第八讲 矿井通风

1、第八讲 矿井通风本讲的主要内容是空气动力学基础、矿井通风、矿井通风系统、采区通风、掘进通风、风量调节和反风技术要点。重点是矿井通风系统、采区通风和掘进通风。一、空气动力学基础（一）风流能量：矿井通风是典型的稳定流，风流沿着一维的巷道连续的流动。在这个流动中涉及到了能量的转移和消耗。能量的改变是我们计算风量和通风压力等通风工程中重要参数的基础。在井巷中，任一断面上的风流能量（机械能）都由位能、压能和动能三部分组成。1、位能（势能）物体在地球重力场中因受地球引力的作用，由于相对位置不同而具有的一种能量叫重力位能，简称位能，用Ep0表示。当向上移动到高于基点 Z（m）时，做的功为 这就给出了物体在Z

2、高度上的位能。2、静压能（流动功）由分子热运动产生的分子动能的一部分转化过来的能量，并且能够对外做功的机械能叫静压能，(Ep)。如下图8-1所示，有一两端开口的水平管道，断面积为A，在其中放入体积为V，质量为m的单元流体, 使其从左向右流动，即使不考虑磨擦阻力，由于管道中存在压力P，单元体的运动就会有阻力，因此必须施加一个力F克服这个阻力，单元体才会运动。当该力使单元体移动一段距离s后，就做了功。8-1 外力对单元体做功示意图为平衡管道内的压力，施加的力为 ：F=PA ， N做的功为 ， J 又AS是流体的体积V，所以根据密度的定义 r=m/V 或者 V=m/r 则对该单元体做的流动功为 或者

3、 ，（J/kg） 当流体在管道中连续流动时，压力就必须对流体连续做功, 此时的压力就称为压能，所做的功为流动功。上式就是单位质量流体的静压能表达式。3、 动能当空气流动时，除了位能和静压能外，还有空气定向运动的动能，用 表示。如果我们对一个质量为m的物体施加大小为F的外力，使其从静止以加速度a做匀加速运动，在t时刻速度达到u，外力对其做的功为： 这就是质量为 m 的物体所具有的动能。（二）伯努力方程现有空气在一巷道内流动，考虑到在任意两点间的能量变化，如图8-2所示。内能的变化是非常小的，忽略不计，又因为外加的机械能通常单独考虑，撇开这些因素，在图中1点的总能量等于2点的总能量与12之间损失的

4、能量之和，如果用U1和U2分别表示1点和2点的总能量，h1-2表示1点到2点的能量损失，则有下式：8-2 风流从1点到2点能量损失计算示意图又 ，所以可以得出： （8-1） 如果我们认为空气是不可压缩的，此时有：1=2=所以（8-1）式变为： （8-2） 这里的u2/2是动能， Zg是位能，P/是流动功（静压能），h1-2是能量损失。如果在方程两边同乘以，那么（8-2）式变为： （单位体积）这就是不可压缩单位质量流体的伯努力方程表达式。（三）通风阻力定律1、概念：所谓通风阻力定律，就是前面所述的摩擦阻力定律和局部阻力定律的结合，也就是通风阻力、风阻和风量三个参数相互依存的规律。在完全紊流状态下

5、，通风阻力定律是： hRQ2，Pa， 即h和R(Ns2 /m8)的一次方成正比，和Q（m3/s）的平方成正比。若某一井巷通过一定风量，同时产生摩擦阻力和局部阻力，则h和R分别是该井巷的通风阻力和总风阻。对于一个矿井来说，h、R和Q 分别代表该矿井的通风阻力、总风阻和总风量。2、 阻力测定方法与原理（1）测定方法：压差计法、 气压计法。（2）测定原理：伯努力方程。二、矿井通风1、概念：就是把地面的新鲜空气不断地送入井下，并把污浊空气排出井外的过程。2、三个基本任务：（1）供给井下工人足够的新鲜空气，满足人员呼吸的需要 ； （2）稀释和排除井下有害气体、矿尘，保证安全生产； （ 3）为井下创造适宜

6、气候条件，提高劳动效率。 3、井下空气的主要成分（1）氧气：采掘工作面进风流中，氧气浓度不得低于；当空气中的氧浓度降低到17以下，人体会产生不良的生理反应，严重时可能导致缺氧窒息死亡；空气中氧含量在17时成为安全临界值。（2）氮气：无毒不助燃，但不能供人呼吸，会造成“高氮窒息”事故。（3）二氧化碳：是一种无色、略带酸味的气体，不助燃也不供人呼吸，略有毒性，易溶于水，对人的呼吸有刺激作用。规程CO2浓度的规定：a采掘工作面进风流中二氧化碳（）浓度不得超过.。b矿井总回风巷或一翼回风巷中，瓦斯或二氧化碳浓度超过075时，必须立即查明原因，进行处理。c采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中二氧化碳浓度超

7、过15时，必须停止工作、撤出人员、采取措施、进行处理。d采掘工作面风流中二氧化碳浓度达到1.5%时，必须停止工作，撤出人员，查明原因，制定措施，进行处理。e停工区内瓦斯或二氧化碳浓度达到3.0%而不能立即处理时，必须在24h内封闭完毕。（4）一氧化碳（CO）：是一种无色、无味和无嗅的气体，能燃烧，有爆炸性，有巨毒。浓度达0.4可致人死亡。（5）氮氧化合物（二氧化氮NO2，一氧化氮NO） ：二氧化氮是一种红棕色有强烈窒息性的气体，易溶于水而生成硝酸，有剧毒，对眼、鼻、呼吸及肺有刺激作用，严重能引起肺水肿。（6）二氧化硫（SO2）：是一种无色、有强烈的硫磺气味及酸味 的气体，易溶于水，有剧毒，对人

8、的眼睛、鼻、呼吸道及肺有强烈的刺激腐蚀作用。（7）硫化氢（H2S）：是一种无色、有臭鸡蛋味的气体，易溶于水，有剧毒，硫化氢有燃烧、爆炸性，爆炸的浓度范围4.345.5 。（8）氢气（H2）：是一种无色、无味和无嗅的气体，难溶于水，具有爆炸性。其点燃温度比甲烷低100200，爆炸的浓度范围474.2 。（9）氨气（NH3）：是一种具有氨水臭味的气体，易溶于水，有极毒性，具有爆炸性，爆炸的浓度范围15.727.4 。（10）规程对井下有害气体浓度的规定。井下有害气体名称 最高允许浓度 （1）一氧化碳（） 0.0024 （2）二氧化氮（） 0.00025（3）硫化氢（H2S） 0.00066（4）二

9、氧化硫（S） 0.0005（5）氨（NH3） 0.004 （6）氢（H2） 05三、矿井通风系统1、概念：通风系统是通风设备、通风设施和通风网络的总称。一个矿井构成通风系统就至少需一个进风井和一个回风井。 2、矿井通风动力：造成矿井通风压力，促使空气在井巷内流动的能量。根据通风动力的来源不同可分为自然通风和机械通风 。（1）自然通风：依靠各种自然因素的作用，使风流获得能量并沿井巷流动的现象。利用自然风压产生通风压力。 （2）机械通风：采用专门的机械设备，即通风机来促使井下空气流动。是一种可靠的通风方法。煤矿安全规程规定每个矿井都必须采用机械通风。（3）矿井通风机矿井通风机按其服务范围和所能起得

10、作用可分为三类：矿井通风机按其构造不同分为两大类：3、矿井通风方法：指矿井主要通风机对井下供风的工作方式。压（1）压入式通风：是将矿井主要通风机安设在地面，向矿井用压风方式供风，使整个通风系统在压入式主要通风机作用下，形成高于当地大气压力的通风方法，即正压通风。压入式通风是在进风侧空气压力较大、风流集中的条件下，将新鲜空气送往各处。一般在瓦斯矿井中很少采用压入式通风。主要原因如下：压入式通风矿井中，控制风流的设施一般都在进风侧安设，这对运输、行人等都不便，不易管理和控制。井底车场及进风井口漏风大。 回风侧空气压力较低，分支风路较多，污风流不易集中迅速排出井外。 若矿井主要通风机一旦因故停止运转

11、时，会使井下气压降低，这会使采空区或封闭火区内瓦斯涌出量增加，对安全不利。（2）抽出式通风：是将矿井主要通风机安设在地面，对矿井向外抽出空气，使井下空气处于低于当地大气压的状况，且由于通风阻力的影响使回风侧处于高负压，而进风侧处于低负压的通风方法，即负压通风。煤矿矿井中一般多采用抽出式通风，主要原因如下：抽出式通风矿井中，通风设施安设在回风侧，不妨碍运输、行人，管理简便又控制可靠。主要通风机一旦因故停止运转，则矿内空气必然要恢复到当地大气压力，由于压力增高，一定时间内采空区或封闭火区内瓦斯不易涌出。（3）抽压混合式通风：是将地面新鲜空气，由压入式主要通风机送往井下，污风由抽出式主要通风机排出井

12、外的通风方法。特点：这种通风方法使矿井通风系统大部分都处于较高的压力状况，进回、风集中，易按指定路线流动，漏风少，不易受自然风压影响。但这种通风方法所需通风设备多、动力消耗也大。当用风地点与地表塌陷区沟通，漏风大时，可用来平衡内外压力控制漏风。但在煤矿中一般很少使用。 4、通风方式：是指矿井的进风井筒与回风井筒之间的相对位置。 （1）中央式：是指进风井和回风井大致位于井田走向中央的通风系统。根据进回风井在井田倾斜方向上的位置中央式又分两种：8-3 中央并列式通风系统示意图 8-4 中央边界式通风系统示意图（2）对角式：进风井大致位于井田的中央，回风井位于井田浅部走向上的通风系统。按回风井在走向

13、位置不同又分为：8-5两翼对角式通风系统示意图 8-6分区对角式通风系统示意图5、矿井通风网路：矿井内风流按生产需求在井巷中流动时，风流的分支、汇合线路的结构形式，叫通风网路。可分为： （1）串联网路（通风）：指井下用风地点的回风再次进入其他用风地点的通风风路。俗称“一条龙”通风。该网路的特点是通风阻力，大空气污染严重，风量无法调节，安全性能低，在瓦斯矿井不能采用。 规程中规定：采掘工作面采用串联通风的次数不得超过一次。 风量关系式 ：Q0=Q1=Q2=Q3=·······=Qn ，该式表明：串联风路的总风量等于各条分支的风

14、量。风压关系式：h0=h1+h2+h3+·······+hn ，该式表明：串联风路的总风压等于其中各条分支的风压之和。 风阻关系式：R0=R1+R2+R3+·······+Rn ，该式表明：串联风路的总风阻等于其中各条分支的风阻之和。 8-7a 串联通风网路示意图 b并联通风网路示意图（2）并联网路（通风）：指井下各用风地点的回风直接进入采区回风巷或总回风巷道的通风风路。其特点是安全性好，风量易调节，通风阻力小，各井巷互不干扰。风量关系式：Q0=Q1+Q2

15、+Q3+·······+Qn ，该式表明：并联风路的总风量等于各分支的风量之和。风压关系式：h0=h1=h2=h3=·······=hn，该式表明：并联风路的总风压等于各分支的风压。 风阻关系式：上式表明，并联风路的总风阻和各条分支的风阻成复杂的繁分数关系。对于简单并联风网(n2)，有：（3）角联网路（通风）：指在并联的两条风路之间，还有一条或数条风路连通的通风风路。横跨于并联风路上的井巷称为角联巷道或角联风路。由于角联巷道中风流方向不稳定，在有瓦斯涌出的

16、情况下，给通风管理带来了许多困难。矿井设计中，应尽量避免出现角联网路（通风）。 8-8角联通风网路示意图当R1/R2=R3/R4时，bc之间风速为零；当R1/R2R3/R4时，风流方向由c到b；当R1/R2R3/R4时，风流方向由b到c。（4）通风系统网络图矿井通风系统往往是十分复杂的立体结构，巷道数目多、纵横交错、上下重叠，相互关系不易一目了然，直接用实际的通风系统图分析通风问题有很多不便。为克服这些缺点，需要对通风系统网络化，即用反映巷道空间关联的单线条来表示通风系统中各风流(道)的分合关系，将通风系统图抽象成点与线集合的网状线路示意图。此图即是通风系统网络图，简称通风网络图或风网。8-9

17、 a通风系统示意图 b通风网络示意图6 、通风构筑物：就是在矿井通风系统中，为引导、控制或为改善通风动效果等所建造的通风设施。 （1）、通风构筑物的分类 根据通风构筑物用途的不同，可分为三大类：根据通风构筑物服务期的不同可分为两大类：（2）、主要通风构筑物：、风墙（密闭、挡风墙） ：严密阻断风流。 设置：在不允许风流通过，也不允许行人、行车的井巷，都必须设置风墙。、风门 ：阻断风流通过，但可行车、走人。 设置：在同一巷道，设置风门至少设置两道，间距要大于运输工具的长度，而且严禁同时打开。 8-10 a永久性风墙 b调节风窗 、风窗（调节风窗）：利用改变风窗口面积大小来调节风量。是一种增加风阻的

18、调风设施。用于风量调节。、风桥：在平面相交叉的两巷道交叉点构筑立体风路,是两巷道风流不相混合。 8-11 a绕道式风桥 b混凝土料石风桥 c铁风筒风桥四、采区通风 采区通风是矿井通风的主要对象。搞好采区通风是保证矿井安全生产的基础。1、采区通风的基本要求（1）采区必须有单独回风道实行分区通风。 （2）回采工作面和掘进工作面都必须实行独立通风。 （3）采掘工作面采用串联通风的次数不得超过一次。 2、回采工作面上行风与下行风（1）、上行风与下行风是针对风流方向与煤层倾斜的关系而言。8-12 工作面通风示意图（2）、同向通风与逆向通风是针对风流方向与煤炭运输方向之间的关系而言的。 （3）、走向长壁回

19、采工作面通风 从理论上讲，走向长壁回采工作面可有四种通风方式。 但实际上，在倾斜煤层中上行同向和下行逆向通风都不存在。只有上行逆向和下行同向通风。简称上行风和下行风。 8-13 采煤工作面上行通风与下行通风3、回采工作面进风巷与回风巷的布置形式 长壁式回采工作面进风巷与回风巷的布置有U、Z、Y、E、双Z及W等形式。我国多采用U形通风，分为后退式与前进式两种。 8-14 a工作面U型通风b工作面Z型通风8-14 c工作面E型通风 d工作面Y型通风8-14 e工作面双Z型通风 f工作面W型通风五、掘进通风1、掘进通风：对开掘巷道这种只有一个出口的独头工作面的通风 。在一般情况下，都是同一条井巷既用

20、作进风又用作回风，风量较小，通风距离短则几米，长则达数千米。2、巷道掘进通风方法 （1）扩散通风：利用矿井主导风流的扩散作用，与掘进工作面的空气相互掺混，使工作面污浊空气排出，达到通风的目的。由于扩散作用的有效范围有限，只适用于掘进小型硐室。煤矿安全规程规定：如果硐室深度不超过6m，入口宽度不少于1.5m，而无瓦斯涌出，可采用扩散通风。（2）全风压通风：利用主要通风机产生的风压，借助导风设施，把风流引入掘进工作面的通风。（全风压是指通风系统中主要通风机出口侧和进口侧的总风压差）。 该方法的优点是不需要单独的掘进通风动力设备，安全可靠，在条件充分时应尽量采用。缺点是要有足够的全风压，以克服导风设

21、施的阻力，否则不能采用。利用纵向风墙导风：在巷道内设置纵向风障，把风流引入掘进工作面，冲洗工作面后，由风障另一侧排出。利用风筒导风：在进风巷内设置风帘或风门，截断主导风流，用风筒把风量导入掘进工作面。双巷通风：是两条巷道同时平行掘进，两巷相隔1020m，每隔一定距离（60m左右）开掘联络巷连通，除了靠近工作面的联络巷外，其余联络巷都要加以密闭。利用钻孔通风：在煤层内掘进上山时，先在上山位置打一个钻孔（300400mm），与回风巷贯通。掘进期间利用钻孔通风。这种方法对防止工作面瓦斯积聚很有效。 引射器通风：是利用喷嘴喷出的高压水流或高压气流，在喷嘴射流周围形成负压而吸入空气，并经混合筒内混合，将

22、能量传递给被吸入的空气使之具有通风压力，达到通风的目的。8-15a纵向风墙导风图 b风筒导风图 8-15c双巷导风图 d钻孔导风图（3）局部通风机通风：电机转动带动局扇叶片旋转，产生风压，从而促使风流在巷道内流动，冲洗工作面后排入回风巷。这是一种应用最广泛的掘进通风方法。 压入式通风：是用局部通风机将新鲜空气经风筒压入工作面，污浊空气沿巷道流出。8-16a压入式通风示意图 b抽出式通风示意图 c抽压混合式通风示意图抽出式通风：把工作面污浊空气经风筒抽出，新鲜空气经由巷道流入。压入式与抽出式比较：抽出式通风时，污浊风流必须通过局部通风机，极不安全。而压入式通风时，局部通风机安设在新鲜风流中，通过

23、局通风机的为新鲜风流，故安全性高；抽出式通风有效吸程小，排出工作面炮烟的能力较差：压入式通风风筒出口射流的有效射程大，排出工作面炮烟和瓦斯的能力强；抽出式通风由于炮烟从风筒中排出，不污染巷道中的空气，故劳动卫生条件好。压入式通风时炮烟沿巷道流动，劳动卫生条件较差，而且排出炮烟的时间较长；抽出式通风只能使用刚性风筒或带刚性圈的柔性风筒，压入式通风可以使用柔性风筒。从以上比较可以看出，两种通风方式各有利弊。但压入式通风安全可靠性较好，故在煤矿中得到广泛应用。 抽、压混合式：是压入式和抽出式通风的综合通风方式。特点是排烟快、效果好。一般用于炮掘工作面。六、风量的调节井下一些用风地点，在不同的生产时期

24、对风量的要求也不同。因此自然分配的风量和需要的风量往往不相符合，为得到所需风量，须对网络加以人为控制，实行风量调节，以满足通风的目的要求。 根据调节的范围矿井风量调节可分为：矿井总风量调节和局部或区域地风量调节。根据调节的方法矿井风量调节可分为：增阻调节和降阻调节。七、反风技术 （一）反风技术：是矿井发生灾变时，所采取的一项重要的控制风流的救灾措施。当井下发生火灾时利用预设的反风设施，改变火灾所产生的高温有害气体的流动方向，限制火灾影响区域，安全撤出受烟流威胁人员的安全技术措施。（二）反风类型 1、全矿性反风：就是使全矿井总进风、回风巷道及采区主要进、回风巷道的风流全面反向的反风方式。当矿井进

25、风井口附近、井筒、井底车场及井底车场直接相通的巷道发生火灾时，应采取全矿性反风。 2、全矿性反风方法： （1）反风道反风法：利用主要通风机设置的专用反风道和控制风门，使通风机的排出口与反风道相联，风流由风硐压入回风道，而使风流反向的方法。轴流式和离心式主要通风机都可用这种反风方式。 （2）反转反风法：利用主要通风机反转使风流反向的方法。轴流式主要通风机可用这种反风方法。（3）无反风道反风法：利用备用的主要通风机机体作为反风道，实现反风的方法。在装有备用通风机的矿井可以采用，但必须保证反风后，备用通风机能迅速恢复正常状态。 3、煤矿安全规程规定：（1）生产矿井主要通风机必须有反风设施，必须能在1

26、0分钟内改变井下巷道中的风流方向。当风流改变方向后，主要通风机供给的风量不应小于正常风量的40。 （2）每季度应至少检查1次反风设施，每年应进行1次反风演习；矿井通风系统有较大变化时,应进行1次反风演习。4、局部反风：当采区内发生火灾时，主要通风机保持正常运转，通过调整采区内预设风门的开关状态，实现采区内部部分巷道风流反向的反风方式。这样就把火灾烟流直接引向回风巷道，防止火灾烟流侵入回采工作面威胁人员健康，影响正常生产。在进行采区的设计时，应考滤布置局部反风系统。包括局部反风联络巷道和反风风门等设施。 （三）反风演习1、反风演习的目的和意义(1) 矿井反风是为了使矿井灾变时，尤其是发生火灾事故

27、时缩小灾害波及范围，使可能受影响地方的人员能够有充分的时间按避灾路线撤至地面，从而减少因火灾等事故而带来的人员伤亡(2) 通过反风演习，掌握矿井各主扇反风性能，测定矿井主要巷道、风井反风风量，验证矿井各主扇反风量能否达到煤矿安个规程要求的反风量不小于原风量的40%以上。(3) 通过反风演习，测定矿井CH4和CO2涌出量，分析反风前后矿井有害气体的变化。(4) 通过反风演习，观察井下采空区密闭内气体变化规律。(5) 通过反风演习，测定矿井自然风压、风量。(6) 通过反风演习使井下人员熟悉避灾路线和方法，一旦发生灾变能安个顺利脱险。(7) 观测个矿井反风和区域性反风以后，井下主要巷道的风流力向、风量的变化情况，为年度灾害预防处理计划的制定提供理论依据(8) 通过反风演习，查找问题，提高矿井抗灾能力，并为领导决策提供齐种理论数据及经验。2、反风技术要点（1）在以往的矿井火灾预防与处理计划中，所要求绘制的避灾路线图，一般只表示进风和回风巷发生灾害的避灾线路，而多种火灾发生地点的避灾路线