趙幸輝

（山西忻州神達(dá)南岔煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是地下開采系統(tǒng)的重要組成部分[1]，它能為地下礦井提供足夠的空氣，以稀釋甲烷和其他污染物，保持合適的工作環(huán)境，防止事故發(fā)生[2]。很多時(shí)候，通風(fēng)是煤礦生產(chǎn)的限制因素[3]。煤礦通風(fēng)是一個(gè)超級(jí)復(fù)雜的系統(tǒng)，在礦井通風(fēng)運(yùn)行階段，其狀態(tài)不能保持恒定[4]，可能會(huì)因生產(chǎn)要求、采礦法規(guī)等原因而及時(shí)改變。一般來說，許多影響因素可以控制或影響系統(tǒng)的行為[5]。礦井通風(fēng)阻力的測(cè)量與安全有效的通風(fēng)系統(tǒng)密切相關(guān)。風(fēng)機(jī)的實(shí)際風(fēng)量是否與礦井的空氣需求相匹配，礦井通風(fēng)系統(tǒng)是否處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，直接關(guān)系到礦井的安全和經(jīng)濟(jì)效益[6]。同時(shí)，大氣壓的改變也對(duì)風(fēng)機(jī)工作效率有著影響。通過測(cè)定煤礦井巷的通風(fēng)阻力，能及時(shí)了解反饋各巷道的通風(fēng)阻力值，該阻力值科作為優(yōu)化礦井通風(fēng)線路的數(shù)據(jù)支撐，從而選用與風(fēng)阻的大小相匹配的風(fēng)機(jī)。此外，還可利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步推算出巷道面的通風(fēng)摩擦系數(shù)，并作為礦井通風(fēng)風(fēng)道延伸與通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的支撐。

1 通風(fēng)風(fēng)阻的測(cè)定

采用如圖1所示的多功能多參數(shù)通風(fēng)檢測(cè)儀AODH-JFY-4來測(cè)量風(fēng)阻，AODH-JFY-4是一款多功能儀器，可以測(cè)量流量、風(fēng)速、壓力、溫度、濕度、露點(diǎn)和其他礦井通風(fēng)指標(biāo)。具體參數(shù)如表1所示。該儀器使用先進(jìn)的32位微控制器作為控制單元，可實(shí)現(xiàn)一鍵操作，簡(jiǎn)單可靠。檢測(cè)儀具有實(shí)時(shí)電池電壓顯示、剩余電壓顯示、電池欠壓提示和自動(dòng)關(guān)機(jī)功能，提供可更換的模塊化傳感器，集成了數(shù)據(jù)記錄備份，PC機(jī)通訊、以及處理和統(tǒng)計(jì)功能功能。壓力傳感器的頻率信號(hào)和溫度補(bǔ)償電壓信號(hào)分別發(fā)送至MCU，分別進(jìn)行F/D轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換后的壓力值計(jì)算；然后，MCU將壓力值發(fā)送到顯示器進(jìn)行顯示，同樣，風(fēng)速和濕度傳感器信號(hào)也為F/D。在進(jìn)行F/D轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換之后，它們被發(fā)送到MCU以計(jì)算風(fēng)速和濕度值。通過顯示設(shè)置菜單，可以設(shè)置需要在顯示器上顯示的參數(shù)。對(duì)于菜單上突出顯示的參數(shù)，可以選擇“打開”選擇在屏幕上顯示參數(shù)，也可以選擇“關(guān)閉”以關(guān)閉參數(shù)顯示，然后選擇主參數(shù)“PRIMARY”以在屏幕上顯示參數(shù)。屏幕上的大字體。只能選擇一個(gè)參數(shù)作為主參數(shù)“PRIMARY”顯示。另外，最多可以在屏幕上選擇4個(gè)參數(shù)作為顯示的輔助參數(shù)。

圖1 AODH-JFY-4多功能多參數(shù)通風(fēng)檢測(cè)儀

表1 AODH-JFY-4參數(shù)表

2 礦井通風(fēng)環(huán)境的模擬

采用自行設(shè)計(jì)的變壓風(fēng)阻實(shí)驗(yàn)裝置來模擬礦井通風(fēng)環(huán)境。變壓風(fēng)阻實(shí)驗(yàn)裝置主要由通風(fēng)系統(tǒng)，功率檢測(cè)系統(tǒng)和氣壓變化系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)組成。其中，采用環(huán)形封閉金屬管、管道內(nèi)通風(fēng)機(jī)、壓力以及風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成通風(fēng)系統(tǒng)，采用電量檢測(cè)和監(jiān)控裝置組成電量檢測(cè)系統(tǒng)，采用壓縮機(jī)泵和操作臺(tái)組成壓力可變系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)管線部分以實(shí)際的圓形巷道為原型，采用不銹鋼圓管首尾相連的方式形成閉環(huán)管線，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖锏赖南嗨票葹?∶20。實(shí)驗(yàn)管線的總長度為70 m，長度為6 m，內(nèi)徑為200 m。環(huán)形封閉管道的材質(zhì)為3 mm厚316不銹鋼管，具有良好的耐腐蝕的性能和力學(xué)性能，在高低壓變化條件下管道也不易變形，從而避免引入因壓力變化而導(dǎo)致的管道變形引起的實(shí)驗(yàn)誤差。另外，316不銹鋼管良好的耐腐蝕的性能也是后續(xù)的“溫度變化實(shí)驗(yàn)”和“濕變化實(shí)驗(yàn)”正常進(jìn)行的保障。其中金屬管路的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖3 不銹鋼制式環(huán)形密閉管道實(shí)際效果圖

3 壓變風(fēng)阻與氣壓關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析

3.1 氣壓對(duì)風(fēng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速影響實(shí)驗(yàn)分析

在壓力可變的風(fēng)阻實(shí)驗(yàn)時(shí)，最關(guān)鍵的因素是確定風(fēng)機(jī)的速度和管中風(fēng)速。為了研究管中的氣壓是否對(duì)風(fēng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)數(shù)有影響，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中使用了速度調(diào)節(jié)和可視化方法，實(shí)時(shí)監(jiān)控氣壓和轉(zhuǎn)速監(jiān)控，并記錄實(shí)驗(yàn)中每個(gè)大氣壓下風(fēng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。在測(cè)量范圍內(nèi)，當(dāng)管道中的大氣壓為0.06 MPa時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值2 470 r/min。當(dāng)管道中的大氣壓為0.13 MPa時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速最小值為2 300 r/min，兩者之差為170 r/min。由圖4可知。風(fēng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速會(huì)隨著管內(nèi)大氣壓力的增加而出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。

圖4 大氣壓力-轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

3.2 氣壓對(duì)定轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓的影響實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，為研究在高低壓環(huán)境下風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)壓的之間的聯(lián)系，采用多功能參數(shù)測(cè)試儀分別測(cè)試對(duì)通風(fēng)機(jī)在不同大氣壓下的輸出風(fēng)壓，其記錄整理后繪制圖5。從圖5可以看出，在大氣壓相同的前提條件下，管內(nèi)的氣壓隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加而增加。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，隨著大氣壓的增加，風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)壓會(huì)更大。也就是說，在相同的工作條件下，高海拔礦山中，由于海拔高度的增加，空氣密度降低，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓降低，風(fēng)機(jī)的整體性能降低，出現(xiàn)嚴(yán)重的風(fēng)機(jī)容量不足的問題。選擇高海拔風(fēng)機(jī)類型時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓校正。

圖5 不同氣壓下風(fēng)機(jī)風(fēng)壓對(duì)比圖

3.3 氣壓對(duì)通風(fēng)機(jī)的效率影響

為了更加直觀地觀察出大氣壓力對(duì)風(fēng)機(jī)效率曲線的影響規(guī)律，對(duì)比了8組不同大氣壓下風(fēng)機(jī)在8個(gè)不同風(fēng)量下的風(fēng)機(jī)效率對(duì)比。如從圖6可以看出，隨著管道中風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增加，風(fēng)機(jī)的效率也隨之提高，即效率與風(fēng)量呈正相關(guān)；反之，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)量呈正相關(guān)。同時(shí)，在比較大氣壓梯度后，發(fā)現(xiàn)在相同風(fēng)量下風(fēng)機(jī)的效率隨大氣壓的增加而增加。該增加似乎顯示出增加的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)機(jī)在相同風(fēng)量下處于高海拔區(qū)域時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率略低于深井區(qū)域中的風(fēng)機(jī)的效率。原因是高海拔地區(qū)的空氣密度低，使得電機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的散熱效率不高，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的輸出功率下降。另外，電機(jī)在高海拔地區(qū)更容易發(fā)生電暈現(xiàn)象，造成能量浪費(fèi)。

圖6 風(fēng)機(jī)效率對(duì)比圖

4 結(jié)語

為研究通風(fēng)風(fēng)阻與風(fēng)機(jī)工作效率，本研究自行設(shè)計(jì)并制作了環(huán)形封閉式壓力可變風(fēng)阻試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，主要研究了不同大氣壓力與管道的摩擦風(fēng)阻、摩擦阻力系數(shù)以及電機(jī)功率和效率相關(guān)性。主要方法為通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)機(jī)效率三個(gè)變量與大氣壓力之間的變化趨勢(shì)圖來反映大氣壓對(duì)風(fēng)機(jī)性能變化的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，在實(shí)驗(yàn)條件下，保持風(fēng)機(jī)功率不變，增加大氣壓會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的速度增加。此外，在相同的工作條件下，受空氣密度的影響，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓會(huì)隨著海拔高度的增加而降低，但是風(fēng)機(jī)的風(fēng)量保持不變，即在高海拔地區(qū)，風(fēng)機(jī)性能會(huì)下降；另外，通過對(duì)風(fēng)機(jī)的效率的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)的效率隨大氣壓的增加而明顯提高。