矿井排水、通风、压气设备选型设计

第四章矿井排水、通风、压气设备选型设计第一节矿井排水设备选型设计在矿井建设和生产过程中，涌入矿井的水流称为矿水，矿水主要有大气降水、地表水、含水层和老空区水等。矿水积聚在巷道中不但影响生产，而且还威胁着工作人员的健康和安全，因此需要把矿水及时排出。有时也需要向井下提供生产用水，如水力采煤、喷雾除尘等。矿井生产中无论是排水或供水，都由排水设备来完成。矿井排水系统由矿井深度、开拓系统以及各水平涌水量的大小等因素来确定。一、排水设备选型所需原始资料（1）矿井水平数及各水平服务年限；（2）各水平及井口标高；（3）各水平的正常涌水量q（m3/h），最大涌水量qm（m3/h）），及最大涌水持续天数；（4）矿水的物理、化学性质如密度ρ、PH值等；（5）井筒及井底车场布置图；（6）矿井年产量、沼气、瓦斯等级、供电电压等；（7）有关的规程、规范、教材等；（8）有关水泵、电动机、管路等方面的资料。二、排水系统方案的确定在我国矿山中，目前通常采用集中排水。集中排水开拓量小、管路敷设简单、管理费用低，但由于上水平的水需流到下水平后再排出，增加了部分电耗。所以，在排水方案选择时，应尽可能采用直接排水和集中排水，当同时开采的水平数不多时，可将各水平的涌水直接排到地面；如水平数较多，井较深时，也可采用分段排水；如采区涌水量较大、距离井筒较远且距地表不深时，也可经过钻孔敷设排水管直接排到地面。当矿水无腐蚀性或腐蚀性较小时，可采用普通清水泵（如D型、DS型、MD型、DK型等），当腐蚀性较强时（PH＜5），应采用防酸型水泵（DF型等）。三、初选水泵型号、台数我国《煤矿安全规程》对井下排水和排水设施要求规定如下：（1）水泵：作为主要排水设备，必须有工作、备用和检修的水泵。工作水泵的能力，应能在20h内排出矿井24h的正常涌水量（包括充填水及其他用水）。备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%。工作和备用水泵的总能力，应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量。检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。水文地质条件复杂的矿井，可在主泵房内预留安装一定数量水泵的位置。（2）水管：必须有工作和备用的水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量。工作和备用的水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。（3）配电设备：应同工作、备用以及检修水泵相适应，并能够同时开动工作和备用水泵。有突水淹井危险的矿井，可另行增建抗灾强排能力的泵房。主要泵房至少有2个出口，一个出口用斜巷通到井筒，并应高出泵房底板7m以上；另一个出口通到井底车场，在此出口通道内，应设置易于关闭的既能防水又能防火的密封门。泵房和水仓的连接通道，应设置可靠的控制闸门。主要水仓必须有主仓和副仓，当一个水仓清理时，另一个能正常使用。新建、改扩建矿井或生产矿井的新水平，正常涌水量在1000m31．工作水泵必须的排水能力m3/h（4—1）式中ＱB—工作水泵必须的排水能力，m3/h；qz—正常涌水量，m3/h；2．初选水泵型号根据QB查表4—1到表4—7选择满足要求且效率高、工作可靠、性能优良的水泵，如单台泵的流量不能满足要求时，可采用多台水泵串联或并联工作。水泵型号选定后，查出其最大效率点处流量Ｑ1、单级扬程H1，及0流量单级扬程H0。表4-1泵性能表泵的型号流量Q总扬程H(m)转数n(r/min)功率（kW）效率(%)允许吸上真空度（m）叶轮直径D（mm）质量（kg）(m3/h)(L/s)轴功率N电机功率1BA-66111431429004453128301BA-6A51629003850115301BA-6B9132900354945105302BA-6102030212900464162352BA-6A1020302029003148352BA-6B1020252229006594132352BA-91120253721162900566866127362BA-9A10172215132900546563117362BA-9B10152018122900516062106363BA-630456070625750290064218116

续表泵的型号流量Q总扬程H(m)转数n(r/min)功率（kW）效率(%)允许吸上真空度（m）叶轮直径D（mm）质量（kg）(m3/h)(L/s)轴功率N电机功率3BA-6A304050604530290015556264591921163BA-94045552900168503BA-9A2535457252900145603BA-13929004768075132413BA-13A29003758074120413BA-13B2900636562110414BA-665901151351825329891812900556368662721384BA-6A65851051258276290040662501384BA-870901091202559432900306969662181164BA-8A70901092548432900226769652001164BA-126590120182528290010.872781781084BA-12A60851102900157076163108续表泵的型号流量Q总扬程H(m)转数n(r/min)功率（kW）效率(%)允许吸上真空度（m）叶轮直径D（mm）质量（kg）(m3/h)(L/s)轴功率N电机功率4BA-1865901101825202900117578745143594BA-18A608095290074765130594BA-2554799915221029007078675126444BA-25A50728614202414112900475725114446BA-811014017020014503070753281666BA-8A11014017020014502272763001666BA-8B110140180145074652751666BA-1211016020014507681792681466BA-12A951501805016145011802401466BA-1812616218735455214507884742201346BA-18A11514416232404511814507074682001348BA-122202803403214504080803151918BA-12A2002502902624145030812901918BA-18200285350611002018141450222681808BA-18A200260320871450782501808BA-2521627032460759014508083822261438BA-25A191238285536679145011778078212143表4-2泵性能及配套电机型号表泵的型号级数流量Q扬程H(m)转速()功率N(kW）效率(%)允许吸上真空度H(m)叶轮直径(mm)质量(kg)可配用的电动机型号(m2/h)(l/s)轴功率电机功率DS450-10043204506008912516744040033662067277680062731153003100JK800KW-2P532045060089125167550500420775840970100062731153300JKZ100KW-2P63204506008912516766060050493010081164125062731153500JKZ1250KW-2P732045060089125167770700588108511761358160062731153700JKZ1600KW-2P832045060089125167880800672124013441552160062731153900JKZ1600KW-2P932045060089125167990900756139515121746200062731154100JKZ2000KW-2P103204506008912516711001000840155016801940200062731154300JKZ2000KW-2P图4－1DS450－100型泵特性曲线图表4-3泵性能及配套电机型号表泵型号级数流量Q扬程H（m）转速功率N（kW）效率(%)允许吸上真空度H（m）叶轮直径（mm）质量（kg）可配用的电动机型号（m2/h）（l/s）轴功率电机功率D450A-60D450-60340045055011112518016214802833607678807JSQ-147-4(6kV)440(kW)44004505501111252462402164407678807JSQ-148-4(6kV)440(kW)54004505501111253002704416807678807JSQ-158-4(6kV)680(kW)64004505501111253693603246666807678807JSQ-158-4(6kV)680(kW)74004505501111254203788507678807JSQ-1510-4(6kV)850(kW)84004505501111254924804328507678807JSQ-1510-4(6kV)850(kW)940045055011112554048610507678807JSQ-1512-4(6kV)1050(kW)1040045055011112561560054088210507678807JSQ-1512-4(6kV)1050(kW)1140045055011112566059412507678807图4－2D450－60型泵特性曲线图表4-4泵性能及配套电动机型号表泵的型号级数流量Q扬程H（m）转速功率N（kW）效率(%)允许吸上真空度H（m）叶轮直径（mm）质量（kg）可配用的电动机型号（m2/h）（l/s）轴功率电机功率D280-1004250280300420400392298063747777JK-630(6kV)630(kW)5250280300525500490630747777JK-630(6kV)630(kW)6250280300630600588580800747777JK-800(6kV)800(kW)72502803007357006861000747777JK-1000(6kV)1000(kW)82502803008408007841250747777JK-1250(6kV)1250(kW)92502803009459008221250747777JK-1250(6kV)1250(kW)10250280300105010009801250747777JK-1250(6kV)1250(kW)图4－3D280－100型泵特性曲线图

表4-5泵性能及配套电动机型号表泵的型号级数流量Q扬程H（m）转速功率N（kW）效率(%)允许吸上真空度H（m）叶轮直径（mm）质量（kg）可配用的电动机型号（m2/h）（l/s）轴功率电机功率200D4321902883465380961480110738078JR115-4(3kV)110(kW)3190288346538096150738078JR117-4(3kV)150(kW)4190288346538096220738078JR136-4(3kV)220(kW)5190288346538096300738078JR138-4(3kV)300(kW)6190288346538096300738078JR138-4(3kV)300(kW)7190288346538096360738078JR147-4(3kV)360(kW)8190288346538096410738078JR138-4(3kV)410(kW)9190288346538096440738078JR148-4(3kV)440(kW)图4－4200D1－65型泵特性曲线图图4－5200D43型泵特性曲线图

表4-6泵性能及配套电动机型号表泵的型号级数流量Q扬程H（m）转速（r/min）功率N（kW）效率(%)允许吸上真空度H（m）叶轮直径（mm）质量（kg）可配用的电动机型号（m2/h）（l/s）轴功率电机功率200D16521902803361480180765JR117-4(380V)180(kW)3190280336300765JR136-4(6kV)300(kW)4190280336350765JR137-4(3kV)350(kW)5190280336410765JR138-4(3kV)410(kW)6190280336500765JSQ1410-4(6kV)500(kW)7190280336680765JSQ158-4(6kV)680(kW)8190280336680765JSQ158-4(6kV)680(kW)9190280336850765JSQ1510-4(6kV)850(kW)10190280336850765JSQ1510-4(6kV)850(kW)

表4-7水泵泵性能表泵的型号流量Q扬程H（m）转速功率N（kW）泵效率（%）允许吸上真空高度Hs(m)叶轮直径D（mm）质量（kg）（m3/h）(l/s)轴功率电机功率DK400-1128339019811410314801311661906771704551200DK400-11A3684711027514801001311401506770694301195DK400-11B24134043812288791480961061141256569684001187DK100-2228330049822820617114802623324106771704552396DK400-22A368471204183250148026227930067706954302386DK400-22B211310438122176158129148018021222726065696814002370图4－6DK400－11型泵特性曲线图图4－7DK400－22型泵特性曲线图3．计算净排水高度m（4—2）式中Hx—吸水高度，通常取4~5m；Hp—排水高度，取开采水平距井口的标高差，再加1m的富裕量。4．水泵必须的扬程作为估算可认为水泵必须产生的扬程m（4—3）式中α——排水管沿斜井敷设时的倾角。当管路长度较小时取0.12；管路长度较大时取0.1；通常可取0.1。5．预选水泵级数（4—4）式中H1——水泵的单级扬程，m；取与i接近的或稍大整数。6．校验水泵工作的稳定性（4—5）式中H0—水泵零流量单级扬程，m；7．确定水泵台数如工作水泵台数为n1，则备用水泵台数取n2≥1,并须验算工作与备用水泵的总能力能否满足式（4—6）要求，如不能满足要求，则应增加备用水泵的台数，检修水泵的台数取n3≥1的整数，泵房内水泵的台数为n=n1+n2+n3。（4—6）式中—工作与备用水泵必须的排水总能力，m3/h；qmax—最大涌水量，m3/h；四、确定管路的条数、规格及泵房内管路布置（一）确定管路的条数《煤矿安全规程》规定，排水系统水管必须有工作水管和备用水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量。工作和备用的水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。根据《规程》规定确定排水管路的条数，通常排水管为两条，三条或四条，其中一条备用，对于每一台水泵，均应有单独的吸水管。泵房内排水管的布置方式应尽量使每一台水泵都能与任一条排水管连通或断开，推荐采用图4—8的布置方式。（二）计算管径已知在正常涌水时期有n1台水泵工作，如选定工作管路条数为np,则每条排水管平均流量应为（4—7）图4－8排水系统管路布置方案图a-两台泵一趟管；b-两台泵两趟管；c-三台泵两趟管；d-四台泵三趟管；e-五台泵三趟管；f-三台泵两趟管；则排水管内径为m（4—8）式中——排水管内径，m；Ｑp——排水管中的流量，m3/h；vp—排水管内的流速，通常取经济流速vp=1.5~2.2m/s对于吸水管内径，通常比排水管内径大25mm，以降低流速，减少损失，取得较大的吸水高度。此时，必须的吸水管内径为m（4—9）根据计算的、选取标准管径。标准管径可按表4—8、表4—9选取。（三）选择管材、计算管壁厚度选择管材的主要依据是管子将要承受的水压大小。一般情况下，当排水垂高不超过100m时，可选取铸铁管；不超过200m时可选取焊接钢管，超过200m时多采用无缝钢管；管子选定后，其管壁厚度也就确定了，对于排水管，要求其管壁厚度要能满足承压要求，需要下式进行验算cm（4—10）式中dp—所选标准管内径，cm；σz—管材许用应力，对铸铁管σz=20Mpa，焊接钢管σz=60Mpa，无缝钢管σz=80Mpa；p—管内水压，取p=gMpa，式中Hg为排水净高度，m；C—附加厚度，铸铁管C=0.7~，焊接钢管C=，无缝钢管C=0.1~。若计算值δ大于所选标准厚度，则应重新选择后再验算，直到满足要求。吸水管壁厚不需验算。

表4-8热轧无缝钢管（YB231-70）（mm）外径壁厚外径壁厚外径壁厚外径壁厚323842455054576068707376838995102108114121127133140146152159168180194203219245273299325351377402426459(465)480500530(550)560600630壁厚尺寸系列6789101112131415161718192022（24）25（26）283032（34）（35）36（38）40（42）（45）（48）50566063（65）7075～12.5m；2.常用材料：10，20，45。3.管的理论质量（钢密度为）计算公式：G=0.02466×(D-d)kg/m（D、单位为mm）。4.标记示例：外径60mm，壁厚10mm，长度1000mm的热轧无缝钢管：管60×10×1000。5.带括号的规格，不推荐使用。表4-9冷轧无缝钢管（YB231-70）外径壁厚外径壁厚外径壁厚外径壁厚4567891011121314151617181920210.25～222324252728303234353638404245485051535456576063656870737576808385899095100102108110120125130133140150160170180190200壁厚2.0尺寸101112注：1.管长度：≤1mm时为1.5～7m；>1mm为1.5～9m。2.常用材料：10，20，45。3.管的理论质量见上表注。

五、工况点确定及校验（一）当量管路特性如有n1台水泵通过np条管路排水，当水泵流量为Ｑ1时，吸水管内流量为Ｑ1，排水侧渐扩管、逆止阀及第一个闸阀处流量也是Ｑ1，进入并联排水管后，每条管路内流量为Ｑp=n1Q1/np，此时，管路阻力为吸水侧阻力，排水侧并联前阻力及排水侧并联后阻力三部分之和（4—11）式中，为吸水管内阻力损失；，为并联前排水管中的阻力损失；，为并联后排水管中的阻力损失；上式中Hg—净排水高度，m；λx、λp—吸水管和排水管中沿程阻力损失系数；、—吸水管和排水管的沿程管路长度，m；Dx、dp—吸水管和排水管的内径，m；∑ξx、∑ξp1、∑ξp2—吸水管、排水管并联前及并联后的局部阻力损失系数和；式中Vx、V1、Vp—分别为吸水管、排水管并联前及并联后的管路中平均流速，m/s；在式（4—11）中代入各阻力损失及流速的表达式可得（4—12）由于管路内部积垢而使管路有效断面积减小，流速加大，从而增加阻力损失，假设管路内径最多减少10%，则上面得到的阻力损失应乘以的系数，得（4—1３）式中Ｑ1——每台水泵的流量，m3/h；如的Ｑ1单位用L/s，则上式可化为（4—1３a）式（4—1３）、式（4—1３a）称为当量管路特性，其中沿程阻力系数λ由舍维列夫公式计算（4—14）式中d——管内径，m；式（4—12）、式（4—1３）等公式中ξx，ξp为各种管件的局部阻力系数，可查表4—10选取。如将各种管件的局部阻力改用等值管长表示，可以将局部损失转移为数值相等的沿程损失。其等值管长。则式（4—1３）化为（4—15）式（4—1３a）化为（4—15a）式中lxe——吸水管路中各管件的等值管长，m；lp1——排水管路并联前（通常是一个渐扩管、一个逆止阀、一个闸阀）各管件的等值管长，m；lp2——排水管路并联后的管件及出口动能损失的等值管长，m。如不采用并联，每台水泵均有自己的吸、排水管，则（4—16）式中∑ξx、∑ξp—分别为吸水管、排水管路中全部管件局部阻力系数之，Q1用m3/h的单位，如Q1用L/s的单位，则为（4—16a）（二）确定水泵工况点由于一般样本上泵的特性曲线是指单级泵的特性曲线，如果选择的是多级水泵，必须先换算为多级水泵的扬程曲线。在水泵特性曲线图（用单台泵的特性曲线而不用多台泵并联的特性曲线）上按相同比例画出当量管路特性曲线，与水泵特性曲线的交点即是水泵的工况点。应对正常涌水时期与最大涌水时期分别做图，用正常涌水时期的工况点参数Ｑ′、Ｈ′、η′、N′、H0′及最大涌水时期的工况点参数Ｑ〞、Ｈ〞、η〞、N〞、H0〞。（三）验算水泵的经济性水泵的工况点最好在工业利用区内最高效率点的右侧，如所得的工况点流量过小，可考虑增加水泵级数，加粗管径或重选水泵重新计算；如工况点流量过大，也可考虑减少水泵级数。（四）验算水泵的吸水高度（4—17）式中Hs——水泵允许吸上真空度，m。如选用的吸水高度Hx满足此式，则合格。如不合格，可考虑加粗吸水管以减小吸水管内流速Vx、或减小工况点流量、降低吸水高度Hx，也可采用升压泵注水。关于升压泵注水，可参考有关流体机械教材。（五）验算水泵的轴功率KW（4—18）式中ρ—矿水密度，kg/m3；Ｑ′—工况流量，m3/h；H′—工况扬程，m；η—泵工况效率；ηc—传动效率，可取ηc=0.95~0.98，直联取ηc=1；检验此值是否小于水泵配套电动机的轴功率且有10%左右的备用量。（六）验算水泵工作时间（4—19）如满足此式，则合格。对最大涌水时期也须进行类似的计算与验算，当最大涌水量与正常涌水量差别不大时，最大涌水时期不需要将全部备用水泵都投入运行，此时最大涌水时期的工况点可能和正常涌水时期的工况点相同。当最大涌水量远大于正常涌水量时，如只有一条备用管路，则最大涌水时期由于水泵并联情况不同，水泵流量可能下降，从而使排水时间不能满足要求，此时须增加备用管路条数或加粗排水管内径。由于最大涌水时期与正常涌水时期水泵工况点不一定相同，因此，最大涌水时期也要进行验算。六、计算电耗全年排水电耗可按下式进行计算（4—20）—水泵房辅助用电系数；ρ—矿水密度，可取1020kg/m3，则ρg/1000≈10；ηc—传动效率，可取ηc=0.95~0.98，直联取ηc=1；ηd—电动机效率，可取ηd=0.92；ηw—电网效率，可取ηw=0.95；η′、η″—正常、最大涌水时期水泵效率；Ｑ′、Ｑ″—正常、最大涌水时期水泵流量，m3/h；H′、H″—正常、最大涌水时期水泵扬程，m；n1、n′—正常、最大涌水时期水泵工作台数；TB、Tm—正常、最大涌水时期每台水泵每日工作小时数；rB、rm—一年内正常、最大涌水持续天数，可分别取305，60。计算出每年排水电耗后，即可计算每吨煤的排水电耗，排水电费，以及每排一吨水的排水电耗及电费。第二节矿井通风设备选型设计一、矿井通风设备选型概要矿井通风的基本任务是：保证井下空气质量符合国家安全卫生标准，确保井下作业人员生存和生产足够的氧气，冲淡并排出井下空气中的各类有毒有害气体和粉尘，调节井下温度，创造良好的生产环境，保证设备的正常运行，保障井下人员身体健康和生命安全，充分发挥劳动效能，提高生产率，提高矿井抗灾与灾害发生时的救灾能力，以达到安全生产的目的。矿井通风设备就是向井下输送空气的设备，是矿井生产的关键设备。通风设备的好坏，不仅关系着整个矿井的电力消耗、生产成本，还关系着矿井的生产安全和井下工作人员的生命安全。通常情况下，井下每采出1t煤炭就要向井下输送4～6t新鲜空气。矿井主要通风机的电耗平均占煤矿电耗的8％～15％，所以在通风设备的选择设计中，对于技术经济合理性必须予以充分考虑。如果通风机停止运转达到一定时间，井下人员就要撤出，生产就要停顿，所以在进行通风设备的选择设计时，对其可靠性必须予以足够的重视。矿井通风机选型设计的主要任务是合理选择通风机的形式、型号（叶轮直径），确定电动机的容量、型号及传动方式，确定通风机的运转工况点。矿井通风设备能否连续正常运转，关系着煤矿的安全生产，运转效率的高低影响着矿井的电力消耗及生产成本。因此，矿井通风机选型设计的基本原则，就是保证通风机运转的可靠性及经济技术合理性。根据这个原则，在矿井通风机选型设计中，应充分考虑以下问题。（1）保证安全运转矿井通风机的安设地点、配置方式、备用台数、必须符合《煤矿安全规程》规定，优先考虑选择运行可靠、便于维护检修的产品作为矿井通风机，以保证其能不间断地向井下供给充足的新鲜空气，满足安全、生产的需要。（2）设备性能符合矿井的需要通常情况下，矿井投产初期产量较低，巷道较短，因此需要的峋较小，通风的阻力较小，但随着矿井生产的发展，其需要的峋及通风的阴力也将逐渐增加。为了保证通风机的经济运转，在选型设计是，既要考虑到初期的需要，也要考虑到矿井的发展，使其整个服务期间风量、负（正）压均能满足矿井通风的需要，在比较高效的工作区运转。（3）经济合理选择通风机时，不但要考虑其设备、安装及封建工程费用，而且要考虑其运转、维护费用，要把初期的建设投资和投入使用后的运转、维护费用结合起来进行对比选择，以保证通风机在整个服务期间内的经济合理性。（4）噪声符合规定选择通风机时，应使其噪声符合环境保护的规定。若达不到规定要求时，应考虑采取消声措施。二、矿井通风设备选型设计的基本要求：新建矿井每一风井必须装高两套型号规格相同的通风设备及辅助装置，其中一套作为备用。且备用通风设备及辅助装置必须能在10min内启动工作。选择通风设备应符合下列规定：（1）应满足矿井第一水平开采各个时期的工况变化需要，并要求通风设备在较长时期内高效运行；当工况变化较大时，应岔气矿井采区分期投产时间及节能情况分期选择电动机；必要时，可采用电气调整装置调整风量及负压满足工况要求。（2）通风机能力应留有一定余量。轴流式通风机在最大设计风量和负压时，叶轮运转角度应比设备允许范围小5°；离心式通风机的选择设计转速不应大于设备允许最高转速的90﹪。（3）通风机电动机的选择、一般宜采用鼠笼型或绕线型异步电动机传动，但容量较大时宜采用同步电动机传动，电网容量允许时应采用直接启动方式。（4）对轴流式通风机应校验电动机的正常启动容量和反风容量。选用的通风设备辅助装置（包括风道及风门）计算风量所采用的漏风系数应符合以下规定：（1）专用通风井应取1.05。（2）箕斗井兼作回风用时应取1.15。。通风设备的辅助装置应尽量采用先进的防漏风设施。通风设备及辅助装置安装布置应符合下列规定：（1）在同一通风井后期需换装见机时，应预留风道接口和通风机房位置。（2）反风风门的起重量大于1t时，应采用电动、手摇两用风门绞车，并集中操作；手动风门绞车宜集中布置。（3）通风机房可根据安装检修实际需要设置起重梁或起重机。通风机的反风应符合下列规定：（1）通风机的反风量不小于正常供风量的40﹪。（2）采用轴流式通风机时，宜采用可调叶片方式反风或倒转反风。（3）采用离心式通风机时，应采用反风道反风。通风设备的噪声控制应符合以下规定：（1）通风机房内的噪声值不得超过85dB，且应设置隔音值班室。（2）通风设备对附近居民区的噪声值不得超过55dB,并符合现行《工业企业噪声卫生标准》的有关规定。当达不到要求时，应采取消声措施。三、矿井通风设备选型设计的任务和步骤（一）选型设计必备的原始资料（1）矿井通风方式及通风系统图；（2）矿井所需风量：通风容易时期所需风量Ｑ′，通风困难时期所需风量Ｑ″，一般情况下两者相等；（3）矿井所需负压，通风容易时期所需负压P′，通风困难时期所需负压P″；（4）矿井沼气等级、供电电压等；（5）矿井年产量及服务年限等；（6）预计装风机的井口地面情况；（7）有关的通风机、电动机资料等；（8）其它有关资料如规程、规范、教材等。（二）矿井通风设备选型设计的具体任务：（1）选择风机类型和型号；（2）选配辅助装置；（3）确定设备组合方案；（4）提出通风设备经济核算结果。（三）矿井通风设备选型设计的步骤选型设计时，一般可按以下步骤进行各方案的计算：1．计算通风机必须产生的风量和风压；2．选择通风机类型、型号和台数；3．确定风机的工况点；4．计算电动机的必需容量及耗电量；5．确定设备组合方案；6．经济核算；7．筛选并确定方案；8．绘制设备组合图。三、注意事项（1）通风机与扩散器合称通风机装置，通风机装置的参数以下标z表示，在通风机选型时亦可称为风源，风源的参数以下标y表示。（2）矿井通风网路的阻力损失由风源的静压克服，当选用轴流式通风机时，厂家提供通风机装置的静压特性，可以直接利用。当选用离心式通风机时厂家只提供通风机自身的全压特性，必须首先选定扩散器的形式及尺寸比，换算出风源的静压特性后再进行计算。不论选用哪种风机，都需将引风道的阻力损失加入到通风网路中去。（3）通风机台数我国《煤矿安全规程》规定：主要通风机必须装置两套同等能力的通风机（包括电动机），其中一套做备用。四、矿井通风设备选型设计的具体计算（一）风源所必须产生的风量m3/s（4—21）式中Ｑ—矿井所需风量，m3/s；K—；如果通风容易时期矿井所需风量与通风困难时期矿井所需风量不同（一般情况下，两者相同）则应分别计算对应的与。（二）风源所必须产生的负压在已知风源静压特性的情况下，要求其产生的静压Pa（4—22）式中P—矿井所需负压，Pa；△P引—引风道内阻力损失，可取为100～200Pa；△P消—有消声装置时的附加阻力损失，可取为50～80Pa；因通风容易时期的矿井负压不同于通风困难时期的矿井负压，故应分别计算相应的与。五、利用类型特性选择离心式风机（一）选定扩散器的形式与尺寸比由于厂家不供应扩散器，因此必须首先确定扩散器的形式及尺寸比。可由相关流体机械教材或手册塔式扩散器及平板式扩散器的损失系数曲线查出损失系数。目前矿井一般选用塔式扩散器，推荐取面积比n=2.4、相对长度，则扩散器全损失系数LK=0.32，其中动能损失系数为，扩散器内部损失系数，此时扩散角。（二）求风源的静压特性设通风机的全压系数为，动压系数为，静压系数为，通风机的流量系数为；风源的静压系数为。如通风机出口截面积为F,出口断面平均流速为u，则通风机的动压为（4—23）而（4—24）对于同一类型的通风机，其为定值，故与成正比，代入三种常用的离心式通风机的参数，可得4—72型通风机，G4—73型通风机，K4—73型通风机,K4—73型通风机的表达式由K4—73—01型No32的资料算出，如由K4—73—02型No28F的资料，可得K4—73型的表达方式为选定通风机的类型后，由通风机的全压特性曲线中减去相应的扩散器全损失，即得风源的静压特性曲线（4—25）利用效率与负压间的比例关系，可得风源的静压效率曲线（4—26）式中η—通风机的全压效率。（三）计算风源的等积孔系数对应风源最大静效率处为最佳工况点，利用该点、可得风源的等积孔系数其中—对应风源最大静效率处的流量系数；—对应风源最大静效率处的静压系数。（四）计算矿井等积孔通风容易时期为最大等积孔A′；通风困难时期为最小等积孔A″。m2（4—27）m2（4—27a）平均等积孔m2离心式通风机的最高效率点接近工业利用区的中部，因此，选择离心式通风机时，应使其最高效率点近似对应于平均等积孔。当风源对该矿井网路工作时,若工况稳定,则风源风量等于等效网路风量,风源静压等于等效网路负压。（五）计算并确定通风机叶轮直径由代人空气密度ρ=/m3；，得（4—28）（4—28a）令平均等积孔AP对应于风源最大静效率时的得m（4—29）选定与计算D值最接近或偏小的标准直径D。（六）反求等积孔系数由于选择的通风机叶轮直径与计算值有差异，等积孔对应的等积孔系数发生变化，故应分别求出通风容易时期的等积孔系数与通风困难时期的等积孔系数（4—30）（4—30a）式中D——实际选择的通风机叶轮直径（七）求工况点由得（4—31）它表示过原点的抛物线，可设不同的值，求出对应的值，从而描画出相应的与的两条抛物线，它们与风源的静压曲线的交点即是通风容易时期与通风困难时期的工况点，可求出相应的流量系数、及相应的风源静效率、。（八）求通风机转数由，可分别求出通风容易时期与通风困难时期的通风机转数n′、n″。（4—32）（4—32a）（九）选择电动机在通风容易时期和通风困难时期，电机必须输出的功率分别为KW或KW（4—33）和KW或KW（4—33a）式中ηc——为传动效率。以上各式中各符号加“′”者为通风容易时期参数，加“″”者为通风困难时期参数。在根据各时期必须输出的功率，决定电机容量时，应考虑由于矿井网路特性不够精确，所需功率有可能不足的情况，增加10～20%的备用量。）Ｎ″。采用感应电动机时，若通风困难时期发生在电机服务期限内，而且N′对N″）Ｎ″的电机。若N′对N″之比小于0.6，为了减少由于负载小）Ｎ″，前期采用的电机。（十）平均年电耗由于通风网路阻力系数随着开采工作的推移而变化，工况点和电耗也随之而变。因此，难于非常精确的计算电耗。对于通风网路阻力系数变化不大，而且中期无需进行调节的通风机，可按下式计算平均年耗电量(KW—h)（4—34）式中ηd—电机效率；ηw—电网效率；r—每天工作小时数；T—每年工作昼夜数。当要求精度较高时，可按通风机调节时，功率及电耗的确定的方法计算确定。4—72型通风机类型特性参考图4—9，G4—73型通风机类型特性参考图4—10，K4—73型通风机类型特性参考图4—11。图4－94－72－11型离心风机类型特性图4－10G4－73－11型离心风机类特性图4－11K4－73－01风机类型特性例：已知须要风源流量Qy=110m3/s，须要风源负压，。利用图4—10中G4—73—11型离心式通风机类型特性选择离心式通风机。1．选定扩散器选用塔式扩散器，取面积比n=2.4、相对长度，则扩散角，扩散器全损失系数LK=0.32。2．求风源的静压特性由得到不同时对应的、值，列于表4—11中（即、）。最大静效率点位于，得风机的等积孔系数为

表4—11G4—73—11型离心式通风机类型参数选用塔式扩散器，n=2.4，，，LK=0.32。3．矿井等积孔所以4．确定风机直径选定D=。5．反求等积孔系数6．求工况点：参看图4—12时，利用式（4—31）得的关系曲线，当分别为0.26与0.27时，得分别为0.3530，0.3807；绘入图4—12中与曲线交点为，。时，利用式（4—31）得的关系曲线，当分别为0.19与0.20时，得分别为0.4242，0.4701；绘入图4—12中与曲线交点为，。图4－12G4－73－11型离心风机类型特性求工况点7．求通风机转数8．求通风机功率由于功率加大，只能采用直连传动，ηc=1。9．电动机功率大于263.1，在服务期限内分两段选择电动机。初期按选择电动机，可取同步转速600r/min。后期按N2=1.1×555.5=611KW,选择电动机，可取同步转速750r/min。10．电耗年/度七、利用类型特性选择轴流式通风机轴流式通风机的最高效率点接近工业利用区的上部，因此选择轴流式通风机时，应使其最高效率点近似对应于最小等积孔。（一）计算风源最高静效率点处的等积孔系数（4—35）式中——风源最高效率点流量系数；——风源最高效率点静压系数。（二）计算并选择工作轮直径m（4—36）式中A″——矿井通风困难时期等积孔。选择接近的标准直径D。（三）计算通风机转数按照通风困难时期选定通风机转数r/min（4—37）根据功率大小，是否进行调速，选定通风机的转数n，并反求圆周速度然后求换算系数KP、KＱ之值（4—3８）（4—3８ａ）式中ρ—空气密度，通常取ρ=/m3。（四）求工况点}（4—39）在类型特性曲线上标出该二工况点，如果能满足效率、稳定性等方面的要求即可。例：已知须要风源流量Qy′=100m3/s，Qy″=100m3/s；须要风源负压，。利用图4—14中2K—60型轴流式通风机1．由图中看出采用35°安装角最高效率点处参数约为、、2．求等积孔3．确定风机直径选定标准直径D=。4．反求等积孔系数5．计算通风机转数按照通风困难时期选定通风机转数r/min取标准转数n=750r/min，则速度m/s求换算系数KP、KＱ之值6．求工况点矿井服务初期预期工况点为，，，，七、利用个体特性曲线选择通风机在个体特性曲线上直接标出工况点，如果能满足效率、稳定性等方面的要求即可。八、通风机调节时，功率及电耗的确定（一）通风机的调节状态矿井投产后，井下巷道不断延伸，通风阻力不断加大。因此，通风机工况点不断移动，风量不断减少，当风量减少到一定程度时，就需进行调节（加大风机转数或增加叶片安装角等），再经过一定时间，又须再次进行调节。每一个通风机转数或每一个叶片安装角，称为通风机的一个调节状态。在整个通风机的服务期限内，须经若干个调节状态，各个调节状态的持续时间不一定相同。（二）根据工况曲线计算各调节状态持续时间内的电耗对于通风网路阻力系数变化较大，中期需要进行调节的通风机，可分期计算电耗，而后求平均值。为了便于叙述，借助图4—13示例，曲线1和2，分别为通风容易时期和困难时期等效网路特性曲线，需要风机产生的风量为Qy为300m3／s，通风容易时期采用35°安装角，工况为d。运转一定时期(TQ1)后，网路特性逐渐变化到曲线3，此时需调节安装角到40°，否则将不能满足风量Qy。调节后，工况点转移到e，再运转一定时期(TQ2)后，网路特性变化到曲线2，工通常情况下，通风容易时期出现在开采初期，困难时期发生在末期。可近似地认为，由初期至末期通风所需风压与运转期成线性关系，则各运转时期占整个运转期TQ的比值为（4—40）式中Pa，Pb，Pc——初期，末期，和转折期产生风量Qy所需的风压。各时期平均年电耗可按下式计算KW·h（4—41）式中Ｑpi—该运转时期平均风量，m3/s；Hpi—该运转时期平均风压，Pa；ηpi—该运转时期平均效率；ηc—传动效率；ηd—电动机效率；ηw—电网效率；ri—该运转时期每天工作小时数；Ti—该运转时期每年工作昼夜数；i—运转时期号，i=1，2。在整个运转期限内，平均年电耗为KW·h（4—42）图4－13计算平均年电耗示例图4－142K60－Ⅰ轴流式通风机特性曲线(每级工作轮叶片均为14片)注：1中、后导叶同时转动时满足反风条件限线(预计)。2仅中导叶转动时满足反风条件界限线。3满足安全系数等于1.5时的界限线。×2kW2－FBDNo4/3×2kW3－FBDNo4/4×2kW4－FBDNo5/4×2kW5－FBDNo5/×2kW6－FBDNo5/×2kW7－FBDNo×2kW8－FBDNo×2kW9－FBDNo×2kW10－FBDNo×2kW11－FBDNo×2kW12－FBDNo×2kW13－FBDNo×2kW14－FBDNo×2kW15－FBDNo×2kW16－FBDNo×2kW17－FBDNo8/2×45kW18－FBDNo8/2×55kW19－FBDNo9/2×30kW20－FBDNo10/2×55kW图4-15FBD系列矿用压入式对旋国轴流局部通风机性能曲线第三节矿井压气设备选型设计在煤矿，压缩空气主要是作为一种动力源而被广泛采用，这是因为它具有以下良好性能和特点：空气具有很好的可压缩性和弹性，适宜作功能传递中的介质；输送方便，不凝结，可远距离输送；对人无害，没有起火危险；空气资源丰富、廉价。使用压缩空气的风动机械，虽然效率较低，但在煤矿的特殊投条件下，空气没有热损耗，便于输送，同时也没有由于凝结而和生的特殊损耗。与电力机械相比，不会产生火花，这对于有瓦斯矿井的井下作业特别重要。此外，风动机械过载能力强，适合做冲击性和负荷变化很大的工作，在湿度大、气温高、灰尘多的环境中，也能很好地运行。因此，矿井多使用压缩空气驱动小型采掘机械（如风镐、凿岩机等）进行采掘。另外，在煤矿上使用的锚杆喷浆机、气动凿岩机，井口和井底车场用的推车机，井口、井底箕斗装载设备，以及地面机修厂等不少地方，也都用压缩空气作动力源。我国矿山常用的空气压缩机以活塞式为主，其次为螺杆式和滑片式。活塞式空气压缩机由于其比功率最小，当排气表压力为0.7～0.8MPa时，其比功率一般为4.74～6.1kW/（m3·Min-1)，故耗电量少，且易于调节供气量。在我国，活塞式空气压缩杨的产量占总产生的90﹪左右。但该类机组的质量大、外形尺寸大、易损件多、维修工作量大，近年来其发展速度落后于螺杆式和离心式空气压缩机。在煤炭、冶金、石油、化学等矿山开采和输送物料的工艺中需要用大量压缩空气，大容量的离心式空气压缩机得到了广泛应用。与活塞式空气压缩机比较，离心式空气压缩所具有气体不受润滑油脂污染、能长期连续运转、设备紧凑、占地面积小、质量轻、运转平稳、安全可靠、初期投资少等优点。因此，在大型空气压缩机中，离心式空气压缩机已占有绝对优势。目前，在世界各主要工业国家中，离心式空气压缩机的产量比例逐年增加，～420m3kW/（m3·Min-1)。因此，离心式空气压缩机有向中小容量发展的趋势，一般单机排气量在60m3/min以上时，建议选择离心式空气压缩机。螺杆式空气压缩机煤矿压气设备选型设计的原则是必须在矿井整个服务期间内，供给输送距离最远、用气量最多的工人岙足够数量和压力的压缩空气，同时要求设备的初期投资和运转期间内的运行费用最低。一、原始资料（1）全矿风动机械及管见配置图，主要包括：机修厂、井口、井底车场及各工作面每班使用风动机具的型号、规格和台数；（2）各段管路的长度、管网全长，最远采区距离，井口工业场地的标高等。对于改扩建矿井，还要了解原设备的状态、型号民、机房结构及可利用的情况。选型设计的主要任务：（1）选择压缩机的型号、台数。（2）选择各段输气管道的直径。（3）计算主要经济技术指标。（3）绘制压缩空气站布置图。二、选定空压机的型号和台数（一）确定空压机的安装位置《煤炭工来矿井设计规范》规定：选择压缩空气站位置宜靠近用风负荷中心。压缩空气站的集中或分散、井上或井下设置，应根据实际需要通过技术经济比较后确定。一般，压缩空气站设于地面，并集中设置。如遇输气距离太长，以致漏气和压力损失太大而不能正常供气时，也可以考虑采用在地面上分散设站，或在井下设置移动式空压机站，一般应经过技术经济比较后决定。（二）空气压缩机供气量的计算空压机站的总供气量，应以全矿各班生产中所需耗气量最大班次作为计算依据。同时考虑到矿井使用风动工具在工作过程上的不连续性、负荷波动性比较大等因素，进行负荷分析，了解不同单位使用风动工具的规律性，考虑沿途漏气及备用、机具磨损及海拔高度对供气量的影响等因素后决定，按总供气量选定空压机的型式及台数，所需的总供气量为（m3/min）（4—43）式中α1——输气管网漏气系数，按最远输气距离选取，见表(4—12)。α2——风动机具磨损后，耗气量增加的系数，取α2=1.1~1.15，对风动工具取1.15，风动机械取1.1。y——海拔高度修正系数，按表(4—13)选取。ni——在计算的工作班内，第i种风动机具的总台数，如在同一工作面内，同时配有凿岩机和风镐，因不可能同时工作，通常可按耗气量大的凿岩机计算。——同型号风动机具同时工作台数，按表(4—14)选取。qi——每台风动机具的耗气量，m3/min，按表(4—15)选取。表4—12输气管网漏气系数管路全长（km）＜11～2＞2α1表4—13海拔高度修正系数海拔高度（m）500600700800900100011001200130014001500y表4—14同时工作系数同型号风动机具同时工作台数≤1011～3031～60系数～～～对于锚喷机的台数及同时工作系数，应按实际情况计算。因为在一个支管中锚喷机和其它风动工具是错开使用的，当无可靠资料时，大型矿井按4台计算，同时工作系数可按2台：=0.8；3台：=0.6；4台：=0.5。（三）估算空压机必须的出口压力根据《煤炭工业矿井设计规范》规定，选择系统输气管径时，应保证工作地点的压力比风动机具的额定压力大高出一个大气压（），同时还要考虑输氧管路的压力损失、工作面软管的阻力损失，因此埪压机的出口压力可按下式计算Mpa（4—44）式中Phg—风动机具的额定压力，Mpa；λ—每km输气管路阻力损失估计值，取λ～0.04Mpa/km；L—至最远处的输气距离，km；—《煤炭工业矿井设计规范》规定的用气地点压力高于风动工具空公室压力1个大气压，用于橡胶管内阻力损失。煤矿常用风动机械规格表注：圆括号内为工程大气压。（四）选定空压机型号及台数根据计算得出空气压缩机总的供气量和估算的出口压力，可查阅有关空气压缩机产品样本选择满足要求的窟气压缩机。选择时要尽量做到设备投资少，压缩机站占地面积小，使用灵活性大，同时要考虑设备的供应情况等。～0.7MPa。一般选用排气表压力为0.7～0.8MPa的空气压缩机。当个别气动机械使用的压缩空气压力超过上述压力时，可采用增加空气压缩机提高局部压力的措施。对同一空气压缩机站，应尽量选用同一型号、同一厂家的空气压缩机，以便于站房的合理布置和备品、配件的互换，应首先对比空气压缩机的台数、备用台数、比功率、电耗等，若还不能确定，应进行技术经济比较后再确定。在大、中型矿山，为了适应用气负荷的变化，站内也可配置两台能力较小的空气压缩机，以利于经济运行，但型号最好不要超过两种。备用空气压缩机的容量一般为全站计算用气量的20﹪～30﹪，通常备用一台。由于活塞式空气压缩机比功率小，耗电量少，易于调节排气量，故矿山固定式空气压缩机常采用活塞式。大型矿山当同一压缩机站的最大供气量超过600m3/min时，因活塞式空气压缩机的气缸尺寸过大、质量过大，不宜采用单机排气量大于100m在小型矿或露天矿，当采用移动式空气压缩机时，除采用活塞式空气压缩机外，也常采用螺杆式或滑片式空气压缩机。空气压缩机组的冷却方式选择，应结合机组排气量、建站位置的地形特点、水源供应、水质等因素综合考虑。压缩空气站设备选择应符合下列规定：（1）在空压机站内集中设置压缩机时，尽量采用同一型号的空气压缩机，安设台数一般不超过5台，其中备用空压机为一台，可参考有关手册、产品说明书及教材空压机技术规格表选用。（2）在低瓦斯矿井中，送气距离较远时，可在井下主要运输巷道附近新鲜风流通过处，设置压缩空气站，但第台空气压缩机的能力不宜大于20m3（3）压缩空气站内宜设1台备用空气压缩机；当分散设置的压缩空气站之间有管道连接时，应统一设置备用空气压缩机。（4）井下压缩空气站的固定式空气压缩机和储气罐，必然分设在2个硐室内。三、压缩空气输气管的选型计算选择输气管路的原则：投资少，压力损失小，确保供气的需要。输气管路一般先用焊接钢管、螺旋焊缝钢管或无缝钢管，工作面采用橡胶软管，其长度一般小于15m。当选定空压机站位置后，管网系统的布置情况即已确定，所以问题归结为选定各段管子的内径，计算的原则是在整个服务期限内，从空压机站到任何金属输气管的终端，其阻力损失不超过0.1Mpa（即1个工程大气压）。空气压缩机输出的高压气体都是通过压气管道输送给风动机械的，因此整个压气管道也是压气设备的主要组成部分。压气管道的选型计算包括两部分内容：合理选择压气管道直径，计算最远一路压气管道的压力损失并校核是否满足风动机械工作压力要求。每一段管径计算的依据是通过该管的压缩空气流量，一般可按下式简化计算：mm（4—45）式中Ｑ——各段管路的输气量，m3/min；L——各段管路的选径计算管长，m；根据计算的管径，选取稍大于其值的标准管径，标准管径可查阅国标《常用钢管规格尺寸》（GB/T13793-92、GB8162-87、GB8163-87）。工程应用中，一般采用查表法选取管径。可根据式（4-45）的计算，并将其结果选成标准管径，也可根据表4-16选取。表4-16压风管内径选择表标准管径×壁厚/mm管内压气流量(自由)m3·min-1在下述输送距离（m）下的2003004006008001000120014001600180020002100220023002400250026002700φ45×22426283032333536373838383939394040403283033353738404142434445454546464747431343639414344454748495050515151525253437394244464850515253545455555656576363941454750525355565758585959606061φ57×738424447505355565859616162626363646484044465053555759616264646565666767689424648525558606264656667686869707071104348505457606264666869707071727273731247515358626467697172747575767777787914495457616568717375777879808181828383φ73×41652576065687274777981828384858586878718545962687275788082848687888889909191205662657074788183868889909192939494952561677076818588909395979899100101102102103φ89×430667275828790949799102104105106107108109110110356976808692969910310510811011111211311411511611740738084919610110410311111311611711811912012112212345768588951011051091131161181211221231241251261271285079869199105109113117120123126127128129130131133134φ108×455829094102108113118121125128130132133134135136137138608593971061121171211251291321351361371381401411421436587951001091151211251291331361391401411431441451461477090981031121191241291331361391421441451471481491501517592100106115122127132136140143146148149150152153154155809410310811812513013513914314715015115315415515715815985961051111201271331381431461501531551561571591601611639098108113123130136141146150153156158159161162164165166φ133×495100110116125133139144145153156160161163164165167168169100102112118128135142147151155159163164166167169170171173110106116122132140147152157161165168170172173175176178179120110120126137145151157162166170174176177179180182183185130113123130141149156162167171175179181183184186187189190140116127133145153160166172176180184186188189191193194196150119130137148157164171176181185189191193194196198199201160122133140152161168175180185190194195197199201201204206φ159×170125136143156165172179184189194198200202204205207209210180127139146159168176183188193193202204206208210211213215190130142149162172180186192192202206208210212214216217219200133145152165175183190196201206210212214216218220222223220137150158171181190197203208213218220222224226228230231240142155163177187196203209215220225227229231233235237239260145159168182193202209216222227232234236238240242244246φ194×280150164173187198207215222228233238241243245247249251253300154168177192203213221228234239244247249251253256258260350163175187203215225234241247253259261264266268271273275400171187197214226237245253260266272275277280282284287289450179195206223236247256264272278284287289292295297299302φ219×6500186203214232246257267275282289295298301304306309311314550193210222240255266276285293300306309312315317320322325600199217229248263275285294302309316319322325328330333335压气管内径（mm）压气管内径（mm）管内压气流量(自由)m3·min-1标准管径×壁厚/mm2800290030003200340036003800400042004400460048005000520054005600600041414142424343444444454546464647472φ51×47484848495050515152525353545454553φ73×4535353545555565657585859596060606145758585959606161626363644656566675φ89×461626263646465666667686869697070716656566676768697070717272737374747576869697071727273747575767777787879871727273747576767778797980818182839φ108×4747475767778797980818282838484858610798080818283848586878888899090919212848485868788899091929393949596969814888989909293949