矿井通风系统与通风设计.ppt

第七章 矿井通风系统与 通风设计,第一节 矿井通风系统,第二节 采区通风系统,第三节 通风构筑物及漏风,第四节 矿井通风设计,1.上次课内容回顾 1)、上次课所讲的主要内容 1、局部通风方法-压入式、抽出式、混合式、可控循环风，全风通风，2、掘进工作面需风量计算-压入式、抽出式、混合式、按瓦斯、粉尘、炸药等 3、局部通风装备-风筒-种类、阻力、漏风、安装；4、局部通风机-性能、联合运行 5、局部通风系统设计-原则、步骤 6、掘进安全技术装备系列化 2)、能解决的实际问题 1)采用何种局部通风方法；2)局部通风选型设计；3)矿井局部风量调节、矿井总风量调节,2、本章的重点：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3、本章的难点：矿井通风设计,4、本章的思考题 1）局部工作地点需风量应如何计算？2）生产工作地点风量应如何计算？3）在生产地点，适宜风速多少合适，其依据是什么？,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）。,中央并列式,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。,两翼对角式,分区对角式,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。,串联通风，必须在进入被串联工作面的风流中装设甲烷断电仪，且瓦斯和二氧化碳浓度都不得超过0.5%，其他有害气体浓度都应符合本规程第一百条的规定。,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：、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。、上行风比下行风工作面的气温要高。、下行风比上行风所需要的机械风压要大；、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,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,观察孔,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(1)外部漏风：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。(2)内部漏风：、采用中央并列式通风系统中时进、回风井保持一定距离防止井筒漏风；、进回风巷间的岩柱和煤柱要保持足够的尺寸，防止被压裂而漏风，进、回间应尽量减少联络巷，必须设置两道以上的高质量的风门及两道反向风门；、提高构筑物的质量，防止漏风，加强通风构筑物的严密性是防止矿井漏风的基本措施；、采空区要注浆、洒浆、洒水等，可提高压实程度，减少漏风；、利用箕斗中回风时，井底煤仓要有一定煤量，防止漏风；、采空区和不用的风眼及时封闭。,第四节 矿井通风设计一、矿井通风设计的内容与要求 其基本任务是建立一个安全可靠、技术先进和经济合理的矿井通风系统。矿井通风设计一般分为两个时期，即基建时期与生产时期，分别进行设计。1、基建时期的通风：多采用局扇通风，当进、回风井贯通后，主要通风机安装完毕后，可采用全风压通风。2、矿井生产时期的通风：指矿井正常投产后，全矿井开拓、采煤、准备及其他井巷的通风。矿井服务年限不长时（1520年）只做一次设计，初期为容易时期，后期为困难时期，根据这两个时期选择通风设备。矿井服务年限较长时，可分两期或更多设计，一般为第一水平为第一期，对根据该时期的通风容易和困难时期来选择通风设备。第二期的通风设计一般只做原则上规划。,3、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。4、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；特殊的矿井还要进行矿井空气温度调节的计算。,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。,、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 每个回采工作面实际需要风量，应按瓦斯、二氧化碳涌出量和爆破后的有害气体产生量以及工作面气温、风速和人数等规定分别进行计算，然后取其中最大值。,(1)、低瓦斯矿井的采煤工作面按气象条件或瓦斯涌出量（用瓦斯涌出量计算，采用高瓦斯计算公式）确定需要风量，其计算公式为：Q采=Q基本K采高K采面长K温 式中:Q采采煤工作面需要风量，m3/min；Q基本不同采煤方式工作面所需的基本风量，m3/min。Q基本工作面控顶距工作面实际采高工作面有效断面70%适宜风速（不小于1m/s）；K采高回采工作面采高调整系数（见下表）；K采面长回采工作面长度调整系数（见下表）；K温回采工作面温度调整系数（见下表）。,K采高回采工作面采高调整系数,K采面长回采工作面长度调整系数,K温回采工作面温度与对应风速调整系数,(2)、高瓦斯矿井：按照瓦斯（或二氧化碳）涌出量计算。根据煤矿安全规程规定，按回采工作面回风流中瓦斯（或二氧化碳）的浓度不超过1的要求计算：式中：Q采回采工作面实际需要风量，m3/min；q采回采工作面回风巷风流中瓦斯（或二氧化碳）的平均绝对涌出量，m3/min；KCH4采面瓦斯涌出不均衡通风系数。（正常生产条件下，连续观测1个月，日最大绝对瓦斯涌出量与月平均日瓦斯绝对涌出量的比值）。,工作面布置有专用排瓦斯巷（俗称尾巷，且符合煤矿安全规程第一百三十七条的规定）的回采工作面风量计算:式中：qCH4尾采煤工作面尾巷的风排瓦斯量，m3/min。其他符号的含义同上。,(3)、按工作面温度择适宜的风速进行计算（见上表）:式中：V采采煤工作面风速，m/s；S采采煤工作面的平均断面积，m2。(4)、按回采工作面同时作业人数和炸药量计算需要风量：每人供风4m3/min：Q采4N（m3/min）每千克炸药供风25m3/min：Q采25A（m3/min）式中：N工作面最多人数，A一次爆破炸药最大用量，Kg。,(5)、按风速进行验算：15SQ采240S（m3/min）式中：S工作面平均断面积，m2。备用工作面亦应满足按瓦斯、二氧化碳、气温等规定计算的风量，且最少不得低于采煤工作面实际需要风量的50%。,2、掘进工作面的需要风量 和回采工作面所需风量的计算方法基本相同。(1)、按照瓦斯（或二氧化碳）涌出量计算：式中:Q掘单个掘进工作面需要风量，m3/min；q掘掘进工作面回风流中瓦斯（或二氧化碳）的绝对涌出量，m3/min；K掘通瓦斯涌出不均衡通风系数。（正常生产条件下，连续观测1个月，日最大绝对瓦斯涌出量与月平均日瓦斯绝对涌出量的比值）。按二氧化碳的涌出量计算需要风量时，可参照瓦斯涌出量计算方法进行。,(2)、按局部通风机实际吸风量计算需要风量:岩巷掘进：Q掘=Q扇Ii+9S煤巷掘进：Q掘=Q扇Ii+15S 式中：Q扇局部通风机实际吸风量，m3/min。安设局部通风机的巷道中的风量，除了满足局部通风机的吸风量而外，还应保证局部通风机吸入口至掘进工作面回风流之间的风速岩巷不小于0.15m/s、煤巷和半煤巷不小于0.25m/s,以防止局部通风机吸入循环风和这段距离内风流停滞，造成瓦斯积聚；Ii掘进工作面同时通风的局部通风机台数。,(3)、按回采工作面同时作业人数和炸药量计算需要风量：每人供风4m3/min：Q采4N（m3/min）每千克炸药供风25m3/min：Q采25A（m3/min）式中：N工作面最多人数，A一次爆破炸药最大用量，Kg。(4)、按风速进行验算:岩巷掘进最低风量，Q岩掘9S掘（m3/min）煤巷掘进最低风量，Q煤掘15S掘（m3/min）岩煤巷道最高风量，Q掘240S掘（m3/min）,、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：（）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 机电硐室的发热系数，空气密度，一般取1.25kg/m3cp空气的定压比热，一般可取1KJ/kgkt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,（2）爆破材料库 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 式中 qrhi第个充电硐室在充电时产生的氢气量，m3/min5、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3000Pa。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。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。hf 按下式计算：通风容易时期总阻力：通风困难时期总阻力：,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(同型号)的主要通风设备，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，轴流式其叶片安装角度要比允许角度小5，离心式的转速不大于最高允许转速的90%。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；箕斗井兼作回风用时取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；N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、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，max。或,(2)、电动机的台数及种类 当Nmin0.6Nmax时，可选一台电动机，电动机功率为：当Nmin0.6Nmax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。e：电机效率(0.9 0.94)，tr：传动效率(直联时取1，皮带传动取0.95)，ke：电动机容量备用系数，(1.1 1.2间)。电动机功率在400500kw以上时，宜选用同步电动机。其优点是在低负荷运转时，可用来改善电网功率因数，使矿井经济用电，缺点是这种电动机的购置和安装费用较高。,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）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。,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：矿井仅选一台电机时：矿井选两台电机时：E主要通风机年耗电量，D电价，元/KWh；T矿井年产量，吨；v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；w电缆输电效率,本章小结,1、本章的主要内容瓦斯概念、煤层瓦斯赋存与含量、矿井瓦斯涌出、瓦斯喷出与突出、瓦斯爆炸与预防、瓦斯抽放本章的难点：瓦斯含量的概念和影响因素、瓦斯涌出量的概念和影响因素煤与瓦斯突出瓦斯爆炸及其预防教学难点：突出机理影响瓦斯爆炸浓度的参数瓦斯含量及瓦斯涌出量的影响因素。2、重点 通风构筑物，漏风，漏风率，有效风量率的计算，矿井通风设计、主要通风机选型。3、难点 矿井通风系统设计,4、解决的实际问题 1)进行矿井通风系统比较；2)采区进、回风上、下山的选择；3)工作面上、下行风的选择；4)工作面通风系统的选择；5)矿井有效风量率的计算及有控制；6)矿井通风系统设计。5、下章课所讲内容 矿井空气调节概论6、作业 1、2、3、4、5,