矿井通风技术的发展和创新.ppt

矿井通风技术的发展和创新,李秉芮煤炭能源中心,主要内容,矿井通风系统的优化改造矿井通风的基础研究长距离掘进通风计算机技术在矿井通风中的应用矿井火灾的危险性火灾时期的风流模拟,1.矿井通风系统的优化改造,矿井通风系统∶通风方式进回风井的部置方式中央式、对角式、混合式通风方法抽出式、压入式、抽压混合式通风网路风流流经的巷道通风设施通风构筑物,1.矿井通风系统的优化改造,近年来，煤矿生产逐步向大型化、机械化和集约化的方向发展。比如∶特大型煤矿产量1000万吨/年、工作面单产300～400万吨/年，工作面供风量3000m3／min。神东矿区一井一面800～1000万吨/年。因此过去常用的一些通风系统已不能满足需要。,主要发展趋势∶新建大型矿井通风系统以对角式、分区式为主。改扩建矿井以混合式为主,1.1通风方式,1.矿井通风系统的优化改造,大型煤矿通风方式,*1994统计数据,1992年、1997年、2004年三个时期河南省焦作、义马、鹤壁和郑州矿区煤矿主要通风机类型、型号统计如表1所示（在下表中，型号为2K56、2K58、2K60的风机台数统计在“2K”列中，型号为DK、BK、BD的风机台数统计在“BDK”列中；其中2004年仅为焦作、鹤壁两矿区数据）。所有风机的工作方式均为抽出式。,1.2煤矿主要通风机使用状况与趋势,表1煤矿主要通风机类型、型号统计,各型号所占比例,1（2By、70B2）；2（2K）；3（BDK）；4（GAF）；5（其他轴流式风机）；6（4-72）7（G4-73）；8（其他离心式风机）,,新型号风机,1997、2004年与1992年相比，增加了BDK及GAF两种新型号风机。BDK、BD系列主要通风机为防爆对旋轴流式风机，是对传统风机的关键部件进行深层次技术改造后研制的新型产品，其最高静压效率可达85.2，噪声可降至85dB（A）以下。GAF主要通风机是上海鼓风机厂引进德国TLT公司先进技术生产的适合矿山使用的高效风机，其风机叶片角度调节方便，调节范围大，具有高负压、大风量、运行效率高等特点。,轴流式风机与离心式风机的比较,从风机类型来看，1992年、1997年、2004年三个时期轴流式风机所占比例依次为65.3、70.7、84.6，其比例不断提高。轴流式风机与离心式风机相比，安装简便，反风时可以反转反风，节约了反风道，风机房占地面积小，加之近年来高效低噪轴流式风机的出现，所以使轴流式风机所占比例上升，也是今后矿用主要通风机发展的趋势。,落后风机,三个时期2By和70B2落后风机所占比例依次是44.0、31.0、11.5。到2004年，这两种淘汰型号的风机从数量和比例上减少很多，但仍占风机总数的11.5，其运行效率很低，影响主要通风机的经济运行。,2、主要通风机运行状况,以下就从通风机运行效率、风压、风量这三个方面对比分析三个时期煤矿主要通风机运行状况。,2.1、主要通风机运行效率,1992年、1997年、2004年三个时期主要通风机运行效率统计如下表所示,运行效率提高,运行效率在60以上的风机所占比例1992年、1997年、2004年分别是38.7、39.7、69.2，低于40的分别是28.0、21.6、7.7。由此可见，1992年以来，大、中型煤矿主要通风机效率明显提高，这与在用主要通风机的改造、新一代风机的使用、管理水平的提高直接相关。,三个时期同型号风机运行效率统计,同型号风机效率在不同时期比较,BD、BDK、GAF等新一代风机的运行效率明显高于2By和70B2风机的运行效率。但也有一些新型风机运行效率较低，原因是风机选型不合理，风网和风机的匹配性不好。与新型风机相比，陈旧风机的运行效率低。2By和70B2风机的运行效率一般在30～50。若一台配用额定功率为630kW的风机，其效率提高10，则每年大致可节约耗电量44万kWh，可节约电费22万元。,影响风机效率的主要原因,风机性能与通风网路的特性不匹配，风机工况处于非高效区。主扇选型不合理。有的矿井设计风量和风压偏大，致使主扇选型过大，造成“大马拉小车”的现象。矿井通风系统布置不合理。矿井开拓布局时没有很好地考虑对矿井通风系统的影响，有时生产过于集中于某一翼，造成矿井通风阻力的增大，增加了风机能耗。风机的加工质量和维护管理差。比如风叶轮的机径间隙大而不均匀、叶片及零部件的锈蚀，使风机的性能达不到设计要求。风机运转时间已超过其寿命。,改善风机运行效率的主要措施,对老旧风机进行技术改造。如更换机芯、改造叶轮和叶片，提高风机运行效率。研制适合我国煤矿的低风压、宽高效区的新型风机。研究离心式风机的调速装置。如可控硅调速、液力耦合器和变频调速装置。合理调整矿井生产系统，使生产达到均衡，从而使通风系统与风机性能匹配。加强风机及其附属装置的管理。,2.2、主要通风机工作风压,1992年、1997年、2004年主要通风机工作风压统计如下表所示,工作风压变化分析,三个时期工作风压在2000Pa以上的主要通风机占总数比例分别是25.3、44.6、88.5，其中2004年工作风压在3000Pa以上的风机占38.5。鹤壁十矿小付井风机风压为3924Pa，鹤壁九矿新风井负压为4150Pa，鹤壁八矿桐家庄风井负压高达4700Pa。风机负压与矿井向深部、井田边界开采通风路线长，矿井用风量增大有关，也与通风巷道失修率有关。比如，鹤壁某矿通风巷道失修率达17.9。,2.3、主要通风机排风量,1997年和2004年主要通风机实际排风量统计如下表所示,风量变化分析,其中，实际排风量在3000m3/min以上的风机1997年占63.6，2004年占76.9，显示了增大的趋势。需风量、排风量的大小与诸多因素有关，如生产规模、瓦斯涌出量、地温等。2002年以来，煤矿普遍扩大了生产能力，如鹤壁四矿1992年实际生产能力为90万t/a，2004年为163万t/a；义马矿区耿村煤矿2002年生产能力为240万t/a，2004年为380万t/a。生产能力的增加使得需风量随之增加。另外，矿井随着向深部开采，导致瓦斯涌出量增加、地温升高，使吨煤需风量增加，也是主要通风机排风量增加的原因。,3、主要通风机配用电机功率与通风节能,3.1配用电机功率,功率变化分析,可以看出，1992年和1997年额定功率在300～399kw和400～599kw这两个区间的比例最大，两个区间之和都在45以上，到2004年，仅额定功率在600～1000kw区间的电机就占57.7，电机功率增大明显。风机配用电机功率的增大是其风压、风量增加的必然。因此，煤矿主要通风机的发展趋势是高负压、大风量、大功率。从电机的负荷率来看，三个时期均有一共同现象，电机功率越大，其负荷率越小，但2004年96.2的主要通风机配用电机的负荷率都在60以上，“大马拉小车”的现象很少。,3.2、通风节能,从主要通风机的方面来说，通风节能与通风机本身、配用电机的合理性及矿井通风网络与通风机的匹配性有关。更换陈旧风机设备是节能的主要途径，目前国产高效风机中，BD系列风机的静压效率可高达85，GAF风机可达85，而永夏矿区的城郊煤矿使用的丹麦进口风机（型号为ANN-2500/1250）运行效率高达90。,风机工况调节,目前，轴流式通风机一般通过改变叶片安装角度来调节，而离心式通过调节前导器角度调节。BDK风机改变叶片安装角度时，必须进行手动调节，GAF可通过液压动叶调节机构调节，调节较为方便。方便的调节方式可以及时使风机与通风网络相匹配，使风机尽可能的运行在高效区。离心式风机调整前导器角度的调节方法，使效率下降，浪费大量电能，而使用变频调速调节风量，可保持风机高效运行，达到节能目的。,近十多年来，大、中型煤矿主要通风机的状况整体上提高较大，淘汰了大部分陈旧风机，陈旧风机的比例从1992年的44下降到2004年的11.5。,煤矿主要通风机的使用趋势,新型高效低噪轴流式风机成为主流，大、中型煤矿主要通风机的状况提高较大，淘汰了大部分陈旧风机；中高风压（工作风压在2000-3000Pa以上）、大风量的风机数量增多；使用变频调速的风机数量增多；使用新型高效低噪风机,实现通风节能。,采区通风系统布置方式的改革,随着集约化生产和深部开发的发展，采区和工作面的绝对瓦斯涌出量急剧增加，需风量要求不断增大。采区通风系统布置方式的主要改革3条上山的布置，采区内掘进专用通风巷道，有利于采区内采掘工作面的独立通风、提高采区的通风能力。,长壁采煤工作面通风方式的确定,高瓦斯、高温等需风量较大的工作面主要通风方式有U型、UL型、Z型、Y型、W型、H型,U型通风方式,上隅角局部沼气超限是U型通风方式普遍存在的现象调查表明当邻近煤层向采空区泄出的沼气量大于1.5-2m/min时，工作面上隅角的沼气浓度通常都在2以上；如果沼气来源单纯来自回采煤层的煤壁，U型通风方式可以稀释5－6m/min的沼气；如果沼气是来自采空区一侧，沼气涌出量仅有2－3m/min也带来经常处理上隅角局部沼气积聚的麻烦。,采用U型通风的工作面消除上隅角瓦斯积聚的主要措施,增大工作面通风量设置采面隅角挡风帘上隅角管道通风后部返回式通风,设置采面隅角挡风帘,工作面上隅角处沼气的聚集,,这种防治方法可靠性较差，效果不理想，只能作为临时性的应急措施,上隅角管道通风,在采空区侧利用木垛维护一段长度的回风平巷，在回风平巷中安设一根管道，该管道从工作面前方穿过工作面线直至工作面后部，利用轻便压风机，将工作面约1/3的风流通过管道送至回风平巷，从而清除工作面上隅角处聚集的沼气。这种方法只能用于沼气含量不大的采煤工作面，在沼气总涌出量为2.4--3m3/min的工作面中，60％的沼气涌出量，可通过管道送至回风平巷。,后部返回式通风,这种通风方式，不在采空区永久侧维护回风平巷。在回风平巷下侧留有35米宽的小煤柱，每隔一定距离利用联络眼将小煤柱切割，除保留一个联络眼敞开外其余联络眼均被封闭。在煤柱之下架设一排木垛，并采用泵输送和喷洒泥浆材料对木垛进行密封，使木垛与煤柱之间保持一条通道。采用这种方式，工作面所有风流先返回到后部采空区，再流入回风平巷，使工作面形成类似Z型的通风方式，为工作面上端创造一个“前进式工作面”的条件。在英国某矿使用时，在距工作面后部30米处开掘联络眼，工作面推进40米（距联络眼70米）后，再在工作面后部30米处开掘新联络眼，并将旧联络眼封闭。这种通风方式的巷道掘进工作量和其它辅助工作量均较UL型、Z型、Y型、H型为小，在英国煤矿仰斜长壁后退式工作面首次采用时，虽然工作面沼气总涌出量为18m3/min或更高，取得了良好的效果。,UL型通风方式,UL型通风方式，即尾巷排放方式，是在采煤工作面采空区漏风风流轨迹的末端边界上，事先掘成与采空区相通的联络眼，使采空区浓度较高的沼气流人排放沼气的专用煤层平巷或岩石平巷。由于联络眼与排沼气专用平巷呈L型，并与U型通风系统配合使用，故又称UL型通风方式。UL型通风方式是将工作面沼气从两个方向排出。其中从U型系统排出的沼气量可达5－6m/min，其中包括1－2m/min的采空区沼气；从尾排系统排出的沼气可达7－8m/min,甚至更高。开采沼气含量大的近距离邻近层和分层开采的厚煤层，难以用沼气抽放技术时，采用U十L型通风方式是比较适宜的。,Z型通风方式,这种通风方式进风流与回风流的方向相同，所以也可称为顺流通风方式。采用这种通风方式采区边界设有回风上山，并配合有沿空留巷。这种通风方式可使区段内的风流路线短、长度变化小，漏风量小，并可利用漏风将工作面上隅角处的沼气带到回风平巷。Z型通风方式效果较U型通风方式好，一般用于高沼气的矿井，沼气涌出量大于10m3/t。,Y型通风方式,工作面产量大和沼气涌出量大时采用这种方式。Y型通风方式在无自然发火危险的高沼气薄煤层采用较多，当采高大于1.6m后，因沿空护巷效果差而未能推广。,三进两回偏Y形通,走向长度2856m，倾斜长221m，煤层平均厚度为6.88m，采高设计为5.5m，煤层倾角109度，煤层无爆炸性，无自燃发火倾向，煤层瓦斯含量为9.03m3/t,W型通风方式,当采用对拉工作面时，可用上下平巷同时进风（或回风）和中间平巷回风（或进风）的方式。,设尾巷的W通风方式,H型通风方式,这种方式通风方式，系统较复杂，区段运输巷、回风巷均要先掘后留，掘进、维护工程量较大，故较少采用。,矿井通风新技术,均压通风技术的发展可控循环风技术工作面下行术通风技术灾变时期的通风技术矿井热害治理,均压通风技术的发展,均压通风就是使采空区主要漏风通道两端的风压趋于平衡，从而减少采空区的漏风。,20世纪60年代以来，在控制采空区火灾和防治自然发火方面得到广泛应用，已取得显著效果。80年代进行了大范围推广，在均压的监测、漏风通道的检查以及均压自动监控等技术方面均有新的发展，使均压通风技术日趋完善，形成了一种独立的、常规的防灭火工艺技术。,均压通风技术的发展,均压方法均压风门均压风机均压联通管并联分支角联风道,实践经验和教训应用均压通风技术方必须加强管理，注意均压设施对相关区域的影响。,均压通风技术的发展,均压通风技术治理瓦斯,均压通风技术的发展,可控循环风技术,可控循环风技术是采用可控循环风机，将采区回风道中的一部分乏风再导入采区重新使用，以解决该采取通风能力不足比的技术措施。20世纪80年代开始导入我国。山东肥城矿务局白庄煤矿、陕西蒲白矿务局马村煤矿、河北开滦矿务局唐家庄煤矿先后进行了可控循环风试验。循环风是事故重大隐患之一，为煤矿安全规程明令禁止。可控循环风即使在采取各种安全措施的情况下，也必须慎用。,多级机站通风技术（零压通风技术）,主要应用在金属矿山20世纪70年代末80年代初开始引进。为我国矿井通风系统带来了巨大的变革，成为矿井通风技术发展的一个标志性的成就。比如3级机站1级机站主要控制采场的通风量2级机站主要负责每个分区的排风3级机站负责矿井的总排风,工作面下行通风技术,主要优点是降低工作面温度煤矿安全规程规定煤层倾角12度无突出危险,矿井火灾时期的风流控制技术,矿井火灾时期的风流控制就是利用风流控制调节设施（主要是风门的开启等），使火风压导致的不利于撤人救灾的危险的风流状态转变为一定区域的安全的风流状态。对矿井火灾时期风流稳定性的定性分析的研究已进行了半个世纪。最著名的是波兰矿井防火专家W布德雷克提出的封闭回路法。我国从20世纪80年代开始进行火灾时期风流特性的研究。,矿井火灾时期的风流控制技术,矿井火灾计算机模拟对火灾温度的分布、火风压、火风压对风流的影响以及风流的逆转和逆退等进行数值分析。20世纪70年代，美国密歇根理工大学首先编制出了矿井火灾时期风流状态计算机模拟和风流控制的计算机程序。20世纪80年代，波兰国家科学院也研制出了模拟火灾灾变过程以及为救护队员选择最佳救灾路线的计算机软件。之后，中国、日本、法国、俄罗斯等都进行了研究。,矿井热害治理,矿井通风装备新技术,均压通风技术的发展可控循环风技术工作面下行通风技术灾变时期的通风技术矿井热害治理,1.矿井通风的基础研究,矿井通风网路解算即是一个老课题，又有很多新的计算方法。,1931年美国学者H.Cross提出了对水网的流量进行迭代计算的方法。1951年英国学者D.scott和F.Hinsley将Cross算法用于通风网路解算。此后，随着电子技术的发展，模拟电子计算机和数字电子计算机先后用于通风网路解算。电子计算机普及后，各种数值计算方法大量涌现。特别是上世纪70年代末80年代初，为鼎盛时期。现在，对应用电子计算机解算通风网路的研究依然很多，但是研究的重点已不是计算方法，而是用户界面设计和通风系统网路图的绘制。,1.矿井通风的基础研究,矿井通风网路的解算方法,回路法∶节点法∶,1.矿井通风的基础研究,矿井通风网路优化是在通风网路解算的基础上发展起来的,目的∶在保证矿井按需分风的前提下，使通风网路消耗的总能量为最小。即节能。目的∶不仅是通风网路消耗总能量的最小化，而且必须是调节所需工程费用的最小化。即节能节约工程费用。,目的,火灾前,火灾时,火灾后,,,,预测火灾时通风状态预测发生火灾时的风量分布、逆转、避难路线、救灾路线、安全教育。,,,,,,,4.火灾时期的风流模拟,分析火灾救援措施根据模拟结果，选定避难、救灾路线。,推断火源位置结合传感器等数据推断火源位置。,事故分析再现火灾时风量，研究火灾时的风量控制措施是否妥当。,