为将新鲜空气输送到井下，须要安装主扇，供应风流能量用以克服通风阻力；向井下各作业地点供应新风，排除污风，为使新、污风各有其道，须要建立通风网路；为使风流达到人为控制与调节，提高有效风量率，须要建立通风构筑物。主扇、通风网路、通风构筑物所构成的整体称为通风系统。凭江西钨矿近四十年来的实践经验，建立与完善矿井通风系统，是搞好安全生产，保证职工安全健康，提高劳动生产率的一项关键性措施。

一、 问题的提出

我国冶金矿山通风系统普遍存在以下主要问题。

1.漏风大，有效风量率低。一般仅为30～40%，对于崩落法生产矿山有效风量率更低，如南京梅山铁矿通风系统未改造前只有30%左右。

2.主扇效率低。主扇与通风网路不相匹配，据南方冶金学院、赣州有色冶金研究所1981年和1986年对江西11个钨矿的测定，主扇效率nf平均为35%左右，矿井风量不足，风压有余，大马拉小车的现象严重。分析其原因主要是：当时可供选择的主扇型号有限，无法根据设计数据要求，选择合适风机；有的矿山则对主扇的选取缺乏经验，如设计的原始资料不全，取用数据不当等；有的主扇运转年限已久，陈旧失修；有的风机质量不好，风峒设计和安装不符合要求；有的是以上级调拨的风机凑合使用等。

3.矿井风景未按生产变化进行调节，可控性差。

4.井下固定产尘点防尘措施不力，使风源受污染。

由于存在上述问题，使矿井通风能耗大(通风电耗占矿山总电耗的1/3)，通风费用中电耗占60%以上；同时矿井作业面粉尘浓度合格率低，影响工人身体健康。因此，根据通风系统现存问题，从主扇、通风网路、通风构筑物等三方面找原因，进行理论探讨与提出技术改革措施，使通风系统优化是非常必要的，也是当前和今后通风系统建设的重要任务。

二、 优化条件

在建立与完善通风系统中，应力求以最低的能耗与最小投资，获得最佳的通风与防尘效果，而优化通风系统就是保证上述效果的重要途径。为优化通风系统应从以下几个方面考虑。

1.依据矿体赋存条件与开采特点确定通风系统，并能适应生产的发展。

2.力求获得较好的通风技术经济指标，如主扇效率、有效风量率、粉尘浓度合格率、每吨矿石耗电量、风速和风质合格率、风量供需比等。

3.主扇与通风网路相匹配，使主扇在较佳经济效益区域内运转。

4.调整通风网路中各工作区域的产量，使其需风量尽量接近自然分风量。

5.尽量降低主风流中的风压值，使采空区与工作面之间的风压差接近零值，以降低漏风量，提高有效风量率。

三、 理论探讨与优化措施 (一) 因地制宜确定通风系统

1.许多金属矿山矿体赋存条件复杂多变，为了择优选取通风系统，应考虑下列因素：矿床赋存状况，矿体产状形态，在空间上的集中与分散程度；矿区的地形地貌，工业场地、生活区的布置；开拓方法、采准巷道布置形式，采矿方法，回采矿体引起地面陷落的范围及与地表沟通位置；矿井生产能力、开采深度，矿井有无现成的勘探、基建施工井巷可用作进回风井等。

2.通风系统选择。在确定通风系统前，拟订不同方案进行技术经济比较，选用最优方案。如某大型矿由三组矿脉组成，矿区属于山岭地带，地表有陷落区，井下与地表通路多，采用主平窿开拓，在浸蚀基准面以上回采。为尽快投产，节省基建投资费，该矿采用整体压入式通风系统，主扇安在地表，主平窿进风，采空区、塌落区排污风。各脉组需风量、风阻如图 1所示，且：Q₁>Q₂>Q₃；R₁>R₂>R₃。Q₀为总入风量，R₀为主进风段风阻。

根据风压平衡定理，三并联风路通风阻力应相等，为此必须用增阻法或减阻法调节。但无论采用哪种方法，都要造成“附加耗能量”。该矿釆用增阻法，主扇风压Hf与主扇有效功率N为：

式中：n_f——风机效率%。

但在实际运行中有如下严重缺点：在主平窿须安设自动风门，由于风门启闭频繁，漏风率为50%以上，因集中入风，主平窿风速高，引起粉尘二次飞扬，在主平窿溜井装矿处粉尘浓度达10～20毫克/米³，使风源污染严重；需风段、排风段为低压区，风量少，风速微弱，排烟、排尘困难，放炮后炮烟乱窜、漫延、循环，在夏季受自然风压影响，上述问题更为严重。后来对该系统进行改造，按脉组建立三个分区通风系统，并充分利用开拓巷道多的有利条件，在入风段分三路进风，风阻大幅度下降(由R₀降为R₀′)，如图 2所示。

各分区主扇有效功率分别为:

显然，旧系统主扇有效功率N大于各分区主扇功率之和。

即N>N₁+N₂+N₃

(1)

由(1)式知，当分区共同段风阻降低越大时，采用分区通风能耗越少。

当各分区的需风量与总风量之间关系，各风阻之间关系分别为：Q₁=0.4Q₀；Q₂=Q₃=0.3Q₀；R₁=3R₂；R₁=4R₃；R₀=2R₁；R₀′=0.25R₁。主扇效率为：n_f=40%；n_f1=n_f2=n_f3=70%。将上述值代入(1)式，化简后得：

(2)

用分区通风所节省通风动力能耗百分率由(2)式得；

改建后分区通风系统所显示的主要优越性为：(1)改为抽出式后可利用开拓井巷通风，从而可以实行多路进风与排风，使主扇节省能耗为原通风系统电耗的91.3%，(2)可取消自动风门设施，从而使通风管理、风量调节简便，并能适应生产的需要；(3)各分区有各自的通风动力与作业区，有各自的排风道，通风独立性强；(4)风源风质好，粉尘浓度合格率与有效风量率得到大幅度提高。江西大吉山、西华山、岿美山钨矿已进行过上述实践，如西华山钨矿由整体压入式改为中段分区通风系统后，主扇总功率由880千瓦减为185千瓦，大吉山由781千瓦减为275千瓦；西华山粉尘浓度合格率由 < 50%提高到>80%，有效风量率由<20%提高到>60%。

(二) 主扇应与通风网路相匹配

主扇与通风网路相匹配时，主扇的工况点位在经济合理区内，主扇工作稳定，效率n_f不低于60%。目前，我国冶金矿山约有90%主扇与通风网路不相匹配。为使其相匹配，根据生产矿山的具体情况，可改变主扇性能曲线或通风网路特性曲线，或两者同时改变之。图 3为某矿中部通风系统示意图，主扇原安在地表作抽出式通风，后来由于地压破坏，回风道阻力增加，沿途漏风严重，风机工作不稳定，运转时发出异常声响。由(图 4)主扇工况图解知，矿阻特性曲线R_外位于主扇特性曲线驼峰左侧，有三个工况点，因此风机工作不稳定。为解决此问题，该矿将主扇迁入井下，并利用旧窿、放水窿和1^#风井分三路回风，使风阻大大降低，矿阻由R_外降为R_内，改变了矿阻特性曲线，使R_内位于驼峰右侧，只有一个工况点(图 4)。因此风机不仅工作稳定，而且风量得到提高，风机电耗降低。后又由于采掘作业向深部发展，产量增加，需风量增加，此时n_f低于60%。为提高风机效率，该矿改用新型节能风机K 35系列N0——15型风机，变换风机特性曲线，使nf=80%，风量达到要求，电耗进一步降低。

(三) 通风网路能耗应最低，分风应合理

在各网路风阻保持一定的条件下，当矿井所需总风量一定时，存在一个最优方案，该方案通风能耗最低，各分区分风量最合理。图 5所示为敞开式通风网路，所需总风量、各网路风阻如图上所示，试确定最低通风能耗与最佳分风方案的条件。

通风网路的总能量等于各分支风流能量和，即：

即  ∑N_i=f(Q₁、Q₂)

若取∑Ni对各分区网路风量的一阶偏导数等于零，二阶偏导数大于零时，则可求得∑Ni最小值的条件式。

(1)

(2)

由(2)式可知: 当，得合理分风条件为：R₁Q₁²=R₂Q₂²=R₃Q₃²

同理：对于n条敞开式并联通风网路，总通风能量为：

取各分区网路风量的一阶偏导数等于零，求得最小通风能量条件为：

(3)

(4)

(4) 式说明，敞开式分区通风网路，遵循风压平衡定理，按各分区风路风阻大小的自然分风量，可获得最小风流总能量与最优的分风条件。在此条件下能充分发挥各网路的排风能力，可避免因需分风用增阻法或减阻法而产生的“附加能量”损失。因此，为获得此条件：矿井通风网路应尽量采用敞开式；当主扇安在不同地点处的分区通风系统时，应采用以风流自然分配时的风量与风流压力为主扇的风量与压力，这样能使通风能耗最少；同时应使各网路中生产场所的需风量尽量接近自然分风量；若当各分区需风量不等于自然分风量时，应改变各分区的风阻值；使需风量等于自然分风量。

如某矿采用三翼对角式通风系统(见图 5)，各风路按需风量分风与按自然分风时的各项参数值见附表。

由表得知，该通风系统由于分风不合理，使附加耗能系数达17%。为降低这部分能量损失，应调整产量，使需风量尽量接近自然分风量，使各翼风压接近平衡。

(四) 推广矿井多级机站通风系统

将矿井分为多股敞开式风路，每股风路又分为小并联风路，每股风路由压抽混合式多级风机站将新风逐级送到井下作业区，污风抽至地表。根据供风量大小，可在同一处安二台以上同型号风机并联作业，是为近年来创建的一种新型通风系统。两年前南京梅山铁矿北采区将旧通风系统改造为该系统，全矿共建立8个机站，总入风段与总回风段各建立1个机站，各装4台No.10号风机并联运转，其它6个机站分别建立在三股并联风路中，在每股风路的入、回风段，各建立1个机站，各安装2台N09号风机，使有效风量率达72.8%，20台风机平均效率达75.6%，均较原主扇系统提高近一倍；风机电耗仅为原主扇系统电耗的37.2%。

(五) 正确选择主扇通风方式、型号与安装位置

1.主扇通风方式有抽出式、压入式与压抽混合式三种类型。据不完全统计，我国80%以上的冶金矿山采用抽出式，其它两种类型仅用于具有特殊条件与须有特殊要求的矿山。在通常情况下，抽出式优于压入式。

2.主扇型号。目前我国冶金矿山是处于浅部、中深部开采阶段，多采用分区通风系统，据此宜用特性曲线平缓、低风压、大风量、高效率新型风机，如K35、K15、K55与DK45系列风机等。低效率、高风压、低风量的旧式风机应予淘汰。新型风机效率一般能达到80%以上，且通风节能效果显著。

3.主扇安装位置。随着开采深度增加，采用新型节能风机与推广多级机站通风系统，主扇安装在井下趋向越来越大。为减少大量密闭工程量，降低出风段风阻与外部漏风率，提高通风防尘效果，主扇应装在井下并宜接近作业区。

(六) 其他措施

1.正确采用风量调节设施：在主风道避免采用风量调节门，宜用辅扇调节；切断风流设施：交通要道安设动作灵敏可靠的自动风门，非交通要道安设简便气囊密闭风帘；防尘设施：井下溜井与破碎峒室等固定产尘点，可采用高压静电除尘、光电水幕、超声波水幕等除尘设施。

2.矿山通风实行自控：有的矿山已实现了矿井风量自动调节，即进行遥控、遥信、遥测和遥调；主扇电器线路载频进行“三遥”——遥控、遥信、遥测；局扇实行电器线路载频集控，使两个中段以上局扇集中在一个控制室控制。这些措施均可推广应用。

3.应保证工作面的防尘风速达到安全规程要求；风机排风口应安设扩散器，以降低出风口动压损失。

4.根据生产的变化与发展，应定期进行通风系统测定，了解系统工作状态，为系统的调整或改造提供依据。

5.应推广应用电子计算机进行通风计算和通风管理，对新设计或改造中的多种通风方案，进行通风网路解算和通风分析等，以选择最优方案和最佳风机选型。

四、 结束语

针对矿山地质赋存条件与矿山生产的具体情况，在冶金矿山通风系统建立与改造中，使主扇、通风网路、通风构筑物等三方面，实行优化组合，即实现通风系统在优化状态下工作，将可取得良好的经济效益与通风防尘效果，同时将使我国冶金矿山通风防尘科技工作提高到一个新的水平。