9_通风系统设计.ppt

矿井通风与安全 中国矿业大学 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？ 第九章 通风系统设计 n9.1 拟定矿井通风系统 n9.2 矿井总风量的计算和分配 n9.3 计算矿井通风总阻力 n9.4 选择矿井通风设备 n9.5 概算矿井通风费用 n9.6 生产矿井的通风系统改造 n9.7 通风系统安全性评价 n矿井通风设计是整个矿井设计内容的重要组成部分，是保 证安全生产的重要环节。新建矿井和生产矿井在开拓、开采 过程中都需要进行周密的通风设计。这两类通风设计的内容 和方法基本相似。 n矿井通风设计的依据包括： n矿井的安全条件(包括矿井沼气等级、各煤层的沼气含量、 煤尘爆炸性、煤的自燃性等) n矿井设计的生产能力 n矿井的开拓方式和采煤方法 n采煤的年进度计划 n矿井和各水平的服务年限 n各种技术经济参数、性能的资料和有关法规与政策规定 9.1 拟定矿井通风系统 n一、 矿井通风系统 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。 中央式通风系统可细分为： 中央并列抽出式；中央并列压入式 中央分列抽出式；中央分列压入式 对角式通风系统可细分为： 两翼对角式：两翼对角抽出式 ；两翼对角压入式 分区对角式： 分区对角抽出式；分区对角压入式 中央并列抽出式 n（1）中央并列抽出式 n 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，二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。 n 注意：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；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。 中央并列式 n用斜井开拓时，可以大致在走向的中央开掘一对并列斜井 。 中央并列压入式 n 中央并列压入式：将压入式主要通风机设置在进风井的井 口附近，新风自地表压入井下。 n 注意：进风井的井口房须密闭，其它与抽出式相同。 中央分列抽出式 中央分列式，又名中央边界式 中央分列式 中央分列抽出式：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。 注意：在井田走向的中央开凿主副井；主要通风机设 在出风井口附近；在倾斜方向上，出风井和进风井相隔一 段距离，出风井的井底高于进风井的井底。 中央分列压入式 n中央分列压入式：主要 通风机安设在进风井口(副 井口)附近，井口房须密闭 ，主井底和总进风须隔开 ，其它都与图9-2相同。 两翼对角抽出式 两翼对角式 两翼对角抽出式 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，可把图9-4中的立井改为斜井和平峒。 两翼对角压入式 两翼对角压入式：进风井和出风井的位置与图9-4相同， 只是在进风井口(副井口)附近安设压入式主要通风机，进风副 井口须密闭，主井底和总进风须隔开。 分区对角式 分区对角抽出式 n分区对角抽出式 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9-5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。 分区对角压入式 分区对角压入式：各出风井口不安设通风机，只在进风 井口(副井口)附近安设压入式主要通风机，进风副井口要密 闭，主井井底和总进风须隔开。 混合式 n混合式是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。包括：中央分列与两翼对角混合式、中 央并列与中央分列混合式等。 n图示为中央分列与两翼对角混合式通风系统。初期采 用中央分列式通风系统，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。 二、矿井通风系统的选择 1. 选择矿井通风系统的总原则：投产较快，出煤较多、安全 可靠、技术经济指标合理等。 拟定通风系统的具体要求有： (1) 每个矿井和阶段水平之间都必须有两个安全出口； (2) 进风井巷与采掘工作面的进风流的粉尘浓度不得大与 0.5mg/m3； (3) 新设计的箕斗井和混合井禁止作进风井，已作进风井 的箕斗井和混合井必须采取净化措施，使进风流的含尘量达 到上述要求； (4) 主要回风井巷不得作人行道，井口进风不得受矿尘 和有毒有害气体污染，井口排风不得造成公害； (5) 矿井有效风量率应在60以上； (6) 采场、二次破碎巷道和电耙道，应利用贯穿风流通 风，电耙司机应位于风流的上风侧，有污风串联时，应禁止 人员作业； (7) 井下破碎硐室和炸药库，必须设独立的回风道； (8) 主要通风机一般应设反风装置，要求10 min内实现 反风，反风量大于40。 选择通风系统时，应根据矿体赋存条件和开采特点， 拟定几个可行方案进行详细的技术经济比较，择优选出。 2. 选择矿井主要通风机的工作方法 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，多采用抽出式通风方法，因为： 1) 抽出式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) 采用压入式通风时，须在矿井总进风路线上设置若干 构筑物，使通风管理工作比较困难，漏风较大。用抽出式通 风可避免以上缺点。 2. 选择矿井主要通风机的工作方法 3) 在地面小窑塌陷区分布较广，并和采区相沟通的条件 下，用压入式通风能用一部分回风流把小窑塌陷区的有害气 体带到地面。 4)过渡时期是新旧水平同时生产，战线较长，通风系统 和风量变化较大。由压入式通风过渡到深水平抽出式通风时 ，有一定困难，有时还须额外增掘一些井巷工程，使过渡期 限拉得过长；而用抽出式通风，就没有这些缺点。 5) 在地面小窑塌陷区漏风严重、开采第一水平和低沼气 矿井等条件下，采用压入式通风是比较合适的，否则，就不 宜采用压入式通风。 3. 选择矿井的通风方式 新建矿井多数是在中央并列式、中央分列式、两翼对角 式和分区对角式等方式中进行选择。混合式是前几种方式的 发展，多在老矿井的改建、扩建时使用。 选择矿井通风方式一般是针对服务范围来确定的。如果 矿井的服务年限不长(1020a)，则服务范围为整个矿井； 如果矿井范围较大，服务年限较长(3050a)，则只考虑头 1525a的开采范围作为服务范围；这时服务范围往往是第 一水平；或者包括第一、第二水平在内。对于服务范围之外 的后期通风系统，设计中只作粗略的考虑。 n 1) 中央并列式的使用条件：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。 n 2) 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。 n 3) 两翼对角式的适用条件：该种布置方式(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， 安全性较中央分列式还好，但初期投资更大。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。 n 4) 分区对角式的适用条件：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 )，在此条件下，开采第一水平时，只能采用分区通风的布 置方式。每个采区各有独立通风路线，互不影响，是这种 通风方式的主要优点。 n 对于一个实际条件下的矿井，往往有几种通风系统 都可考虑，从技术分析和经济比较两方面考虑选定系统。 矿井通风系统确定后，还要： 确定服务范围内的通风容易和通风困难两个时期的位 置； 确定采区内的通风系统，即确定采用轨道上山还是运 输上山进风； 确定采煤工作面采用u型、z型、y型还是w型通风系 统，这些都要经过技术经济比较才能确定； 确定掘进头的数目和位置； 绘制两个时期的通风系统图、立体图和网络图。 9.2 矿井总风量的计算和分配 n 矿井总风量各工作地点有效风量各风路漏风量 一、生产矿井所需风量 n1生产矿井所需风量的计算 n原则： “由里往外” 配风 抽出式通风：抽出式主要通风机的总风量矿井总风量 因体积膨胀风量抽出式通风机井口和附属装置的允许漏风 量 压入式通风：压入式主要通风机的总风量矿井总风量 抽出式通风机井口和附属装置的允许漏风量 1、生产矿井所需风量 矿井的总回风量或总进风量计算： qwz(qai+qbi+qci+qdi)kwz，m3/min 式中，qai各回采工作面和备用工作面所需风量之和， m3/min ； qbi各掘进工作面所需风量之和； qci 各峒室所需风量之和；qdi除上述各用风地点外，其它 巷道所需风量之和； kwz矿井风量备用系数，包括矿井内部漏风和配风 不均匀等因素影响，与矿井通风方式有关，一般可取1.15 1.25。对于中央并列式，1.25；中央分列式和混合式，1.2； 对角式，1.15。 2生产矿井风量的分配 n 在各个用风地点（如掘进巷道和峒室等），将各用风 点计算的风量值乘以备用系数kwz，就是配给用风地点所在巷 道的风量。 n 但是采煤工作面的风量只配给各自计算的风量，由备 用系数确定的风量考虑从采空区漏走的风量。因此在u型通风 的上平巷和下平巷的风量是采煤工作面的计算风量乘以备用 系数。 2生产矿井风量的分配 2生产矿井风量的分配 n 从各个用风地点开始，逆风流方向而下，遇分风点则 加上其它风路的分风量一起分配给未分风前那一条风路，作 为该风路的风量。直至确定进风井筒的总进风量。这一风量 应该等于刚才计算的矿井总风量。 n 如果是压入式通风，则要加上矿井外部漏风量，才能 得出通过压入式主要通风机的总风量。 2生产矿井风量的分配 n 然后又从各个用风地点开始，顺风流方向而上，遇 汇合点则加上其它风路的风量一起分配给汇合后那一条风 路，作为该风路的风量。直至确定回风井筒的总回风量。 这一风量也应该等于刚才计算的矿井总风量。 n 如果是抽出式通风，则加上抽出式主要通风机井口 和附属装置的允许漏风量(即矿井外部漏风量)，才能得出通 过抽出式主要通风机的总风量。 二、新建矿井和延深矿井所需风量 n 新建矿井和延深矿井所需风量的设计，属于预先估计风 量。设计时对于上述配风依据较难判准，而矿井类型繁多， 条件各异，如何恰当地预定这种性质的风量，是目前还没有 很好解决的重要问题。 n 有条件时，要参照邻近生产矿井的通风资料，按生产矿 井的风量计算方法细致进行，否则只好采用“由外往里”的计 算方法，即先计算矿井的总风量，然后大致分配到各个用风 地点。 二、新建矿井和延深矿井所需风量 n 对于低瓦斯矿井 以工作面能够有良好的气候条件作为供 风的依据，用下式计算矿井总风量： n qtqk，m3/min n式中 t矿井平均日产量，t/d； n q日产吨煤需风量，通过实际调查统计得出：q 1 m3/(min.t/d)； n k一风量备用系数，即kk1k4k5k6，这些系数的乘 积介于l.51.9之间，可根据新建矿井的条件查表得出具体的 数值。 二、新建矿井和延深矿井所需风量 n对于高沼气矿井 按总回风流中的沼气浓度不超过0.75%的 要求来计算矿井总风量： n q（1/24600.75%)qgtk，m3/min n式中 qg矿井沼气平均相对涌出量，m3/t； n t矿井平均日产量，t/d； n k风量备用系数，即kk2k3k4k5，这些系数的乘 积介于1.72.1之间，具体数值可查表查得。 二、新建矿井和延深矿井所需风量 n 无论是高沼气矿井，还是低沼气矿井都要按井下同时 工作的最多人数来验算矿井总风量q，取大值作为矿井的总风 量： n q4nk，m3/min n式中 n井下同时工作的最多人数，人; n 4以人数为计算单位的供风标准，m3/min； n k风量备用系数，它是产量不均衡系数、备用工作 面的风量系数和矿井内部漏风系数的总概括。采用中央并列 式的通风系统时，k1.45；采用中央分列式或对角式通风系 统时，k1.35。 二、新建矿井和延深矿井所需风量 新建矿井的风量分配是在算得的矿井总风量q中，减去 独立回风的掘进风量qb和峒室风量qc，再按以下原则对剩余 的风量qre进行大致的分配；各个回采工作面的风量，按照与 产量成正比的原则进行分配；各个备用工作面的风量，按照 它在生产时所需风量的一半进行分配。即： qreq(qbqc) m3/min 式中 qb所有独立回风的各个掘进工作面风量之和， m3/min； qc所有独立回风的各个峒室风量之和， m3/min 。 二、新建矿井和延深矿井所需风量 剩余风量qre的分配方法是：先用下式计算回采工作面日 产一吨煤所需配给的风量q，即： 式中 ta各个回采工作面的日产量之和，即 ta=ta，t/d ta各个回采工作面的日产量，t/d； ta各个备用工作面的计划日产量之和，即tata ，t/d ta各个备用工作面计划日产量，t/d。 二、新建矿井和延深矿井所需风量 n分配给各个回采工作面的风量为 n qaqta m3/min n分配给各个备用工作面的风量为 n qaqta /2 m3/min 三、新建矿井风量的分配 n 在各个用风地点(如掘进巷道和峒室等)，将计算的风量 直接配给用风地点所在巷道。但在u型采煤工作面，不考虑 从采空区漏走的风量，因此在上平巷和下平巷的风量与采 煤工作面的风量相同。 三、新建矿井风量的分配 n 从各个用风地点开始，逆风流方向而下，遇分风点则 加上其它风路的分风量一起分配给未分风前那一条风路，作 为该风路的风量。直至确定进风井筒的总进风量。这一风量 应该等于刚才计算的矿井总风量。如果是压入式通风，则要 加上矿井外部漏风量，才能得出通过压入式主要通风机的总 风量。 图名 进风路线配风方法 三、新建矿井风量的分配 n 然后从各个用风地点开始，顺风流方向而上，遇汇合 点则加上其它风路的风量一起分配给汇合后那一条风路，作 为该风路的风量。直至确定回风井筒的总回风量。这一风量 也应该等于刚才计算的矿井总风量。如果是抽出式通风，则 加上抽出式主要通风机井口和附属装置的允许漏风量(即矿井 外部漏风量)，得出通过抽出式主要通风机的总风量。 四、确定矿井总风量和各个分风量 n 通过以上的风量分配，初步确定了井下各个用风地点 与它们的进风和回风路线上的各个风量(必要时要算出局部地 区各分支的自然分配风量)。但是，各条风路上的风量还未最 后确定，必须进行各条风路的风速校核，即用分配到各处的 风量除以相应断面积，所得出的风速必须符合规程规定 。 n 各条风路的风量经过验算后，若符合风速要求，则各 风路的风量可以确定；若低于规定风速，则增加该风路的风 量；若超过规定风速，则扩大该风路断面或调整该风路风量 ，使风速降到规定值以下。最后，确定矿井总风量。 9.3 计算井巷通风阻力 在选择矿井主要通风机之前，必须计算井巷通风总阻力。 一、计算的原则 n（1）矿井通风的总阻力不得超过2940 pa； n（2）矿井井巷的局部阻力，新建矿井（包括扩建矿井 独立通风的扩建区）按井巷摩擦阻力的10计算，扩建矿 井按井巷摩擦阻力的15计算； n（3）矿井通风网路中若有较多的并联系统，计算阻力 时，应以其中阻力最大的路线为依据； n（4）计算出通风困难时期的最大阻力和通风容易时期 的最小阻力，使得所选主要通风机既满足通风困难(hrmax) 时期要求，又能在通风容易时期工况合理，而且在以后的 通风管理中均可采用增阻法进行风量调节。 二、矿井通风总阻力的计算 通风系统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。对于通风容易和困难时期分别画出 通风系统图，按照采掘工作面和峒室的需要分配风量，再由 各段风路的阻力计算矿井总阻力。 对于有不同巷道断面的分支，要分段计算；对于小矿， 一般只计算困难时期总阻力hrmax。 二、矿井通风总阻力的计算 n矿井的摩擦总阻力按下式计算： 式中，hf矿井通风总阻力，pa； li、ui、si分别是井巷的长度(m)，净断周边长(m) ，净断面积(m2)； qi分配给各井巷的风量，m3/s； i井巷摩擦阻力系数，n.s2/m4。根据各井巷的支 架形式和断面在第三章值表中查得的。 二、矿井通风总阻力的计算 n 沿着上述两条风路，将各区段的摩擦阻力hfi累加得到 通风容易和困难时期总摩擦阻力hfe和hfd，并考虑适当的局部 阻力系数(局部阻力取总摩擦阻力的1015)，即可算出通 风容易和通风困难两个时期的井巷通风总阻力分别为： hrmin(1.11.15) hfe，pa hrmax(1.11.15)hfd，pa 式中，hrmax困难时期通风总阻力，pa； hrmin容易时期通风总阻力，pa。 n 计算了整个矿井的通风阻力后，需要对整个矿井的通 风难易程度进行评价。评价的指标是两个时期矿井总风阻和 总等积孔： n 如果a1m2,表示矿井通风困难；如果a在1和2m2之间 ，表示通风难易为中等程度，如果a2m2，表示通风容易。 9.4 选择矿井通风设备 矿井通风设备包括：主要通风机及其电动机。 一、选择主要通风机 n选择依据通风机的个体特性曲线 1、计算通风机风压 对于抽出式主要通风机，在通风容易时期的静风压应为： hfsminhrminhna，pa 式中 hrmin容易时期最大阻力路线的阻力，pa； hna容易时期帮助主要通风机通风的矿井自然风压， pa； 一、选择主要通风机 n 抽出式主要通风机，在通风困难时期的静风压应为 ： hfsmaxhrmaxhno，pa 式中 hrmax困难时期最大阻力路线的阻力，pa； hno通风困难时期反对主要通风机风压的矿井自然 风压，pa。根据当地气象资料或邻矿资料估计(注意正负)。 同理，压入式的主通风机在通风容易和通风困难两个时 期的全风压分别为： hftminhrminhna，pa hftmaxhrmaxhno，pa 一、选择主要通风机 n 2、计算主通风机困难时期和容易时期的风量qf1和qf2； n 3、根据确定的hfmax、qf1和hfmin、qf2 (即设计工况点)，从 所选通风机的个体特性曲线上看设计工况点是否都落在合理 工作范围内。 n4、计算两时期的风阻rmin和rmax: 在选定的风机个体特性曲线图上画风阻曲线rmin和rmax， 并从设计工况点向上延伸，与最近的个体特性曲线相交于两 点，即实际工况点。 n5、确定满足通风要求的主要通风机的型号和转速 一、选择主要通风机 二、选择电动机 根据两时期主通风机的输入功率(nfimin和nfimax)计算出 电动机的输出功率neo(kw)： 对于异步电动机，当nfimin0.6nfimax时，可选用一台功 率较大电动机，输出功率neo和输入功率nei的关系为： 当nfimin=0.6nfimax时，选用两台电动机，功率为： 初期 后期 ke电动机容量备用系数，取1.11.2 e电动机效率，取0.90.94(大型电机取较高值)； e传动效率，电动机与通风机直联时取1；皮带传 动时取0.95。 二、选择电动机 二、选择电动机 n 根据以上所得出的neo(或neomin)或nei(或neimin)、e以 及主要通风机所要求的转数n，在电动机技术特征手册上选 用合适的电动机。 n 根据周围的工作环境，通风机一般选用开启式或防 护式电动机。一般情况下，当电动机功率小于200 kw时，宜 选用低压鼠笼式电动机；大于250 kw时，宜选用高压鼠笼式 电动机；大于400 kw及以上时，宜选用同步电动机，优点是 在低负荷运转时改善电网功率因数，使矿井经济用电，缺点 是购置和安装费较高。 三、矿井通风设备的要求 根据矿井的瓦斯等级，主要通风设备应符合一下要求： 1) 矿井必须装设两部同等能力的通风机(包括电动机) ，一套运转，一套备用，备用风机要求在10min内能够开动 ； 2) 矿井的主要通风机房应有两路直接由变(配)电所输 出的供电路线，线路上不应分接任何负荷； 3) 主要通风机要有灵活可靠、合乎要求的反风装置和 防爆门，要有规格质量符合要求的风峒和扩散器，分区主要 通风机也应符合这个要求； 4) 主局和电动机的机座必须坚固耐用，要设置在不受 采动影响的稳定地层上。 9.5 概算矿井通风费用 一般是计算吨煤的通风费用，即吨煤通风成本。 n 一、每吨煤的通风电费 先用下式计算主要通风机运转的耗电量： imf(n1n2)36524/(2(ev t)，kwh/a 式中，n1、n2一年内最大和最小的主要通风机输入功率， kw； e主要通风机电动机的效率，可在电动机的技术特征 表上查得，一般取0.90.95； v变压器的效率，一般取0.8； 电线的输电效率，一般取0.95； t传动功率，直接传动时，取1.0，间接传动时取0.95 。 同时，统计一年内局扇、辅扇的耗电量ief(kwh/a)。各 类通风机在一年内的总耗电量为： isimfief，kwh/a 用下式计算每吨煤的耗电量： iis/t，kwh/t 式中 t一年内的矿井产煤量，ta 用下式计算每吨煤的通风电费： eid，元/t 式中 d每度电的费用，元/(kwh) n二、吨煤通风成本 除每吨煤的通风电力费用外，还要统计下列费用： 1) 通风设备的折旧费和维修费。折