这方面的成 熟经验和技术介绍不多, 矿山在系统建设时不 能生搬硬套, 应做细致的工作。 收稿日期 2001- 05- 24 25 潘军义 梅山铁矿多级机站通风系统机站局阻研究 2001 年 6 月第 12 期