礦井多風(fēng)機(jī)工作方式的穩(wěn)定性分析

王林沖

【摘 要】 本文通過(guò)對(duì)軸流風(fēng)機(jī)特性曲線的討論，從理論層面對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，同時(shí)結(jié)合礦井實(shí)際風(fēng)機(jī)串并聯(lián)運(yùn)行的能量簡(jiǎn)圖，提出了軸流式風(fēng)機(jī)聯(lián)合工作方式的實(shí)際性建議，此研究為煤礦風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)以及風(fēng)量的分配提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 軸流風(fēng)機(jī);風(fēng)機(jī)串并聯(lián);風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性;風(fēng)量分配

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD32 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）04-0039-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

在煤礦井下開(kāi)采中，必須進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，而通風(fēng)機(jī)是礦井機(jī)械通風(fēng)的主要設(shè)備。一些學(xué)者對(duì)通風(fēng)機(jī)工作方式及通風(fēng)阻力進(jìn)行了大量研究。通過(guò)分析角聯(lián)風(fēng)阻特性曲線發(fā)現(xiàn)在角聯(lián)通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)阻增大時(shí)存在一個(gè)增區(qū)間與減區(qū)間，利用自動(dòng)識(shí)別方法對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)分析，對(duì)于復(fù)雜礦井及多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)下巷道通風(fēng)都起到良好的檢測(cè)作用，結(jié)合風(fēng)阻調(diào)節(jié)法適當(dāng)?shù)馗淖兿锏罃嗝娉叽缫约帮L(fēng)機(jī)的聯(lián)合運(yùn)作方式都會(huì)提高通風(fēng)效率。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，對(duì)風(fēng)量的分配以及調(diào)節(jié)給出了合適的建議，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究提供了參考。

1風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的分析

煤礦眾多機(jī)械通風(fēng)設(shè)備中，軸流風(fēng)機(jī)因?yàn)楣ぷ鞣€(wěn)定性高、風(fēng)機(jī)葉片角度可以實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)節(jié)而被眾多需要大量通風(fēng)的礦井采用。如圖1所示為軸流風(fēng)機(jī)的H-Q特性曲線示意圖，三條單調(diào)遞增的曲線是三種不同類(lèi)型的通風(fēng)機(jī)的等效特性曲線，圖中D點(diǎn)為軸流風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性零界點(diǎn)，D點(diǎn)右側(cè)風(fēng)機(jī)的壓力隨著風(fēng)量的增加而降低，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，礦井通風(fēng)效果也最佳;在D點(diǎn)左側(cè)，曲線從開(kāi)始零區(qū)域到E點(diǎn)先是出現(xiàn)降低趨勢(shì)，從E點(diǎn)到D點(diǎn)風(fēng)機(jī)壓力隨風(fēng)量出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)，在此區(qū)域內(nèi)，軸流風(fēng)機(jī)工作并不穩(wěn)定，對(duì)于煤礦通風(fēng)效果也不佳，嚴(yán)重情況下，風(fēng)機(jī)噪音會(huì)不斷加大，以至軸流風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，影響工作面開(kāi)采的順利推進(jìn)以及巷道的正常通風(fēng)，所以在風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)上，避免工況點(diǎn)出現(xiàn)在此區(qū)域是較好的選擇。

圖2為軸流風(fēng)機(jī)能量圖，能量圖能很好地反應(yīng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)能的變化趨勢(shì)，圖2風(fēng)機(jī)運(yùn)行中，壓力雖然呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)，但是風(fēng)機(jī)壓力整體在增高，為“+H”;風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向與其作用的方向一致，為“+Q”。

在實(shí)際的工作中，因?yàn)橥L(fēng)需求的原因，單個(gè)風(fēng)機(jī)很難達(dá)到通風(fēng)安全標(biāo)準(zhǔn)，所以，許多礦井都根據(jù)實(shí)際的通風(fēng)需求，將通風(fēng)機(jī)串聯(lián)或者并聯(lián)使用。串聯(lián)連接即兩臺(tái)或者兩臺(tái)風(fēng)機(jī)通過(guò)串聯(lián)連接的方式從而增大通風(fēng)量的連接方式，并聯(lián)連接即多臺(tái)通風(fēng)機(jī)同在一個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合工作，達(dá)到風(fēng)機(jī)的并聯(lián)。風(fēng)機(jī)的串并聯(lián)雖然通風(fēng)效果好，但是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的交互聯(lián)合工作，其運(yùn)行特性也更加復(fù)雜。圖3、圖4分別為風(fēng)機(jī)串聯(lián)以及并聯(lián)情況下運(yùn)行能量簡(jiǎn)圖。

圖3中風(fēng)機(jī)A和風(fēng)機(jī)B為串聯(lián)方式，且風(fēng)機(jī)A、B的作用方向相同，正常工作情況下，風(fēng)機(jī)的出口壓力應(yīng)該大于進(jìn)口的壓力，所以風(fēng)機(jī)B的壓力要高于風(fēng)機(jī)A的壓力，對(duì)于風(fēng)機(jī)A而言，風(fēng)流經(jīng)過(guò)它時(shí)，出口側(cè)的壓力應(yīng)該大于進(jìn)口一端的壓力，但是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)B的壓力較大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)A出現(xiàn)反常，風(fēng)機(jī)A工況點(diǎn)為（+Q，-H），這種情況下風(fēng)機(jī)就會(huì)不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行中溫度過(guò)高，影響通風(fēng)效果的同時(shí)，也對(duì)風(fēng)機(jī)有所損壞。

圖4中風(fēng)機(jī)A和風(fēng)機(jī)B為并聯(lián)方式，不同于串聯(lián)方式，風(fēng)機(jī)A、B的作用方向相反，同樣，通風(fēng)機(jī)B的通風(fēng)能力大于通風(fēng)機(jī)A的通風(fēng)能力，因?yàn)橥L(fēng)機(jī)采用并聯(lián)的方式，這種情況下，風(fēng)機(jī)A并沒(méi)有起到排風(fēng)工作的作用，處于停滯運(yùn)行狀態(tài)，或者風(fēng)機(jī)A排出的風(fēng)在此進(jìn)入通風(fēng)機(jī)B，風(fēng)機(jī)A的工況點(diǎn)為（-Q，+H），也是不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致設(shè)備癱瘓，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

在上述分析的基礎(chǔ)上，我們得出在風(fēng)機(jī)串聯(lián)運(yùn)行的狀態(tài)下，盡量選擇兩臺(tái)功率相近的通風(fēng)機(jī)，如果其中一臺(tái)功率較小，就會(huì)出現(xiàn)圖3這種情況，通風(fēng)能力強(qiáng)的風(fēng)機(jī)阻礙通風(fēng)能力弱的風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，出現(xiàn)阻力，對(duì)通風(fēng)能力弱的風(fēng)機(jī)會(huì)造成回風(fēng)倒轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)損耗大;在并聯(lián)連接方式下，應(yīng)該充分設(shè)計(jì)安排風(fēng)機(jī)之間的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，不能一味簡(jiǎn)單地進(jìn)行并聯(lián)連接，如果通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有設(shè)計(jì)好，很容易造成通過(guò)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量反向轉(zhuǎn)動(dòng)流動(dòng)，這對(duì)通風(fēng)效果有嚴(yán)重的影響。在實(shí)際的煤礦通風(fēng)中，應(yīng)該使得通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)為（+Q，+H）或者（-Q，-H）時(shí)，風(fēng)機(jī)才能正常高效地達(dá)到通風(fēng)的目的，才能為井下提供新鮮的氣流。

2通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)量的分配與調(diào)節(jié)

多風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)中，對(duì)于風(fēng)量的合理分配是重要的工作，風(fēng)量的合理分配能有效減少排風(fēng)過(guò)程中的阻力大、能量損失等問(wèn)題，因此，風(fēng)量的合理分配是高效通風(fēng)的重要保證。在風(fēng)量大分配過(guò)程中，我們利用風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律以及能量守恒定律得到K=，式中R1、R2為兩臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的風(fēng)阻，此公式說(shuō)明在通風(fēng)過(guò)程中，應(yīng)該充分地考慮自然分風(fēng)規(guī)律，在自然的分風(fēng)規(guī)律下，巷道內(nèi)的通風(fēng)才能達(dá)到最小的阻力，通風(fēng)效率才會(huì)達(dá)到最高。對(duì)于串并聯(lián)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，通風(fēng)分支的并聯(lián)會(huì)大大降低通風(fēng)過(guò)程中的阻力，而串聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，每一條巷道的阻力即為總的通風(fēng)阻力，所以，對(duì)于煤礦而言，應(yīng)該盡量選擇并聯(lián)通風(fēng)，在實(shí)際的工程中，礦井在進(jìn)風(fēng)口采用串聯(lián)通風(fēng)，在工作面之間則采用并聯(lián)通風(fēng)的方式，這樣既達(dá)到了高效通風(fēng)的目的，又實(shí)現(xiàn)了利益的最大化。

在煤礦通風(fēng)中，雖然已經(jīng)對(duì)風(fēng)量進(jìn)行過(guò)嚴(yán)格的分配，但是因?yàn)橄锏雷枇Φ脑?，往往不能達(dá)到預(yù)期的效果，一定的風(fēng)量調(diào)節(jié)措施就顯得非常必要了。風(fēng)量的調(diào)節(jié)可以有效地緩解巷道內(nèi)風(fēng)流因阻力、能量損失等外在原因造成的停止流動(dòng)或流速慢等現(xiàn)象。為此，我們對(duì)原始風(fēng)阻為R1=0.034Ns2/m8，R2=0.264Ns2/m8進(jìn)行了風(fēng)量的調(diào)節(jié)調(diào)整。得到圖5以及圖6的風(fēng)量曲線，從曲線中可以看出，風(fēng)路風(fēng)量隨風(fēng)阻的變化規(guī)律較為明顯，當(dāng)風(fēng)阻較低時(shí)，風(fēng)量與風(fēng)阻呈現(xiàn)冪指數(shù)降低的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)阻較大時(shí)，風(fēng)量逐漸趨于平緩，呈現(xiàn)線性降低的趨勢(shì)，不論是R1還是R2，調(diào)節(jié)后的風(fēng)量分配在曲線圖中都存在一定的空白階段，且隨著風(fēng)阻的增大，此空白區(qū)越大，這是因?yàn)轱L(fēng)阻調(diào)節(jié)對(duì)于風(fēng)量具有一定的滯后作用，當(dāng)風(fēng)量達(dá)到一定值后，風(fēng)阻不再對(duì)風(fēng)量有影響。

綜上所述，巷道風(fēng)量的調(diào)節(jié)能夠有效地降低風(fēng)阻大引起的風(fēng)量流動(dòng)慢等現(xiàn)象。在礦井通風(fēng)中，因?yàn)轱L(fēng)阻較大，出現(xiàn)了風(fēng)量的停滯階段，在通風(fēng)的調(diào)節(jié)中，應(yīng)該避免風(fēng)量停滯的階段，盡量使風(fēng)量達(dá)到一定的穩(wěn)定值不受風(fēng)阻的影響，在實(shí)際的調(diào)節(jié)過(guò)程中，應(yīng)該在敏感區(qū)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行合適的調(diào)節(jié)，對(duì)于串并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)橥L(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性，應(yīng)該充分考慮通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)性能以及結(jié)合巷道具體的通風(fēng)方式進(jìn)行合適的調(diào)節(jié)，使得礦井通風(fēng)順利地進(jìn)行（如圖5、圖6）。

3結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的特性曲線分析，得到軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿(mǎn)足工況點(diǎn)在風(fēng)機(jī)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，才能保證風(fēng)機(jī)平穩(wěn)高效地運(yùn)行。

（2）對(duì)于風(fēng)機(jī)通過(guò)串聯(lián)連接通風(fēng)的情況，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)應(yīng)該選擇功率接近的設(shè)備進(jìn)行串聯(lián)，否則通風(fēng)效果好的會(huì)對(duì)通風(fēng)效果相對(duì)差的通風(fēng)機(jī)造成阻力;對(duì)于并聯(lián)連接的通風(fēng)機(jī)，應(yīng)該充分設(shè)計(jì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，保證兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)在第一第三象限，對(duì)于設(shè)備運(yùn)行以及通風(fēng)效果才最佳。

（3）對(duì)風(fēng)量進(jìn)行分配時(shí)，應(yīng)該根據(jù)工作的地點(diǎn)以及風(fēng)量對(duì)串聯(lián)通風(fēng)以及并聯(lián)通風(fēng)進(jìn)行合適的選擇;對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)該在敏感區(qū)域?qū)︼L(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)的風(fēng)量在穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)是最好的調(diào)節(jié)措施。

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