矿井通风系统与通风设计.doc

第七章 矿井通风系统与通风设计 本章主要内容 1、矿井通风系统----类型、适应条件、主要通风机工作方式 、安装地点、通风系统的选择 2、采区通风----基本要求、进回风上山选择、采煤工作面通风系统 3、通风构筑物及漏风----风门、风桥、密闭、导风板；矿井漏风、漏风率、有效风量率、减少漏风措施 4、矿井通风设计----内容与要求、优选通风系统、矿井风量计算、阻力计算、通风设备选择 5、可控循环通风 第一节 矿井通风系统 矿井通风系统是向矿井各作业地点供给新鲜空气、排出污浊空气的通风网路、通风动力和通风控制设施的总称。 一、矿井通风系统的类型及其适用条件 按进、回井在井田内的位置不同，通风系统可分为中央式、对角式、区域式及混合式。 1、中央式 进、回风井均位于井田走向中央。根据进、回风井的相对位置，又分为中央并列式和中央边界式（中央分列式）。 2、对角式 1）两翼对角式 进风井大致位于井田走向的中央，两个回风井位于井田边界的两翼（沿倾斜方向的浅部），称为两翼对角式，如果只有一个回风井，且进、回风分别位于井田的两翼称为单翼对角式。 2）分区对角式 进风井位于井田走向的中央，在各采区开掘一个不深的小回风井，无总回风巷。 3、区域式 在井田的每一个生产区域开凿进、回风井，分别构成独立的通风系统。如图。 4、混合式 由上述诸种方式混合组成。例如，中央分列与两翼对角混合式，中央并列与两翼对角混合式等等。 二、主要通风机的工作方式与安装地点 主要通风机的工作方式有三种抽出式、压入式、压抽混合式。 1、 抽出式 主要通风机安装在回风井口，在抽出式主要通风机的作用下，整个矿井通风系统处在低于当地大气压力的负压状态。当主要通风机因故停止运转时，井下风流的压力提高，比较安全。 2、压入式 主要通风机安设在入风井口，在压入式主要通风机作用下，整个矿井通风系统处在高于当地大气压的正压状态。在冒落裂隙通达地面时，压入式通风矿井采区的有害气体通过塌陷区向外漏出。当主要通风机因故停止运转时，井下风流的压力降低。 3、压抽混合式 在入风井口设一风机作压入式工作，回风井口设一风机作抽出式工作。通风系统的进风部分处于正压，回风部分处于负压，工作面大致处于中间，其正压或负压均不大，采空区通连地表的漏风因而较小。其缺点是使用的通风机设备多，管理复杂。 三、矿井通风系统的选择 根据矿井设计生产能力、煤层赋存条件、表土层厚度、井田面积、地温、矿井瓦斯涌出量、煤层自燃倾向性等条件，在确保矿井安全、兼顾中、后期生产需要的前提下，通过对多种个可行的矿井通风系统方案进行技术经济比较后确定。 中央式通风系统具有井巷工程量少、初期投资省的优点。因此，矿井初期宜优先采用。 有煤与瓦斯突出危险的矿井、高瓦斯矿井、煤层易自燃的矿井及有热害的矿井，应采用对角式或分区对角式通风； 当井田面积较大时，初期可采用中央通风，逐步过渡为对角式或分区对角式。 矿井通风方法一般采用抽出式。当地形复杂、露头发育老窑多、采用多风井通风有利时，可采用压入式通风。 第二节 采区通风系统 采区通风系统是矿井通风系统的主要组成单元, 包括采区进风、回风和工作面进、回风巷道组成的风路连接形式及采区内的风流控制设施。 一、采区通风系统的基本要求 1、每一个采区， 都必须布置回风道，实行分区通风。 2、采煤和掘进工作面应独立通风系统。有特殊困难必须串联通风时应符合有关规定。 3、煤层倾角大于12的采煤工作面采用下行通风时，报矿总工程师批准， 4、采煤和掘进工作面的进风和回风，都不得经过采空区或冒落区。 二、采区进风上山与回风上山的选择 上（下）山至少要有两条；对生产能力大的采区可有3条或4条上山。 1、轨道上山进风，运输机上山回风 2、运输机上山进风、轨道上山回风 比较轨道上山进风，新鲜风流不受煤炭释放的瓦斯、煤尘污染及放热影响，输送机上山进风，运输过程中所释放的瓦斯，可使进风流的瓦斯和煤尘浓度增大，影响工作面的安全卫生条件。 三、采煤工作面上行风与下行风 上行风与下行风是指进风流方向与采煤工作面的关系而言。当采煤工作面进风巷道水平低于回风巷时，采煤工作面的风流沿倾斜向上流动，称上行通风，否则是下行通风。 优缺点 １、下行风的方向与瓦斯自然流向相反，二者易于混合且不易出现瓦斯分层流动和局部积存的现象。 ２、上行风比下行风工作面的气温要高。 ３、下行风比上行风所需要的机械风压要大； ４、下行风在起火地点瓦斯爆炸的可能性比上行风要大。 四、工作面通风系统 1、 U型与Z型通风系统 2、Y型、W型及双Z型通风系统 3、H型通风系统 第三节 通风构筑物及漏风 矿井通风系统网路中适当位置安设的隔断、引导和控制风流的设施和装置，以保证风流按生产需要流动。这些设施和装置，统称为通风构筑物。 一、通风构筑物 分为两大类一类是通过风流的通风构筑物，如主要通风机风硐、反风装置、风桥、导风板和调节风窗；另一类是隔断风流的通风构筑物，如井口密闭、挡风墙、风帘和风门等 。 1、风门 按设地点在通风系统中既要隔断风流又要行人或通车的地方应设立风门。在行人或通车不多的地方，可构筑普通风门。而在行人通车比较频繁的主要运输道上，则应构筑自动风门。 设置风门的要求 （1）每组风门不少于两道，通车风门间距不小于一列车长度，行人风门间距不小于5m。入排风巷道之间要需设风门处同时设反向风门，其数量不少于两道； （2）风门能自动关闭；通车风门实现自动化，矿井总回风和采区回风系统的风门要装有闭锁装置；风门不能同时敞开（包括反风门）； （3）门框要包边沿口，有垫衬，四周接触严密，门扇平整不漏风，门扇与门框不歪扭。门轴与门框要向关门方向倾斜80至85； （4）风门墙垛要用不燃材料建筑，厚度不小于0.5m，严密不漏风； 墙垛周边要掏槽，见硬顶、硬帮与煤岩接实。墙垛平整，无裂缝、重缝和空缝； （5）风门水沟要设反水池或挡风帘，通车风门要设底坎，电管路孔要堵严；风门前后各5m内巷道支护良好，无杂物、积水、淤泥。 2、风桥 当通风系统中进风道与回风道需水平交叉时，为使进风与回风互相隔开需要构筑风桥。按其结构不同可分为三种。 1）绕道式风桥 开凿在岩石里，最坚固耐用，漏风少。 2）混凝土风桥 结构紧凑，比较坚固。 3）铁筒风桥 可在次要风路中使用。 3、密闭 密闭是隔断风流的构筑物。设置在需隔断风流、也不需要通车行人的巷道中。密闭的结构随服务年限的不同而分为两类 1）临时密闭，常用木板、木段等修筑，并用黄泥、石灰抹面。 2）永久密闭，常用料石、砖、水泥等不燃性材料修筑。 4、导风板 在矿井中应用以下 几种导风板。 1）引风导风板 ； 2）降阻导风板； 3）汇流导风板 二、漏风及有效风量 1、矿井漏风及其危害性 有效风量矿井中流至各用风地点，起到通风作用的风量。 漏风未经用风地点而经过采空区、地表塌陷区、通风构筑物和煤柱裂隙等通道直接流（渗）入回风道或排出地表的风量。 漏风的危害使工作面和用风地点的有效风量减少，气候和卫生条件恶化，增加无益的电能消耗，并可导致煤炭自燃等事故。减少漏风、提高有效风量是通风管理部门的基本任务。 2、漏风的分类及原因 1）漏风的分类 矿井漏风按其地点可分为 （1）外部漏风（或称井口漏风）泛指地表附近如箕斗井井口，地面主通风机附近的井口、防爆盖、反风门、调节闸门等处的漏风。 （2）内部漏风（或称井下漏风）是指井下各种通风构筑物的漏风、采空区以及碎裂的煤柱的漏风。 2）漏风的原因 当有漏风通路存在，并在其两端有压差时，就可产生漏风。漏风风流通过孔隙的流态，视孔隙情况和漏风大小而异。 3、矿井漏风率及有效风量率 1）矿井有效风量Qe 是指风流通过井下各工作地点实际风量总和。 2）矿井有效风量率 矿井有效风量率是矿井有效风量Qe与各台主要通风机风量总和之比。矿井有效风量率应不低于85。 3）矿井外部漏风量 －－指直接由主要通风机装置及其风井附近地表漏失的风量总和。（可用各台主要通风机风量的总和减去矿井总回（或进）风量） 4）矿井外部漏风率 －－指矿井外部漏风量QL与各台主要通风机风量总和之比。 矿井主要通风机装置外部漏风率无提升设备时不得超过5％，有提升设备时不得超过15％。 4、减少漏风、提高有效风量 漏风风量与漏风通道两端的压差成正比，和漏风风阻的大小成反比。应增加地面主要通风机的风硐、反风道及附近的风门的气密性，以减少漏风。 第四节 矿井通风设计 一、矿井通风设计的内容与要求 １、矿井通风设计的内容 确定矿井通风系统； 矿井风量计算和风量分配； 矿井通风阻力计算； 选择通风设备； 概算矿井通风费用。 ２、矿井通风设计的要求 将足够的新鲜空气有效地送到井下工作场所，保证生产和良好的劳动条件； 通风系统简单，风流稳定，易于管理，具有抗灾能力； 发生事故时，风流易于控制，人员便于撤出； 有符合规定的井下环境及安全监测系统或检测措施； 通风系统的基建投资省，营运费用低、综合经济效益好。 二、优选矿井通风系统 1、矿井通风系统的要求 1 每一矿井必须有完整的独立通风系统。 2）进风井囗应按全年风向频率，必须布置在不受粉尘、煤尘、灰尘、有害气体和高温气体侵入的地方。 3）箕斗提升井或装有胶带输送机的井筒不应兼作进风井，如果兼作回风井使用，必须采取措施，满足安全的要求。 4）多风机通风系统，在满足风量按需分配的前提下，各主要通风机的工作风压应接近。 5）每一个生产水平和每一采区，必须布置回风巷，实行分区通风。 6）井下爆破材料库必须有单独的新鲜风流，回风风流必须直接引入矿井的总回风巷或主要回风巷中。 7）井下充电室必须单独的新鲜风流通风，回风风流应引入回风巷。 ２、确定矿井通风系统 根据矿井瓦斯涌出量、矿井设计生产能力、煤层赋存条件、表土层厚度、井田面积、地温、煤层自燃倾向性及兼顾中后期生产需要等条件，提出多个技术上可行的方案，通过优化或技术经济比较后确定矿井通风系统。 三、矿井风量计算 （一）、矿井风量计算原则 矿井需风量，按下列要求分别计算，并必须采取其中最大值。 （１）按井下同时工作最多人数计算，每人每分钟供给风量不得少于4m3； （２）按采煤、掘进、硐室及其他实际需要风量的总和进行计算。 （二）矿井需风量的计算 1、采煤工作面需风量的计算 采煤工作面的风量应该按下列因素分别计算，取其最大值。 （１） 按瓦斯涌出量计算 式中Qwi第i个采煤工作面需要风量，m3/min Qgwi第 i个采煤工作面瓦斯绝对涌出量，m3/min kgwi第i个采煤工作面因瓦斯涌出不均匀的备用风量系数，通常机采工作面取kgwi1.21.6 炮采工作面取kgwi1.42.0,水采工作面取kgwi2.03.0 （2）按工作面进风流温度计算 采煤工作面应有良好的气候条件。其进风流温度可根据风流温度预测方法进行计算。其气温与风速应符合表中的要求 采煤工作面的需要风量按下式计算 式中 vwi第i个采煤工作面的风速，按其进风流温度从表中取；m/s, Swi第i个采煤工作面有效通风断面，取最大和最小控顶时有效断面的平均值，m2 ； kwi第i 个工作面的长度系数。 3）按使用炸药量计算 式中 25每使用1kg炸药的供风量，m3/min； 第i个采煤工作面一次爆破使用的最大炸药量，kg。 4） 按工作人员数量计算 式中 4每人每分钟应供给的最低风量，m3/min nwi第i 个采煤工作面同时工作的最多人数,个。 5 按风速进行验算 按最低风速验算各个采煤工作面的最小风量 按最高风速验算各个采煤工作面的最大风量 ２、掘进工作面需风量的计算 煤巷、半煤岩和岩巷掘进工作面的风量，应按下列因素分别计算，取其最大值。 （１）按瓦斯涌出量计算 式中 Qhi第i个掘进工作面的需风量，m3/min Qghi第i个掘进工作面的绝对瓦斯涌出量；m3/min kghi第i个掘进工作面的瓦斯涌出不均匀和备用风量系数。一般可取1.52.0。 （2）按炸药量计算 式中 25使用1kg炸药的供风量，m3/min; Ahi第i个掘进工作面一次爆破所用的最大炸药量，kg （3）按局部通风机吸风量计算 式中 第i个掘进工件面同时运转的局部通风机额定风量的和。 khfi为防止局部通风机吸循环风的风量备用系数，一般取1.21.3；进风巷道中无瓦斯涌出时取1.2，有瓦斯涌出时取1.3。 （４）按工作人员数量计算 式中 nhi第i个掘进工作面同时工作的最多人数，人。 （５）按风速进行验算 按最小风速验算，各个岩巷掘进工作面最小风量 各个煤巷或半煤岩巷掘进工作面的最小风量； 按最高风速验算，各个掘进工作面的最大风量 式中 shi第i个掘进工作面巷道的净断面积，m2 ３、硐室需风量计算 独立通风硐室的供风量，应根据不同类型的硐室分别进行计算 （１）机电硐室 发热量大的机电硐室，按硐室中运行的机电设备发热量进行计算 式中 Qri第个机电硐室的需风量，m3/min 机电硐室中运转的电动机（变压器）总功率，KW θ机电硐室的发热系数， ρ空气密度，一般取1.25kg/m3 cp空气的定压比热，一般可取1KJ/kgk Δt机电硐室进、回风流的温度差，℃ 采区变电所及变电硐室，可按经验值确定需风量 Qri6080 m3/min （2）爆破材料库 Qri4*V/60 式中 v库房空积，m3 （3）充电硐室 按其回风流中氢气浓度小于0.5计算 Qri200*qrhi 式中 qrhi第个充电硐室在充电时产生的氢气量，m3/min。 5、矿井总风量计算 矿井的总进风量，应按采煤、掘进、硐室及其他地点实际需要风量的总和 式中∑Qwl采煤工作面和备用工作面所需风量之和，m3/min； ∑Qhl掘进工作面所需风量之和，m3/min； ∑Qrl硐室所需风量之和，m3/min； km矿井通风系统（包括矿井内部漏风和配风不均匀等因素）备用系数，宜取1.151.25。 四、矿井通风总阻力计算 一 矿井通风总阻力计算原则 1、矿井通风设的总阻力，不应超过2940Pa。 2、矿井井巷的局部阻力，新建矿井按井巷摩擦阻力的10计算，扩建矿井宜按井巷摩擦阻力的15计算。 （二）矿井通风总阻力计算 矿井通风总阻力风流由进风井口起，到回风井口止，沿一条通路（风流路线）各个分支的摩擦阻力和局部阻力的总和，简称矿井总阻力，用hm表示。 对于矿井有两台或多台风主要通风机工作，矿井通风阻力按每台主要通风机所服务的系统分别计算。 在主要通风机的服务年限内，随着采煤工作面及采区接替的变化，通风系统的总阻力也将因之变化。当根据风量和巷道参数直接判定最大总阻力路线时，可按该路线的阻力计算矿井总阻力；当不能直接判定时，应选几条可能是最大的路线进行计算比较，然后定出该时期的矿井总阻力。 矿井通风系统总阻力最小时称通风容易时期。通风系统总阻力最大时亦称为通风困难时期。 对于通风困难和容易时期，要分别画出通风系统图。按照采掘工作面及硐室的需要分配风量，再由各段风路的阻力计算矿井总阻力。 计算方法 沿着风流总阻力最大路线，依次计算各段摩擦阻力 hf，然后分别累计得出容易和困难时期的总摩擦阻力 hf1 和 hf2。 通风容易时期总阻力 通风困难时期总阻力 hf 按下式计算 式中 五、矿井通风设备的选择 矿井通风设备是指主要通风机和电动机。 （一）矿井通风设备的要求 1、矿井必须装设两套同等能力的主通风设备，其中一套作备用。 2、选择通风设备应满足第一开采水平各个时期工况变化，并使通风设备长期高效率运行。 3、风机能力应留有一定的余量。 4、进、出风井井口的高差在150m以上，或进、出风井井口标高相同，但井深400m以上时，宜计算矿井的自然风压。 （二）主要通风机的选择 1、计算通风机风量Qf 式中 Qf主要通风机的工作风量，m3/s; Qm矿井需风量，m3/s； k漏风损失系数，风井不提升用时取1.1；箕斗井兼作 回砚用时取1.15；回风回升降人员时取1.2。 2、计算通风机风压 离心式通风机（提供的大多是全压曲线） 容易时期 困难时期 轴流式通风机（提供的大多是静压曲线） 容易时期 困难时期 hm－－通风系统的总阻力； hd－－通风机附属装置（风硐和扩散器）的阻力； hvd －－扩散器出口动能损失； ＨN－－自然风压，当自然风压与通风机风压作用相同时取“”；自然风压与通风机负压作用反向时取“-”。 3、初选通风机 根据计算的矿井通风容易时期通风机的Qf、Hsdmin或Htdmin和矿井通风困难通风机的Qf、Hsdmax或Htdmax在通风机特性曲线上，选出满足矿井通风要求的通风机。 4、求通风机的实际工况点 因为根据Qf、Hsdmin或Htdmin和Qf、Hsdmax或Htdmax确定的工况点，但设计工况点不一定恰好在所选择通风机的特性曲线上，必须根据通风机的工作阻力，确定其实际工况点。步骤 1）计算通风机的工作风阻 用静压特性曲线时 用全压特性曲线时 2）确定通风机的实际工况点 在通风机特性曲线上作通风机工作风阻曲线，与风压曲线的交点即为实际工况点。 5、确定通风的型号和转速 根据通风机的工况参数（Qf 、Hsd 、η、N）对初选的通风机进行技术、经济和安全性比较，最后确定通风机的型号和转速。 6、电动机选择 （１）通风机的输入功率按通风容易和困难时期，分别计算风所需的输入功率Nmin ，Ｎmax 。 （２）、电动机的台数及种类 当Nmin≥0.6Nmax时，可选一台电动机，电动机功率为 当Nmin＜0.6Nmax时，选二台电动机，其功率分别为 初期 后期按选一台电机公式计算。ηe 电机效率，ηtr传动效率。 六、概算矿井通风费用 吨煤通风成本是通风设计和管理的重要经济指标。 吨煤通风成本主要包括下列费用 1、电费（W1） 吨煤的通风电费为主要通风机年耗电费及井下辅助通风机、局部通风机电费之和除以年产量，可用如下公式计算 E主要通风机年耗电量， D电价，元/KWh； T矿井年产量，吨； ηv变压器效率，可取0.95； EA局部通风机和辅助通风机的年耗电量； ηw电缆输电效率 2、设备折旧费 3、材料消耗费用 4、通风工作人员工资费用 5、专为通风服务的井巷工程折旧费和维护费折算至吨煤的费用。 6、采每吨煤的通风仪表的购置费和维修费用。 第五节 可控循环通风概述 可控循环通风是由英国学者S.J.LEACH和A.SLACK研究提出，七十年初在英国开始应用。之后，包括中国在内的许多国家也相继对可控循环通风进行了研究和应用。 定义在低瓦斯矿中，当采掘工作面位于矿井的边远地区，原有通风系统不能保证按需供风，而该地区的回风的风质又比较好时，可以在局部通风系统的进、回风之间安置通风设备、设施和监控设备，对回风进行合理循环控制加以再利用，以增加用风地点的实际风量。此种通风方法称为可控循环风。 循环率 17