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礦井通風系統與通風設計

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第七章  礦井通風系統與通風設計
本章主要內容
1、礦井通風系統----類型、適應條件、主要通風機工作方式 、安裝地點、通風系統的選擇
2、采區通風----基本要求、進回風上山選擇、采煤工作面通風系統
3、通風構筑物及漏風----風門、風橋、密閉、導風板；礦井漏風、漏風率、有效風量率、減少漏風措施
4、礦井通風設計----內容與要求、優選通風系統、礦井風量計算、阻力計算、通風設備選擇
5、可控循環通風
第七章  礦井通風系統與通風設計
第一節    礦井通風系統
     礦井通風系統是向礦井各作業地點供給新鮮空氣、排出污濁空氣的通風網路、通風動力和通風控制設施的總稱。
一、礦井通風系統的類型及其適用條件
      按進、回井在井田內的位置不同，通風系統可分為中央式、對角式、區域式及混合式。
1、中央式
      進、回風井均位于井田走向中央。根據進、回風井的相對位置，又分為中央并列式和中央邊界式（中央分列式）。

第七章  礦井通風系統與通風設計
2、對角式 
    1）兩翼對角式
    進風井大致位于井田走向的中央，兩個回風井位于井田邊界的兩翼（沿傾斜方向的淺部），稱為兩翼對角式，如果只有一個回風井，且進、回風分別位于井田的兩翼稱為單翼對角式。

2）分區對角式
   進風井位于井田走向的中央，在各采區開掘一個不深的小回風井，無總回風巷。

第七章  礦井通風系統與通風設計
3、區域式
      在井田的每一個生產區域開鑿進、回風井，分別構成獨立的通風系統。如圖。

4、混合式  
      由上述諸種方式混合組成。例如，中央分列與兩翼對角混合式，中央并列與兩翼對角混合式等等。

第七章  礦井通風系統與通風設計
二、主要通風機的工作方式與安裝地點
   主要通風機的工作方式有三種：抽出式、壓入式、壓抽混合式。                  
1、抽出式   
   主要通風機安裝在回風井口，在抽出式主要通風機的作用下，整個礦井通風系統處在低于當地大氣壓力的負壓狀態。當主要通風機因故停止運轉時，井下風流的壓力提高，比較安全。
2、壓入式 
   主要通風機安設在入風井口，在壓入式主要通風機作用下，整個礦井通風系統處在高于當地大氣壓的正壓狀態。在冒落裂隙通達地面時，壓入式通風礦井采區的有害氣體通過塌陷區向外漏出。當主要通風機因故停止運轉時，井下風流的壓力降低。
3、壓抽混合式 
   在入風井口設一風機作壓入式工作，回風井口設一風機作抽出式工作。通風系統的進風部分處于正壓，回風部分處于負壓，工作面大致處于中間，其正壓或負壓均不大，采空區通連地表的漏風因而較小。其缺點是使用的通風機設備多，管理復雜。

第七章  礦井通風系統與通風設計
三、礦井通風系統的選擇
   	根據礦井設計生產能力、煤層賦存條件、表土層厚度、井田面積、地溫、礦井瓦斯涌出量、煤層自燃傾向性等條件，在確保礦井安全、兼顧中、后期生產需要的前提下，通過對多種個可行的礦井通風系統方案進行技術經濟比較后確定。
	   中央式通風系統具有井巷工程量少、初期投資省的優點。因此，礦井初期宜優先采用。
	   有煤與瓦斯突出危險的礦井、高瓦斯礦井、煤層易自燃的礦井及有熱害的礦井，應采用對角式或分區對角式通風；
	   當井田面積較大時，初期可采用中央通風，逐步過渡為對角式或分區對角式。
	   礦井通風方法一般采用抽出式。當地形復雜、露頭發育老窯多、采用多風井通風有利時，可采用壓入式通風。
第七章  礦井通風系統與通風設計
第二節   采區通風系統
	   采區通風系統是礦井通風系統的主要組成單元, 包括：采區進風、回風和工作面進、回風巷道組成的風路連接形式及采區內的風流控制設施。
一、采區通風系統的基本要求
1、每一個采區， 都必須布置回風道，實行分區通風。
2、采煤和掘進工作面應獨立通風系統。有特殊困難必須串聯通風時應符合有關規定。
3、煤層傾角大于12°的采煤工作面采用下行通風時，報礦總工程師批準，
4、采煤和掘進工作面的進風和回風，都不得經過采空區或冒落區。
二、采區進風上山與回風上山的選擇
     上（下）山至少要有兩條；對生產能力大的采區可有3條或4條上山。
1、軌道上山進風，運輸機上山回風
2、運輸機上山進風、軌道上山回風
比較：軌道上山進風，新鮮風流不受煤炭釋放的瓦斯、煤塵污染及放熱影響，輸送機上山進風，運輸過程中所釋放的瓦斯，可使進風流的瓦斯和煤塵濃度增大，影響工作面的安全衛生條件。
第七章  礦井通風系統與通風設計
三、采煤工作面上行風與下行風
   上行風與下行風是指進風流方向與采煤工作面的關系而言。當采煤工作面進風巷道水平低于回風巷時，采煤工作面的風流沿傾斜向上流動，稱上行通風，否則是下行通風。

優缺點：
  １、下行風的方向與瓦斯自然流向相反，二者易于混合且不易出現瓦斯分層流動和局部積存的現象。
  ２、上行風比下行風工作面的氣溫要高。
  ３、下行風比上行風所需要的機械風壓要大；
  ４、下行風在起火地點瓦斯爆炸的可能性比上行風要大。

上行通風
運煤方向     新風     污風

下行通風
運煤方向     新風     污風    
第七章  礦井通風系統與通風設計
四、工作面通風系統
1、U型與Z型通風系統

2、Y型、W型及雙Z型通風系統

3、H型通風系統

第七章  礦井通風系統與通風設計
第三節   通風構筑物及漏風
   礦井通風系統網路中適當位置安設的隔斷、引導和控制風流的設施和裝置，以保證風流按生產需要流動。這些設施和裝置，統稱為通風構筑物。
一、通風構筑物
  分為兩大類：一類是通過風流的通風構筑物，如主要通風機風硐、反風裝置、風橋、導風板和調節風窗；另一類是隔斷風流的通風構筑物，如井口密閉、擋風墻、風簾和風門等 。
  1、風門   按設地點：在通風系統中既要隔斷風流又要行人或通車的地方應設立風門。在行人或通車不多的地方，可構筑普通風門。而在行人通車比較頻繁的主要運輸道上，則應構筑自動風門。

＋
－
風門表示方式
＋
－
調節風門表示方式

第七章  礦井通風系統與通風設計
   設置風門的要求：
  （1）每組風門不少于兩道，通車風門間距不小于一列車長度，行人風門間距不小于5m。入排風巷道之間要需設風門處同時設反向風門，其數量不少于兩道；
  （2）風門能自動關閉；通車風門實現自動化，礦井總回風和采區回風系統的風門要裝有閉鎖裝置；風門不能同時敞開（包括反風門）；
  （3）門框要包邊沿口，有墊襯，四周接觸嚴密，門扇平整不漏風，門扇與門框不歪扭。門軸與門框要向關門方向傾斜80°至85°；
  （4）風門墻垛要用不燃材料建筑，厚度不小于0.5m，嚴密不漏風；
  墻垛周邊要掏槽，見硬頂、硬幫與煤巖接實。墻垛平整，無裂縫、重縫和空縫；
  （5）風門水溝要設反水池或擋風簾，通車風門要設底坎，電管路孔要堵嚴；風門前后各5m內巷道支護良好，無雜物、積水、淤泥。

第七章  礦井通風系統與通風設計
2、風橋
   當通風系統中進風道與回風道需水平交叉時，為使進風與回風互相隔開需要構筑風橋。按其結構不同可分為三種。
1）繞道式風橋    開鑿在巖石里，最堅固耐用，漏風少。

2）混凝土風橋    結構緊湊，比較堅固。

3）鐵筒風橋      可在次要風路中使用。

第七章  礦井通風系統與通風設計
3、密閉
   密閉是隔斷風流的構筑物。設置在需隔斷風流、也不需要通車行人的巷道中。密閉的結構隨服務年限的不同而分為兩類：
  1）臨時密閉，常用木板、木段等修筑，并用黃泥、石灰抹面。
  2）永久密閉，常用料石、磚、水泥等不燃性材料修筑。

4、導風板
應用以下幾種導風板。
  1）引風導風板；
  2）降阻導風板；
  3）匯流導風板。

表示方式

觀察孔

放水孔

注漿孔
第七章  礦井通風系統與通風設計
二、漏風及有效風量
1、礦井漏風及其危害性
  有效風量：礦井中流至各用風地點，起到通風作用的風量。
  漏風：未經用風地點而經過采空區、地表塌陷區、通風構筑物和煤柱裂隙等通道直接流（滲）入回風道或排出地表的風量。
  漏風的危害：使工作面和用風地點的有效風量減少，氣候和衛生條件惡化，增加無益的電能消耗，并可導致煤炭自燃等事故。減少漏風、提高有效風量是通風管理部門的基本任務。
2、漏風的分類及原因
1）漏風的分類    
   礦井漏風按其地點可分為：（1）外部漏風（或稱井口漏風）泛指地表附近如箕斗井井口，地面主通風機附近的井口、防爆蓋、反風門、調節閘門等處的漏風。（2）內部漏風（或稱井下漏風）是指井下各種通風構筑物的漏風、采空區以及碎裂的煤柱的漏風。
2）漏風的原因
   當有漏風通路存在，并在其兩端有壓差時，就可產生漏風。漏風風流通過孔隙的流態，視孔隙情況和漏風大小而異。
第七章  礦井通風系統與通風設計
3、礦井漏風率及有效風量率
1）礦井有效風量Qe
   是指風流通過井下各工作地點實際風量總和。
2）礦井有效風量率
   礦井有效風量率是礦井有效風量Qe與各臺主要通風機風量總和之比。礦井有效風量率應不低于85%。
3）礦井外部漏風量
   指直接由主要通風機裝置及其風井附近地表漏失的風量總和?？捎酶髋_主要通風機風量的總和減去礦井總回（或進）風量。
4）礦井外部漏風率
   指礦井外部漏風量QL與各臺主要通風機風量總和之比。
   礦井主要通風機裝置外部漏風率無提升設備時不得超過5％，有提升設備時不得超過15％。
4、減少漏風、提高有效風量
   漏風風量與漏風通道兩端的壓差成正比，和漏風風阻的大小成反比。應增加地面主要通風機的風硐、反風道及附近的風門的氣密性，以減少漏風。
第七章  礦井通風系統與通風設計
第四節   礦井通風設計
一、礦井通風設計的內容與要求 
１、礦井通風設計的內容
確定礦井通風系統；
礦井風量計算和風量分配；
礦井通風阻力計算；
選擇通風設備；
概算礦井通風費用。
２、礦井通風設計的要求
將足夠的新鮮空氣有效地送到井下工作場所，保證生產和良好的勞動條件；
通風系統簡單，風流穩定，易于管理，具有抗災能力；
發生事故時，風流易于控制，人員便于撤出；
有符合規定的井下環境及安全監測系統或檢測措施；
通風系統的基建投資省，營運費用低、綜合經濟效益好。
第七章  礦井通風系統與通風設計
二、優選礦井通風系統  
1、礦井通風系統的要求
   1)每一礦井必須有完整的獨立通風系統。
   2)進風井囗應按全年風向頻率，必須布置在不受粉塵、煤塵、灰塵、有害氣體和高溫氣體侵入的地方。
   3)箕斗提升井或裝有膠帶輸送機的井筒不應兼作進風井，如果兼作回風井使用，必須采取措施，滿足安全的要求。
   4)多風機通風系統，在滿足風量按需分配的前提下，各主要通風機的工作風壓應接近。
   5)每一個生產水平和每一采區，必須布置回風巷，實行分區通風。
   6)井下爆破材料庫必須有單獨的新鮮風流，回風風流必須直接引入礦井的總回風巷或主要回風巷中。
   7)井下充電室必須單獨的新鮮風流通風，回風風流應引入回風巷。
第七章  礦井通風系統與通風設計
２、確定礦井通風系統
    根據礦井瓦斯涌出量、礦井設計生產能力、煤層賦存條件、表土層厚度、井田面積、地溫、煤層自燃傾向性及兼顧中后期生產需要等條件，提出多個技術上可行的方案，通過優化或技術經濟比較后確定礦井通風系統。

第七章  礦井通風系統與通風設計
三、礦井風量計算
㈠、礦井風量計算原則
    礦井需風量，按下列要求分別計算，并必須采取其中最大值。
    ⑴按井下同時工作最多人數計算，每人每分鐘供給風量不得少于4m3；
    ⑵按采煤、掘進、硐室及其他實際需要風量的總和進行計算。
㈡、礦井需風量的計算
1、采煤工作面需風量的計算
   采煤工作面的風量應該按下列因素分別計算，取其最大值。
(1)按瓦斯涌出量計算：

式中：Qwi——第i個采煤工作面需要風量，m3/min 
         Qgwi——第  i個采煤工作面瓦斯絕對涌出量，m3/min 
         kgwi——第i個采煤工作面因瓦斯涌出不均勻的備用風量系     	            數，通常機采工作面取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  礦井通風系統與通風設計
⑵按工作面進風流溫度計算：
   采煤工作面應有良好的氣候條件。其進風流溫度可根據風流溫度預測方法進行計算。其氣溫與風速應符合表中的要求：

采煤工作面的需要風量按下式計算：

式中  
      vwi—第i個采煤工作面的風速，按其進風流溫度從表中??；m/s, 
         Swi—第i個采煤工作面有效通風斷面，取最大和最小控頂時有        	       效斷面的平均值，m2 ；
         kwi——第i 個工作面的長度系數。
第七章  礦井通風系統與通風設計
⑶按使用炸藥量計算：

式中25——每使用1kg炸藥的供風量，m3/min；
          ——第i個采煤工作面一次爆破使用的最大炸藥量，kg。
⑷ 按工作人員數量計算：
                            
    式中 4——每人每分鐘應供給的最低風量，m3/min 
       nwi——第i 個采煤工作面同時工作的最多人數,個。
⑸按風速進行驗算
    按最低風速驗算各個采煤工作面的最小風量：

按最高風速驗算各個采煤工作面的最大風量：
 
第七章  礦井通風系統與通風設計
２、掘進工作面需風量的計算：
   煤巷、半煤巖和巖巷掘進工作面的風量，應按下列因素分別計算，取其最大值。
⑴按瓦斯涌出量計算：
                                                
    
    式中  Qhi ——第i個掘進工作面的需風量，m3/min
          Qghi——第i個掘進工作面的絕對瓦斯涌出量；m3/min
          kghi——第i個掘進工作面的瓦斯涌出不均勻和備用風量系 	              數。一般可取1.5~2.0。
⑵按炸藥量計算
                                                 
  
    式中    25——使用1kg炸藥的供風量，m3/min;
           Ahi——第i個掘進工作面一次爆破所用的最大炸藥量，kg

第七章  礦井通風系統與通風設計
⑶按局部通風機吸風量計算

式中      ——第i個掘進工件面同時運轉的局部通風機額定風量的和。  
      khfi——為防止局部通風機吸循環風的風量備用系數，一般取 	          1.2~1.3；進風巷道中無瓦斯涌出時取1.2，有瓦斯涌                	          出時取1.3。
⑷按工作人員數量計算

式中 nhi——第i個掘進工作面同時工作的最多人數，人。
⑸按風速進行驗算
按最小風速驗算，巖巷掘進面最小風量：
                                     
各個煤巷或半煤巖巷掘進面的最小風量；
                               
按最高風速驗算，掘進面的最大風量：
                            
式中  shi——第i個掘進工作面巷道的凈斷面積，m2
第七章  礦井通風系統與通風設計
３、硐室需風量計算
    獨立通風硐室的供風量，應根據不同類型的硐室分別進行計算：
 ⑴機電硐室
    發熱量大的機電硐室，按硐室中運行的機電設備發熱量進行計算：

式中  Qri——第個機電硐室的需風量，m3/min
             ——機電硐室中運轉的電動機（變壓器）總功率，KW
           θ——機電硐室的發熱系數，
       ρ——空氣密度，一般取1.25kg/m3
      cp ——空氣的定壓比熱，一般可取1KJ/kgk
      Δt——機電硐室進、回風流的溫度差，℃
   采區變電所及變電硐室，可按經驗值確定需風量
                                             m3/min
                                                                        
第七章  礦井通風系統與通風設計
⑵爆破材料庫
                                   
  式中  v——庫房空積，m3
⑶充電硐室
  按其回風流中氫氣濃度小于0.5%計算
                
  式中 qrhi——第個充電硐室在充電時產生的氫氣量，m3/min
5、礦井總風量計算
  礦井的總進風量，應按采煤、掘進、硐室及其他地點實際需要風量的總和:            
  式中∑Qwl——采煤工作面和備用工作面所需風量之和，m3/min；
      ∑Qhl——掘進工作面所需風量之和，m3/min；
      ∑Qrl——硐室所需風量之和，m3/min；
         km——礦井通風系統（包括礦井內部漏風和配風不均勻等因素）備用系數，宜取1.15~1.25。
第七章  礦井通風系統與通風設計
四、礦井通風總阻力計算
㈠ 礦井通風總阻力計算原則
1、礦井通風設的總阻力，不應超過2940Pa。
2、礦井井巷的局部阻力，新建礦井按井巷摩擦阻力的10%計算，擴建礦井宜按井巷摩擦阻力的15%計算。
㈡礦井通風總阻力計算
   礦井通風總阻力：風流由進風井口起，到回風井口止，沿一條通路（風流路線）各個分支的摩擦阻力和局部阻力的總和，簡稱礦井總阻力，用hm表示。
   對于礦井有兩臺或多臺風主要通風機工作，礦井通風阻力按每臺主要通風機所服務的系統分別計算。
   礦井通風系統總阻力最小時稱通風容易時期。通風系統總阻力最大時亦稱為通風困難時期。
   對于通風困難和容易時期，要分別畫出通風系統圖。按照采掘工作面及硐室的需要分配風量，再由各段風路的阻力計算礦井總阻力。
第七章  礦井通風系統與通風設計
計算方法：        
   沿著風流總阻力最大路線，依次計算各段摩擦阻力  hf，然后分別累計得出容易和困難時期的總摩擦阻力  hf1  和  hf2。
   通風容易時期總阻力 ：

通風困難時期總阻力：

hf 按下式計算：

式中
第七章  礦井通風系統與通風設計
五、礦井通風設備的選擇
  礦井通風設備是指主要通風機和電動機。
㈠礦井通風設備的要求：
  1、礦井必須裝設兩套同等能力的主通風設備，其中一套作備用。
  2、選擇通風設備應滿足第一開采水平各個時期工況變化，并使通風設備長期高效率運行。
  3、風機能力應留有一定的余量。
  4、進、出風井井口的高差在150m以上，或進、出風井井口標高相同，但井深400m以上時，宜計算礦井的自然風壓。
㈡主要通風機的選擇
  1、計算通風機風量Qf

式中 Qf—主要通風機的工作風量，m3/s; 
          Qm—礦井需風量，m3/s；
          k—漏風損失系數，風井不提升用時取1.1；箕斗井兼作  回 	   硯用時取1.15；回風回升降人員時取1.2。

第七章  礦井通風系統與通風設計
2、計算通風機風壓
   離心式通風機（提供的大多是全壓曲線）：
   容易時期 
      
   困難時期 
   軸流式通風機（提供的大多是靜壓曲線）：
   容易時期 
      
   困難時期
      hm－－通風系統的總阻力；
      hd－－通風機附屬裝置（風硐和擴散器）的阻力；
     hvd－－擴散器出口動能損失；
     ＨN－－自然風壓，當自然風壓與通風機風壓作用相同時取“+”；	        自然風壓與通風機負壓作用反向時取“-”。
第七章  礦井通風系統與通風設計
3、初選通風機
   根據計算的礦井通風容易時期通風機的Qf、Hsdmin(或Htdmin)和礦井通風困難通風機的Qf、Hsdmax(或Htdmax)在通風機特性曲線上，選出滿足礦井通風要求的通風機。
4、求通風機的實際工況點
   因為根據Qf、Hsdmin(或Htdmin)和Qf、Hsdmax(或Htdmax)確定的工況點，但設計工況點不一定恰好在所選擇通風機的特性曲線上，必須根據通風機的工作阻力，確定其實際工況點。步驟：
1）計算通風機的工作風阻
   用靜壓特性曲線時：

用全壓特性曲線時：
第七章  礦井通風系統與通風設計
2）確定通風機的實際工況點
   在通風機特性曲線上作通風機工作風阻曲線，與風壓曲線的交點即為實際工況點。

5、確定通風的型號和轉速
   根據通風機的工況參數（Qf 、Hsd 、η、N）對初選的通風機進行技術、經濟和安全性比較，最后確定通風機的型號和轉速。
Q(m3/s)
H (Pa)

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

Mmax
Mmin
第七章  礦井通風系統與通風設計
 6、電動機選擇
⑴通風機的輸入功率按通風容易和困難時期，分別計算風所需的輸入功率Nmin  ，Ｎmax  。

或

⑵電動機的臺數及種類
  當Nmin≥0.6Nmax時，可選一臺電動機，電動機功率為：

當Nmin＜0.6Nmax時，選二臺電動機，其功率分別為：
       初期：

后期按選一臺電機公式計算。ηe ：電機效率，ηtr：傳動效率。
第七章  礦井通風系統與通風設計
六、概算礦井通風費用
    噸煤通風成本是通風設計和管理的重要經濟指標。
    噸煤通風成本主要包括下列費用：
1、 電費（W1）
    噸煤的通風電費為主要通風機年耗電費及井下輔助通風機、局部通風機電費之和除以年產量，可用如下公式計算：

E——主要通風機年耗電量，   D——電價，元/KWh；
    T——礦井年產量，噸；       ηv——變壓器效率，可取0.95；
    EA——局部通風機和輔助通風機的年耗電量；ηw——電纜輸電效率
2、設備折舊費
3、材料消耗費用
4、通風工作人員工資費用
5、專為通風服務的井巷工程折舊費和維護費折算至噸煤的費用。
6、采每噸煤的通風儀表的購置費和維修費用。
第七章  礦井通風系統與通風設計
第五節   可控循環通風概述
   可控循環通風是由英國學者S.J.LEACH和A.SLACK研究提出，七十年初在英國開始應用。之后，包括中國在內的許多國家也相繼對可控循環通風進行了研究和應用。
    定義：在低瓦斯礦中，當采掘工作面位于礦井的邊遠地區，原有通風系統不能保證按需供風，而該地區的回風的風質又比較好時，可以在局部通風系統的進、回風之間安置通風設備、設施和監控設備，對回風進行合理循環控制加以再利用，以增加用風地點的實際風量。此種通風方法稱為可控循環風。
   循環率：

Qc
Q

循環風機  
第七章  礦井通風系統與通風設計
第七章  礦井通風系統與通風設計
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