矿井通风与安全课程设计实例

矿井通风与安全第 1 页 共 26 页一、 矿井概况1.1 地质概况该矿地处平原、地面标高150m，井田走向长度 5km，倾斜方向长度 3.3km。井田上界以标高165m 为界，下界以标高1020m 为界，两边以断层为界，井田内煤层赋存稳定，井田可采储量约 1.08 亿吨。根据开采条件，煤炭供求状况及“规程”规定，确定此矿为年产 150 万吨的大型矿井，服务年限为 72 年。井田内有两个开采煤层，为 k1、k 2，在井田范围内，煤层赋存稳定，煤层 15，各煤层厚度、间距及顶底板岩性参见综合柱状图（详见下图 1） 。矿井相对瓦斯涌出量为 6.6m3/t，煤层有自然发火危险，发火期为 16 18 个月，煤尘有爆炸性，爆炸指数为36。表 1-1 综合柱状图柱状 厚度（米） 岩性描述240.00 表土，无流砂8.60 砂质页岩8.40 泥质细砂岩，沙质泥岩互层，稳定0.20 沙质泥岩，松软2.40 k2 煤层，块状 r1.254.20 灰色砂质泥岩，细砂岩互层，坚硬7.80 灰色砂质泥岩4.80 泥岩细砂岩互层4.60 薄层泥质细砂岩，稳定0.20 泥岩，松软2.80 k2 煤层煤质中硬 r1.288.20 灰白色砂岩坚硬抗压强度 600900 公斤/cm 224.86 灰色中、细砂岩层互层1.2 矿井开拓方式及开采方法根据开拓开采设计确定。采用立井多水平上下山开拓，由于本矿井型为 150 万吨/a，属于大型矿井，而且地处平原，井田走向长度 5km，倾斜方向长度 3.3km。为了方便安排矿井运输和提升系统，满足矿井的生产能力的要求，所以决定开凿一个主井和一个副井，主井为箕斗井提煤用，副井为罐笼井升降人员、材料、矸石，也作为进风井用，并设有梯子间。矿井通风与安全第 2 页 共 26 页第一水平标高380m，倾斜长为 8252m，服务年限为 27 年，因走向较短，两翼各布置一个采区。每个采区上山部分和下山部分各分为五个区段回采。每采区各布置一个综采工作面和一个高档普采工作面，工作面长度 150m，区段平巷及区段煤柱15m，综采工作面产量为在 k1 煤层时为 1620 吨/日，在 k2 煤层时 1935 吨/日，日进 6刀，截深 0.6m，高档普采工作面产量为 k1 煤层时为 1080 吨/ 日，k 2 煤层时 1290 吨/日，日进 4 刀，截深 0.6m，东翼还另布置一备用的高档普采工作面，综采工作面装备的部分机电设备如表 2 所示，采区巷道采用集中联合布置（图 1、图 2） 。采区轨道上山均布置在 k2 煤层的底板稳定细砂石中，区段回风平巷与运输上山，区段运输平巷与轨道上山采用石门连接，为了保证生产正常接替，前期东西两翼各安排两个独立通风的煤层平巷掘进头，后期东西两翼各安排两个独立通风的煤层平巷掘进头和一个岩石下山掘进头。东西两翼各有一个绞车房、变电所、火药库，亦需独立通风。主井为箕斗井提煤用，副井为罐笼井升降人员、材料、矸石，进风用，并设梯子间。部分巷道名称、长度、支护形式，断面几何参数见表 1。井内的气象参数按表 3 所列的平均值选取。矿井工作制：除综采工作面采用四六工作制外，其它均采用三八工作制。井下同时作业的最多人数为 700 人，综采工作面同时作业最多人数 40 人，高档普采工作面同时作业最多人数 60 人。二 矿井通风系统的选择矿井通风系统包括：通风方式（进、出风井的布置方式） ；通风方法（矿井主通风机的工作方法） ；通风网路。1 通风方式的确定通风方式一般可分为中央式，对角式，混合式三种。现分别分析如下，并从技术和经济两方面比较其优缺点，择优选用。1.1 中央式1）中央并列式在地形条件许可时，进风井和出风井大致并列在井田走向的中央，两井底都开掘到第一水平，主要通风机设在出风井的井口附近，将污风抽到地表，出风井的井底必须和总进风流隔开，出风井的井口一般用防爆门紧闭；还要在岩石中做条回风石门mn，煤层倾角越大、总回风石门越短，反之越长。矿井通风与安全第 3 页 共 26 页图 2-1 中央并列式注：用斜井开拓时，可以大致在走向的中央开掘一对并列斜井。2）中央并列式的适用条件煤层倾角大、埋藏深，但走向长度不大(4km)，瓦斯、自然发火都不严重，在此条件下，采用中央并列式是比较合理的。这种通风方式(和其它方式相比)，尽管存在着风路较长，阻力较大，采空区的漏风较大的缺点，但对于瓦斯、自然发火不严重的矿井来说，这并不很重要。同时，由于产生的阻力较大，通风电力费较大，进风与出风两井筒之间的漏风较大，箕斗井回风时外部漏风较大等，这些缺点对走向不大的矿井来说也不是一个很大的问题。相反，由于煤层倾角大，总回风石门长度小，开掘费小，两个井筒( 立井或斜井) 集中，便于开掘，开掘费也较少，便于贯通，建井期限较短，采用中央并列式通风方式，具有初期投资较少、出煤较快的优点。同时它的护井煤柱较小，且便于延深井筒，为深部通风的准备工作提供有利条件。3）中央分列式(又名中央边界式)进风井大致位于井田走向的中央，出风井大致位于井田浅部边界沿走向的中央，在沿倾斜方向上，出风井和进风井相隔段距离，出风井的井底高于进风井的井底，主要通风机设在出风井口附近；在井田走向的中央开凿主井和副井。图 2-2 中央分列式4）中央分列式的适用条件一般地说，这种通风方式适用于煤层倾角较小，埋藏较浅，走向长度不大(4km) ，而且瓦斯，自然发火比较严重的新建矿井。与中央并列式相比，这种通风方式的安全性要好，建井期限略长，有时初期投资稍大(多打一个出风井，少掘一条总回风石门)，矿井通风与安全第 4 页 共 26 页但相差不悬殊。如果中央有两个井筒，以后在延深井筒、做深部通风的准备工作时，也就不会困难，这种方式由于多打一个直通地面的回风井，所以矿井的通风阻力较小，内部漏风小，这对于瓦斯，自然发火的管理工作是比较有利的，增加了一个安全出口，工业广场设有主要通风机的噪音影响，从回风系统铺设防尘洒水管路系统都比较方便。1.2 对角式1) 两翼对角式进风井筒大致位于井田走向的中央，两个出风井筒分别位于两翼边界采区中央的浅部，主要通风机设在出风井口附近。为了开采深水平，有时把两翼风井设在两翼沿倾斜的中央和沿走向的边界附近。用斜井和平峒开拓时，可把下图中的立井改为斜井和平峒。图 2-3 两翼对角式2) 两翼对角式适用条件一般认为，这种布置方式(指对角风井位于浅部边界附近者)适用于煤层走向较大(超过 4km)、井型较大、煤层上部距地面较浅、瓦斯和自然发火严重的新建矿井。它的优缺点，完全和中央并列式相反，比中央分列式的安全性更好，但初期投资更大。如果能够进行相向掘进，就能适当减轻建井期限长，投产较晚的缺点。有些瓦斯等级不高，但煤层走向较长、产量较大的新矿井，也可采用这种通风方式。 3)分区对角式进风井大致位于井田走向的中央，在每个采区各掘一个小回风井，并分别安设抽出式分区主要通风机，可不必做总回风道。在图 95 中也可以用斜井代替立井，或者进风用垂直于走向(或平行于走向)的平峒，出风用斜井；或者进风和出风都用平峒。 图 2-4 分区对角式4)分区对角式适用条件煤层距地表浅，或因地表高低起伏较大，无法开掘浅部的总回风道(因会穿出地面)，矿井通风与安全第 5 页 共 26 页在此条件下，开采第一水平时，只能采用这种小风井(立井、斜井或平峒)分区通风的布置方式。每个采区各有独立的通风路线，互不影响，是这种通风方式的主要优点。1.3 混合式进风井与出风井由三个以上井筒按上述各种方式混合组成，其中有中央分列与两翼对角混合式和中央并列与中央分列混合式等。以中央分列与两翼对角混合式通风系统为例简单说明。1) 中央分列与两翼对角混合式为了缩短基建时间，在初期采用中央分列式通风系统，随着生产的发展，当开采到两翼边界时，则用中央分列与两翼对角混合式的通风系统。总之，要在初期通风系统的基础上，根据煤层赋存条件和生产发展情况等进行分析确定。 图 2-5 中央分列与两翼对角混合式2) 混合式适用条件这种通风方式适用于井田范围大，多煤层，多水平开采的矿井。大多用于老矿井的改造和扩建。确定通风方式并做技术比较根据矿井概况可知该矿井的年产量为 150 万吨的大型矿井，由于该井田走向长度为 5km，大于中央并列式走向长度不大于 4km 的设计要求，且该井田的瓦斯相对涌出量为 6.6 m3/t 属于低瓦斯矿井，井田上部标高-165m 属埋藏较浅的矿井，初期考虑中央分列式通风方式和两翼对角式作比较：1） 技术比较：中央边界式使用于走向不大的矿井（井田长度小于 4000 米） ，两翼对角式适合于走向较大、井型较大的矿井，与中央边界式相比，安全性更好，多一个通往地面的安全出口，发生事故时两翼不相互影响，便于控制通风，阻力较小。2） 经济比较：因进风、采掘、运输部分所需费用相差不大，主要考虑回风部分的费用。矿井通风与安全第 6 页 共 26 页风井的断面为 12.8 ，总回风平巷的断面为 9.62 ，故假设开掘 1m 总回风平巷2m2m需 5000 元，1m 风井需 6500 元，两翼对角式风机一台 200 万元，中央边界式风机一台300 万元。故在不考虑通风电费和井巷的维修费的条件下采用中央边界式通风系统时回风部分的费用为：124520.5+（165+150）0.65+300=1749.75 万元采用两翼对角式通风系统时回风部分的费用为：（165+150 ）0.652+200 2=809.5 万元综上分析，应选用两翼对角式的通风方式。2通风方法的确定通风方法，即矿井主通风机的工作方法。煤矿主要通风机的工作方法基本上分为抽出式与压入式两种。两种方法的比较：1) 抽出式抽出式通风是主要通风机安装在回风井口，在抽出式通风机的作用下，整个矿井通风系统处于低于当地大气压的负压状态。抽出式优点：井下风流处于负压状态，当主扇因故停止运转时，井下的风流压力提高可能使采空区瓦斯涌出量减少，比较安全；漏风量小，通风管理较简单；与压入式比，不存在过渡到下水平时期通风系统和风量变化的困难。抽出式缺点：当地面有小窑塌陷区井和采区沟通时，抽出式会把小窑积存的有害气体抽到井下使有矿井有效风量减少。主要通风机使井下风流处于负压状态。一旦主要通风机因故停止运转，井下风流的压力提 高，有可能使采空区瓦斯涌出量减少，比较安全；压入式主要通风机使井下风流处于正压状态，当主要通风机停转时，风流压力降低，有可能使采空区瓦斯涌出量增加。2) 压入式压入式通风是主要通风机安装在进风井口，作压入式工作，井下风流处于正压状态。 在低瓦斯矿的第一水平，矿井地面地形复杂、高差起伏，无法在高山上设置扇风机。总回风巷无法连通或维护困难的条件下选用。优缺点：1.压入式的优缺点与抽出式相反，能用一部分回风把小窑塌陷区的有害气矿井通风与安全第 7 页 共 26 页体压入到地面；2.进风线路漏风大,管理困难；3.风阻大、风量调节困难；4.由第一水平的压入式过渡到深部水平的抽出式有一定的困难；5.通风机使井下风流处于正压状态，当通风机停止运转时，风流压力降低，有可能使采空区瓦斯涌量增加。因此，正因为抽出式有着独自的优点，井下风流处于负压状态，当主要通风机因故停止运转时，井下的风流压力提高可能使采空区沼气涌出量减少，比较安全；漏风量小，通风管理较简单。由于该矿井采用上下山交替开采，抽出式与压入式相比，不存在过渡到下水平时期通风系统和风量变化的困难。因此本设计选用抽出式通风方法。三 采区通风方式的确定采区通风系统是矿井的基本组成部分，它包括采区进回风和工作面进回风巷道的布置方式，采区通风路线的连接方式以及采区通风设备的和通风构筑物的设置等基本内容。一般可以采用两种方式：轨道上山进风，运输上山回风；运输上山进风，轨道上山回风。这两种通风方式的比较：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。轨道上山的绞车房易于通风，变电所设在两上山之间，在回风处设调节风窗，利用两上山间风压差通风。运输上山进风，由于风流方向与运煤方向相反，容易引起煤尘飞扬，煤炭在运输过程中释放的瓦斯，可使风流的瓦斯和煤尘浓度增大，影响工作面的安全卫生条件，输送机设备所散发的热量，使进风流温度升高。此外，需在轨道上山的下部车场内安设风门，运输矿车来往频繁，需要加强管理，防止风流短路。因此，该矿上山开采采用轨道上山通风，下山开采采用轨道下山进风，同时上山部分采用轨道上山和运输上山同时回风，这样可以大大降低阻力。四 采煤工作面通风方式的确定采煤工作面的通风方法视甲烷涌出量、开采工作条件和开采技术而异，按工作面进、回风巷的数量和位置，可分为 U 型、E 型、W 型、Z 型等通风方式，其中 U 型应用最为广泛。根据矿井开采设计图纸，本矿井采用的就是 U 型通风方式， U 型通风方式是指采煤工作面有二条巷道，一条为进风巷，一条为回风巷。上行通风时，其下顺槽为进风矿井通风与安全第 8 页 共 26 页巷，上顺槽为回风巷，下行通风是则相反。U 型通风系统优点是：布置方便，通风简单，工作面可采用后退式回采。上、下顺槽在煤体中维护，漏风量小，风流流动为上行方向，上、下顺槽布置于煤体中，漏风量小；瓦斯自然流动方向和风流方向一致，有利于较快降低工作面瓦斯浓度。这种通风方式如果瓦斯不太大，工作面通风能满足要求即可采用。五 通风容易时期和通风困难时期采煤方案的确定1 通风容易时期和通风困难时期的定义在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称通风困难时期。2 容易时期的采煤方案：开采第一水平采区上山最上边区段 煤层的 2 个综采工作面和 1 个高档普采工作1K面，具体开采情况是：西翼两个工作面全部开采，即 1 个综采工作面和 1 个高档普采工作面；东翼开采 1 个综采工作面，另外一个高档普采面作为准备面。由任务书知：综采工作面、高档普采工作面在 k1 煤层时产量分别为 1620 吨/日 、1080 吨/日,则采这三个工作面年产为：（21620+1080 ）330=1425600 吨=142.56 万吨煤层煤的密度为：=m/v=1620/(150 60.62.4)=1.25 1K 3/m吨区段平巷及区段煤柱宽 15m，综采工作面区段平巷宽 5m，普采工作面区段平巷宽 3.5m，故可以算出采掘东、西两翼煤巷独立掘进头采煤量：（假设一年可以采掘出下一区段所有的煤巷独立掘进头）采掘东、西两翼煤巷独立掘进头采出煤的体积为：22（12453.52.4+125552.4）=102072 3m采煤量为：m= v=1.25102072=127590 吨=12.759 万吨所以按照上述的采煤方案年产量为：142.56+12.759=155.319 万吨 此采煤方法符合“年产 150 万吨”的要求，故此采煤方法是可行的。矿井通风与安全第 9 页 共 26 页3 困难时期的采煤方案：开采第一水平采区下山最下边区段 煤层的 2 个综采工作面和 1 个高档普采工作2K面，具体开采情况是：西翼两个工作面全部开采，即 1 个综采工作面和 1 个高档普采工作面；东翼开采 1 个综采工作面，另外一个高档普采面作为准备面。由任务书知：综采工作面、高档普采工作面在 k1 煤层时产量分别为 1935 吨/日 、1290 吨/日,则采这三个工作面年产为：（21935+1290 ）330=1702800 吨=170.28 万吨此采煤方法也符合“年产 150 万吨”的要求，虽然超产较大，但符合我国现在能源需求量大的现状，符合“高产高效”的能源方针，故此采煤方法也是可行的。4 矿井通风容易和困难时期的通风系统示意图和网络图见附图3、4。六 通风网络通风网络图分为容易时期和困难时期两部分，详见附图，图。七 各用风地点的供风量和矿井总用风量1 各用风地点需风量计算公式或经验数值部分：在本设计中矿井总风量按采煤、掘进、峒室及其它地点实际需要风量的总和计算：K （61）)(dcbaQQt式中： 采煤工作面实际需要风量的总和， min/3掘进工作面实际需要风量的总和， b硐室实际需要风量的总和， cQin/3矿井除了采煤、掘进和硐室地点外的其它井巷需要进行通风和， d