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矿井通风系统与通风设计

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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
第七章  矿井通风系统与通风设计
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）。

第七章  矿井通风系统与通风设计
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。

第七章  矿井通风系统与通风设计
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。

第七章  矿井通风系统与通风设计
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。

第七章  矿井通风系统与通风设计
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。
第七章  矿井通风系统与通风设计
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。
第七章  矿井通风系统与通风设计
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。

上行通风
运煤方向     新风     污风

下行通风
运煤方向     新风     污风    
第七章  矿井通风系统与通风设计
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

第七章  矿井通风系统与通风设计
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。

＋
－
风门表示方式
＋
－
调节风门表示方式

第七章  矿井通风系统与通风设计
   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。

第七章  矿井通风系统与通风设计
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。

第七章  矿井通风系统与通风设计
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
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。

表示方式

观察孔

放水孔

注浆孔
第七章  矿井通风系统与通风设计
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。
第七章  矿井通风系统与通风设计
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。
第七章  矿井通风系统与通风设计
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。
第七章  矿井通风系统与通风设计
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。
第七章  矿井通风系统与通风设计
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。

第七章  矿井通风系统与通风设计
三、矿井风量计算
㈠、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。
    ⑴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；
    ⑵按采煤、掘进、硐室及其他实际需要风量的总和进行计算。
㈡、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kgwi=1.2~1.6 炮采工作面 	            取 kgwi=1.4~2.0,水采工作面取kgwi=2.0~3.0。
第七章  矿井通风系统与通风设计
⑵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。
第七章  矿井通风系统与通风设计
⑶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。
⑷ 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。
⑸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：
 
第七章  矿井通风系统与通风设计
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。
⑴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1.5~2.0。
⑵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

第七章  矿井通风系统与通风设计
⑶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 	          1.2~1.3；进风巷道中无瓦斯涌出时取1.2，有瓦斯涌                	          出时取1.3。
⑷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。
⑸按风速进行验算
按最小风速验算，岩巷掘进面最小风量：
                                     
各个煤巷或半煤岩巷掘进面的最小风量；
                               
按最高风速验算，掘进面的最大风量：
                            
式中  shi——第i个掘进工作面巷道的净断面积，m2
第七章  矿井通风系统与通风设计
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：
 ⑴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
                                             m3/min
                                                                        
第七章  矿井通风系统与通风设计
⑵爆破材料库
                                   
  式中  v——库房空积，m3
⑶充电硐室
  按其回风流中氢气浓度小于0.5%计算
                
  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1.15~1.25。
第七章  矿井通风系统与通风设计
四、矿井通风总阻力计算
㈠ 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。
㈡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。
   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。
第七章  矿井通风系统与通风设计
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
第七章  矿井通风系统与通风设计
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。
㈠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。
㈡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。

第七章  矿井通风系统与通风设计
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“-”。
第七章  矿井通风系统与通风设计
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：
第七章  矿井通风系统与通风设计
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。
Q(m3/s)
H (Pa)

(Hmin,Qfmin)
(Hmax,Qfmax)
Rmax
Rmin

Mmax
Mmin
第七章  矿井通风系统与通风设计
 6、电动机选择
⑴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  。

或

⑵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。
第七章  矿井通风系统与通风设计
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。
第七章  矿井通风系统与通风设计
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：

Qc
Q

循环风机  
第七章  矿井通风系统与通风设计
第七章  矿井通风系统与通风设计
第七章  矿井通风系统与通风设计

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