某煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

王學(xué)鋒

（山西晉煤集團(tuán)陽(yáng)城晉圣上孔煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)城048100）

礦井通風(fēng)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要影響，被形象地比作礦井的“肺”與“動(dòng)脈”，合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)保證通風(fēng)系統(tǒng)的安全性、可靠性十分重要〔1〕。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要結(jié)合煤礦本身的特點(diǎn)，既滿(mǎn)足煤礦各地點(diǎn)風(fēng)量、風(fēng)壓的要求，還要提高空氣的質(zhì)量，保證通風(fēng)系統(tǒng)的安全性及經(jīng)濟(jì)性。

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中，通風(fēng)系統(tǒng)阻力的預(yù)估、通風(fēng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)以及通風(fēng)系統(tǒng)的布局是三大重要方面〔2〕。本文針對(duì)某煤礦礦井的特點(diǎn)，先后完成礦井通風(fēng)阻力的計(jì)算以及軸流通風(fēng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)，并選擇合適的通風(fēng)布局方式，最終完成該煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。

1 礦井通風(fēng)阻力的計(jì)算

煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力的計(jì)算對(duì)于了解通風(fēng)系統(tǒng)的阻力特性及分布十分重要，也是通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的必要基礎(chǔ)參數(shù)。以下簡(jiǎn)介礦井通風(fēng)風(fēng)道系統(tǒng)阻力的主要計(jì)算過(guò)程。

1）空氣密度

式中：ρ為空氣密度，kg／m3；P0為測(cè)點(diǎn)的大氣壓力，Pa；ψ為空氣相對(duì)濕度，%；Psh為測(cè)點(diǎn)溫度為t℃時(shí)，空氣的絕對(duì)飽和水蒸汽壓力，Pa；t為空氣溫度，℃。

2）巷道斷面積和周長(zhǎng)（半圓拱型）

式中：S為井巷斷面積，m2；B為巷道寬度，m；H為巷道高度，m；U為巷道周長(zhǎng)，m。

3）平均風(fēng)速

每測(cè)點(diǎn)取三次實(shí)際風(fēng)速值的算術(shù)平均值，其校正公式為〔3〕：

式中：V真為表測(cè)風(fēng)速，m／s；V表為表讀數(shù)，m／s；a，b為常數(shù)。

4）靜壓計(jì)算

式中：hs為礦井靜壓，Pa；ZA、ZB為兩測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高，m ；ρA、ρB為兩測(cè)點(diǎn)的空氣密度，kg／m3；g為重力加速度，取9.8m／s2。

5）動(dòng)壓計(jì)算

式中：hd為測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓，Pa。

6）兩測(cè)點(diǎn)間通風(fēng)阻力（氣壓計(jì)逐點(diǎn)測(cè)定法）

式中：k＇、k"為氣壓計(jì)（Ⅰ、Ⅱ）的校正系數(shù)；h＇i、h＇j為氣壓計(jì)（I）在測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)，Pa；h"i、h"j為測(cè)h＇i、h＇j時(shí)，氣壓計(jì)（Ⅱ）的讀數(shù)，Pa；Zi、Zj為測(cè)點(diǎn)i、j的標(biāo)高，m；Pij為測(cè)點(diǎn)i、j空氣密度的平均值，kg／m3；g為重加速度，m／s2。

7）通風(fēng)巷道總阻力

式中：htr為礦井通風(fēng)總阻力，Pa。

根據(jù)上述計(jì)算過(guò)程分別計(jì)算不同通風(fēng)巷道段的通風(fēng)阻力，所有巷道段阻力之和即為整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的流道阻力。

2 礦井通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)

在確定礦井通風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)壓、通風(fēng)阻力后，就可以著手進(jìn)行礦井通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)。采用軸流對(duì)旋風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)過(guò)程中先對(duì)葉輪中間基元級(jí)進(jìn)行計(jì)算，以確定葉柵效率，并將該效率作為整個(gè)葉片的效率進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算〔4〕。完成圓周速度、圓周方向的速度分量clu、扭速△cu的計(jì)算后計(jì)算氣流角：

式中：θ1，θ2分別是葉柵進(jìn)出口速度三角形中 β1，β2的余角。

確定葉片數(shù)后便可以確定柵距t和弦長(zhǎng)b：

選擇的葉型一般為關(guān)于中心線的對(duì)稱(chēng)葉型，一般需要沿中線進(jìn)行彎折，大多使用單圓弧形。中線最大彎度為f%：

葉型安裝角：

確定各個(gè)柵面的安裝角，就可以計(jì)算各個(gè)柵面之間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。中間柵面完成后再進(jìn)行其它柵面的計(jì)算，從而完成單個(gè)葉片的造型設(shè)計(jì)。在考慮強(qiáng)度、安裝等要求后，最終完成兩級(jí)葉輪的設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 前級(jí)葉輪設(shè)計(jì)

圖2 后級(jí)葉輪設(shè)計(jì)

3 通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前礦井通風(fēng)的組織方式有并列式、分列式、對(duì)角式、混合式等多種型式〔5〕，針對(duì)該煤礦的巷道特點(diǎn)，選用圖3（b）所示的對(duì)角式通風(fēng)方式，這種方式安全出口多，風(fēng)流單向流動(dòng)路線短，同段阻力較小，礦井總風(fēng)阻小〔6〕。

圖3 礦井通風(fēng)方式

根據(jù)該煤礦的實(shí)際特點(diǎn)，在完成通風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，完成進(jìn)風(fēng)筒、擴(kuò)散器等通流部件的設(shè)計(jì)后，最終完成該礦井通風(fēng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖4）。

圖4 通風(fēng)系統(tǒng)整體

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某煤礦礦井的實(shí)際情況，選擇合理的礦井通風(fēng)方式，完成了通風(fēng)系統(tǒng)的阻力計(jì)算以及通風(fēng)機(jī)葉輪及主要通流部件的設(shè)計(jì)，最終完成該礦井通風(fēng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，所采用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法對(duì)同類(lèi)型礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有參考意義。

〔1〕李慶宜.通風(fēng)機(jī)〔M〕.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

〔2〕朱之墀，李 蒿，黃東濤.高效、低噪風(fēng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和風(fēng)機(jī)噪聲預(yù)估〔J〕.通用機(jī)械，2005，3：25－30.

〔3〕張立祥，丁維龍，潘地林.GAF型主通風(fēng)機(jī)裝置性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法〔J〕.煤礦機(jī)械，2000（5）：16－18.

〔4〕G.D.Thiart，T.W.von Backstrom.Numerical simulation of the flow field near an axial flow fan operating under distorted inflow conditions〔J〕.Journal of Wind Engineering and Industrial，1993，45：189－214.

〔5〕王維斌.對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)全流場(chǎng)內(nèi)壓力脈動(dòng)及氣動(dòng)噪聲特性的數(shù)值研究〔D〕.青島：山東科技大學(xué)，2009.

〔6〕李劍峰.通風(fēng)機(jī)葉片角度調(diào)整及礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化〔J〕.煤礦機(jī)械，2011（8）：46－48.