现代通风理论与技术

现代通风理论与技术1主要内容第一章煤矿井下风流质量与数量要求

第二章矿井通风系统第三章矿井通风网络理论与算法第四章矿井通风技术管理第五章矿井灾变时期的风流控制第六章矿井通风系统评价第七章矿井通风系统的改造和优化第八章下行通风技术第九章脉动通风第十章可控循环通风技术与研究第十一章矿井通风安全信息技术研究2第一章煤矿井下风流质量与数量要求

1.1风是煤矿井工开采的命脉风———供给井下人员呼吸，保障井下作业人员的身体健康和生命安全；风———稀释和排除井下各种有害气体和矿尘，创造良好的工作环境；风———防止瓦斯、煤尘爆炸；风———以风治火，防治自燃火灾；风———灾变时控制风流，防止事故扩大，抢救遇险遇难人员。由此可见，风是煤矿井工开采的命脉。

3[例1]1982年平顶山某矿“9.7”重大高氮缺氧窒息事故[例2]1996年平顶山某矿“5.21”特大瓦斯爆炸事故[例3]1997年义马某矿“1.25”特大瓦斯爆炸事故[例4]1999年平顶山韩庄某矿“8.25”特大瓦斯爆炸事故4建国以来100人以上煤矿特大事故1.1950年2月27日，义马矿务局义洛矿老李沟井瓦斯爆炸，死亡187人。2.1954年12月6日，内蒙古包头矿务局大发矿瓦斯爆炸，死亡104人。3.1960年5月9日，山西省大同矿务局老白洞矿煤尘爆炸，死亡684人。4.1960年5月14日，四川省江津地区同华煤矿煤与瓦斯突出，死亡125人。5.1960年11月28日，河南省平顶山局龙山庙矿(五矿)瓦斯煤尘爆炸，死亡187人。6.1960年12月15日，四川省中梁山煤矿瓦斯爆炸，死亡124人。7.1961年3月16日，辽宁省抚顺局胜利矿火灾，死亡110人。8.1968年10月24日，山东省新汶局华丰矿煤尘爆炸，死亡108人。9.1969年4月4日，山东省新汶局潘西矿煤尘爆炸，死亡115人。10.1975年5月11日，陕西省铜川局焦坪煤矿瓦斯煤尘爆炸，死亡101人。

5建国以来100人以上煤矿特大事故11.1977年2月24日，江西省丰城矿务局坪湖煤矿瓦斯爆炸，死亡114人。12.1981年12月24日，河南省平顶山局五矿瓦斯煤尘爆炸，死亡133人。13.1991年4月21日，山西省洪洞县三交河矿瓦斯煤尘爆炸，死亡147人。14.1996年11月27日，山西省大同市东村煤矿瓦斯煤尘爆炸，死亡114人。15.2000年9月27日，贵州省水城局木冲沟煤矿瓦斯爆炸，死亡162人。16.2002年6月20日，黑龙江省鸡西局城子河煤矿瓦斯爆炸，死亡124人。17.2004年10月20日，河南郑煤集团大平矿突出并瓦斯爆炸，死亡148人。18.2004年11月28日，陕西省铜川局陈家山矿瓦斯煤尘爆炸，死亡166人。19.2005年2月14日，辽宁省阜矿集团孙家湾矿瓦斯爆炸，死亡214人。20.2005年8月7日，广东省梅州市大兴煤矿透水，死亡123人。6建国以来100人以上煤矿特大事故2005年11月27日，黑龙江省龙煤集团七台河分公司东风煤矿煤尘爆炸，死亡171人。2005年12月7日，河北省唐山市开平区刘官屯煤矿瓦斯爆炸，死亡108人。2007年12月5日，山西省临汾市洪洞县瑞之源煤业公司煤矿瓦斯爆炸，死亡105人。71.2井下风流质量与数量要求

1.2.1井下空气质量要求

为了保持井下作业场所有一个良好的作业环境，就要保证井下空气有较好的质量。目前，井下空气质量主要是从井下空气中有毒有害气体及粉尘浓度、空气干球温度等方面来控制的。风流的质量包括风流中氧气的浓度瓦斯和各种有毒有害气体的浓度粉尘浓度和风流的温度

《煤矿安全规程》中对这些都有具体的规定。8《规程》第一百条

井下空气成分必须符合下列要求：

(一)采掘工作面的进风流中，氧气浓度不低于20％，二氧化碳浓度不超过0.5％。

(二)有害气体的浓度不超过表1规定。瓦斯、二氧化碳和氢气的允许浓度按本规程的有关规定执行。矿井中所有气体的浓度均按体积的百分比计算。

910不同国家关于井下氧气浓度的规定国家或组织国际劳工局俄罗斯德国美国日本地点进风流工作地点行人巷道氧气浓度（%）192019氧气浓度和人的感觉之间的关系氧气浓度（%）17%15%10-12%人的感觉工作时喘息和呼吸困难失去劳动能力丧失理智时间长会死亡11关于空气温度的规定

《规程》第一百零二条

进风井口以下的空气温度(干球温度，下同)必须在2℃以上。生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业。

新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超温地点必须有制冷降温设计，配齐降温设施。本条是对矿井气候条件（T、V、φ）中空气温度的规定，制定矿井气候条件的安全标准，涉及到国家政策，劳动卫生、劳动生理及心理学以及国家技术经济条件。目前，世界主要产煤国家关于矿井气候条件的标准差别较大。（俄罗斯，干球温度t≤26℃;英国：湿球温度tw≤27.8℃,同感温度te≤29.4℃；美国：同感温度te≤32℃）我国评价矿井气候条件采用的指标是干球温度，其安全标准与俄罗斯、波兰的规定基本相同。121.2.2井下风流数量（风量）要求

井下各个作业地点、井巷和整个矿井的风量，多少合适呢？13第一百零一条井巷中的风流速度应符合表2要求。14设有梯子间的井筒或修理中的井筒，风速不得超过8m/s；梯子间四周经封闭后，井筒中的最高允许风速可按表2规定执行。无瓦斯涌出的架线电机车巷道中的最低风速可低于表2的规定值，但不得低于0.5m/s。综合机械化采煤工作面，在采取煤层注水和采煤机喷雾降尘等措施后，其最大风速可高于表2的规定值，但不得超过5m/s。15为什么要规定各种井巷中的最低风速？

防止瓦斯局部积聚和边界层瓦斯积存对采区巷道和采掘工作面的最低风速的规定，主要是考虑了使巷道中的风流完全呈紊流状态流动，这样流入井巷中的新鲜风流就能较有效地稀释矿层和生产过程中逸出的有害气体，并随风流流向回风流。16风流的流动状态17风流的流动状态常以雷诺数Re来判断流体进入紊流状态

--风流速度，m/s；d–巷道的水利直径，m。

对于非圆形巷道；

--空气的动力粘性系数，m2/s；

s为井巷断面，m2；U为井巷周长，m。18当空气温度为150C时，因井下巷道断面积一般都大于2m2，若按规定的最低风速0.15m/s计算，

假定巷道为梯形断面，

则：由上式计算结果表明，

按《规程》表2中规定的风速最低限，

都能使井巷中风流流动呈现紊流状态。=14.4x10-6m2/s。19最高允许风速的规定井巷中的最高允许风速的规定，主要是从人体的劳动安全和健康及作业环境的要求来考虑的。大巷中风速超过一定的数值，行走不便，听觉也受一定的影响，在一些机车巷道中行走安全性差。采掘工作面和采区的最高允许风速的规定，主要是从采掘工作面和采区风巷的通风能力和防尘防止粉尘飞扬等因素考虑的。风速过高对降尘不利。一般认为最优排尘风速为1.5-2.0m/s。20矿井总风量的确定

《规程》第一百零三条

矿井需要的风量应按下列要求分别计算，并选取其中的最大值：

(一)按井下同时工作的最多人数计算，每人每分钟供给风量不得少于4m3。

(二)按采煤、掘进、硐室及其他地点实际需要风量的总和进行计算。各地点的实际需要风量，必须使该地点的风流中的瓦斯、二氧化碳、氢气和其他有害气体的浓度，风速以及温度，每人供风量符合本规程的有关规定。按实际需要计算风量时，应避免备用风量过大或过小。煤矿企业应根据具体条件制定风量计算方法，至少每5年修订1次。21井下各个用风地点的风量确定（1）满足每人每分钟4m3的要求（2）按沼气和二氧化碳涌出量计算，回风流的沼气浓度不得超过1%（3）按工作面气温与风速的关系计算，保证有良好的气候条件（4）按炸药量计算（5）按局部通风机吸风量计算（6）按规定的最低和最高风速进行验算用以上方法对采区内每个独立通风的回采工作面、备用工作面、掘进工作面选择最大值作为该用风地点所需要的风量。22每人每分钟供给风量不得少于4m3矿工在井下劳动过程中需要呼吸大量氧气，以保证人体活动时体内一系列的生物氧化反应，产生能量以补充劳动中的能量消耗。根据测算,一个劳动者在劳动时消耗的氧量约为1—3L／min，据统计，矿井风流中的氧气消耗,人体只占总消耗量的2％一3％，其它97％为井下煤炭和有机物氧化所消耗。因此国内外大多采煤国家规定了按人员计算，每人的需风量约为4m3／min(原苏联规定为6m3／min)，我国也规定每人每分钟供给风量都不得少于4m3。23再根据同时在井下工作的最多人员的总数N，就可以算出按人员计算的矿井需要总风量Q：

Q=4NK（m3/min）

这个计算值对一般矿井排除瓦斯和有害气体以及环境要求计算的总风量要偏小些，但对生产规模小、劳动生产率低的地方矿井，人员的呼吸需要的风量也可能占主要地位。24第二种按采煤，掘进、硐室以及其它用风地点实际风量总和的计算方法，即根据矿井的实际采掘布置，按各个采煤工作面（Qc），掘进工作面（Qj）、硐室（Qd）和其它（Qq）用风地点，都使该地点风流中的瓦斯、二氧化碳、氢气和其它有害气体的涌出量，稀释到规定允许的浓度；风速和温度都符合《规程》的有关规定，逐个计算各个用风点的需要风量，由采煤工作面计算到采区，再计算到全矿，这样“由里向外”按实际需要计算出全矿井的总需要风量。再与井下同时工作的最多人数需要的矿井总风量相比，取其中的最大值定为该矿井的需要风量。这样计算的矿井需要风量既满足了人员呼吸的需要，又满足了生产安全的需要。

Q=（∑Qc+∑Qj+∑Qd+∑Qq）K（m3/min）25第二章矿井通风系统矿井通风系统是向井下各作业地点供给新鲜空气，排出污浊空气的进、回风井的布置方式，主要通风机的工作方法。通风网路和风流控制设施的总称。要设计好通风系统，管理好通风系统，改造好通风系统。262.1矿井通风系统及要求每个矿井、采区和采煤工作面都必须具有完善的通风系统合理的通风方式可靠的通风设施足够的风量高效的主要通风机以及相应的通风设施272.1.1矿井通风系统基本术语通风方式：进风井和出风井的布置方式，可分为中央式、对角式、分区式、混合式四类。通风方法：矿井主要通风机的工作方法，可分为抽出式、压入式和压抽混合式等三种。通风网路：采区或矿井通风系统中风路的连接形式。通常用不按比例的单线条示意图来表示，叫做通风网路图。它是分析、研究采区或矿井通风系统合理性、解算网路、改善通风管理等的基础资料。通风构筑物：风门、风窗、风桥、风墙等。2.1.2矿井通风系统的类型28中央式通风系统29对角通风式系统30分区式：在井田的每一个生产区域开凿进、回风井，分别形成独立的通风系统。混合式：由上述诸种方式混合组成。例如中央分列式与两翼对角混合式，中央并列与两翼对角混合式等等。312.1.3对矿井（采区）通风系统的要求在确定采区通风系统时，必须遵守安全、经济、技术合理等原则，故应满足下列基本要求：采掘工作面、峒室应采用分区通风，要按照瓦斯、气候条件等的实际需要配风，并符合卫生要求。（第一百一十三条、第一百一十四条）保证风流流动的稳定性。在采区通风系统中，应消除对角风路或使其数量尽可能减少。32角联风路风流的稳定性33通风网路简单，以便在发生事故时易于控制风流和撤退人员。为此，在采区通风系统中尽量减少通风构筑物（如风门、风桥等）的数量。采区漏风量应当尽量减少。进入工作面的新鲜风流在其流动路线上被加热与被污染的程度最小。要有利于采空区瓦斯的合理排放及防止采空区遗留煤自燃。342.2矿井通风阻力和通风动力2.2.1矿井通风阻力

风流流动时，必须具有一定的能量（通风压力），用以克服井巷及空气分子间的摩擦对风流所产生的阻力。一般通风阻力分为摩擦阻力和局部阻力两类。通风阻力

h=摩擦阻力hf+局部阻力hL35摩擦阻力

摩擦阻力是井巷周壁与风流互相摩擦以及空气分子间的扰动和摩擦产生的阻力，由此阻力引起的风压损失既称为摩擦阻力损失。通常摩擦阻力要占总阻力的80-90%，它是矿井通风设计，选择通风机主要参数，也是生产中分析和改善通风系统工作的主要对象。36摩擦阻力的计算式中a---井巷的摩擦阻力系数，与巷道形状、支护形式等因素有关；

L—巷道长度；

S—巷道断面积；

U—巷道断面的周长；

Q—通过该段巷道的风量；

Rf—摩擦风阻。37降低摩擦阻力的方法从下述关系可以看出，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻Rf。降低摩擦风阻的主要措施有：

降低摩擦阻力系数扩大巷道断面积S

减少周界长度U

减少巷道长度L

避免风量过于集中38局部阻力

风流流经井巷的某些局部地点----突然扩大或缩小、转弯、交叉以及堆积物或矿车等，由于速度或方向发生突然的变化，导致风流本身产生剧烈的冲击，形成极为紊乱的涡流，从而损失能量。造成这种冲击与涡流的阻力称为局部阻力，由此产生的风压损失就叫做局部阻力损失。39局部阻力产生的原因4041局部阻力计算公式式中

RL—局部风阻42降低局部通风阻力的措施可以通过降低局部风阻来降低局部通风阻力：（1）在容易发生局部阻力的地点，把连接的边缘作成斜线形或圆弧形，在巷道转弯的内侧或内外两侧作成斜线形或圆弧形，将位于风流正面的某些必要构件或设备作成流线形等。（2）尽量避免在主要巷道内任意停放矿车、堆积木材、器材等。（3）由于局部阻力和通过该处风量的平方成正比，所以应努力作到降低高风量处的局部阻力。特别注意降低总回风道和风峒的局部阻力。为此要及时清扫风峒内的堆积物，把井下风流进入风峒的转弯处作成圆滑的壁面，设置导风板等。432.2.2矿井通风动力

为了克服矿井风流在井巷中流动过程中产生的通风阻力，就必须给矿井风流提供能量，所提供的能量叫做矿井通风动力。这种能量的产生如果是由通风机造成的，则称为机械风压；若是矿井自然条件产生的，则称为自然风压。机械风压和自然风压均是矿井通风动力，用以克服（自然风压有时起反作用）矿井的通风阻力，促使空气流动。442.2.2.1自然通风

定义：利用自然因素产生的通风动力，致使空气在井下巷道流动的通风方法叫做自然通风产生：自然风压是由于矿井通风系统闭合回路中各点风流的密度存在差异而形成的。大小：矿井的自然风压hn一般都比较小，一般不大于200-500pa，是矿井通风的次要动力4546影响：对通风机工作时产生的机械风压有一定的影响，有时需要了解它的数量变化。可根据当地四季气温的变化规律，在某一年每个季节内选择hn最大和最小时进行测定，掌握自然风压的变化规律。规定：由于自然风压很小。且不稳定，所以《煤矿安全规程》规定：每一矿井都必须采用机械通风。472.2.2.2机械通风

定义：利用通风机运转产生的通风压力，致使空气在井下巷道流动的通风方法叫做机械通风采用机械通风的矿井，自然风压也是始终存在的，并在各个时期内影响着矿井的通风工作，在通风管理工作中应给予充分重视，特别是高瓦斯矿井尤应注意。48矿用通风机：按其服务范围和作用不同，可分为主要通风机（俗称主扇）、辅助通风机（俗称辅扇）和局部通风机（俗称局扇）。主要通风机好似矿井的“肺脏”，对矿井安全生产、职工的健康关系很大。矿井主要通风机不停的运转着，它所消耗的电量约占全矿井用电量的20-30%。故合理地选择通风机及驱动电机，在经济上也有很大的意义。49矿用通风机分类：（按其构造分）轴流式通风机：当矿井总风阻变化时，风量变化较小适用于风阻变化大要求风量变动小的矿井离心式通风机：当矿井总风阻变化时，风量变化较大风量调节比较方便50当矿井总风阻由R1变为R2时，离心式通风机的风量变化大于轴流式通风机的风量变化Qf(M2’)-Qf(M1’)>Qf(M2)-Qf(M1)51

通风机个体特性曲线和工况点

通风机个体特性曲线：对于任何一台通风机，其风压Hf、功率Nf、效率n与通风机风量Qf之间存在有一定的关系，反映该通风机风压、功率、效率和通风机风量之间关系的一组曲线叫做该通风机的个体特性曲线。通风机的个体特性曲线与矿井风阻特性曲线在同一坐标图上的交点叫做通风机的工况点或工作点。5253

通风机的联合运转

通风机串联通风机并联（1）集中并联（2）对角并联5455对主要通风机的要求第一百二十一条矿井必须采用机械通风。主要通风机的安装和使用应符合下列要求：主要通风机必须安装在地面；装有通风机的井口必须封闭严密，其外部漏风率在无提升设备时不得超过5%，有提升设备时不得超过15%。必须保证主要通风机连续运转。必须安装2套同等能力的主要通风机装置，其中1套作备用，备用通风机必须能在10min内开动。在建井期间可安装1套通风机和1部备用电动机。生产矿井现有的2套不同能力的主要通风机，在满足生产要求时，可继续使用。56装有主要通风机的出风井口应安装防爆门，防爆门每6个月检查维修1次。57严禁采用局部通风机或风机群作为主要通风机使用。至少每月检查1次主要通风机。改变通风机转数或叶片角度时，必须经矿技术负责人批准。新安装的主要通风机投入使用前，必须进行1次通风机性能测定和试运转工作，以后每5年至少进行1次性能测定。582.2.3矿井通风动力和通风阻力的关系矿井通风动力给矿井风流提供能量，用这部分的能量来克服矿井通风阻力。在任何一个闭合回路中，矿井通风动力等于矿井通风阻力。Hf+HN=HHf

—闭合回路中通风机的风压；HN

—闭合回路中的自然风压；

H—闭合回路中各巷道通风阻力之和59二号风机回路1-2-3-4-6-7-1，该回路的自然风压为Hn2：Hf2+Hn2=h12+h23+h34+h46+h67回路1-2-3-5-6-7-1，该回路的自然风压为Hn3：Hf2+Hn3=h12+h23+h35+h56+h67一号风机回路1-2-8-9-1，该回路的自然风压为Hn1，则：Hf1+Hn1=h12+h28+h89602.3矿井通风系统中风流流动的基本规律通风三定律：风量平衡定律：风压平衡定律：通风阻力定律：

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2.4矿井风量调节目的井下各用风地点的风量必须满足要求，按需供应，不能任其自流，否则安全生产就没有保证。为此，就需要采取控制或调节风量的措施。风量的按需调节也是通风管理工作的重要一环。调节种类局部风量调节和矿井总风量调节62局部风量调节采区内、采区之间和各水平之间的风量调节矿井总风量调节对全矿井的总风量进行调节局部风量调节的方法增阻调节法降阻调节法增压调节法63矿井总风量调节当矿井（或一翼）总风量不足或过剩时，需调节总风量，也就是调整主在通风机的工况点。措施有：改变主要通风机的工作特性

1.改变风机的转速

2.轴流式风机叶片安装角度离心式风机前导器叶片角度改变矿井总风阻

1.风峒闸门调节法

2.降低矿井总风阻

Rf2Rf3Rf1HfQf64

2.5辅助通风机的安设第一百二十五条矿井通风系统中，如果某一分区风路的风阻过大，主要通风机不能供给其足够风量时，可在井下安设辅助通风机，但必须供给辅助通风机房新鲜风流；在辅助通风机停止运转期间，必须打开绕道风门。严禁在煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井中安设辅助通风机。652.6掘进（局部）通风定义：掘进巷道的通风称为掘进通风或局部通风。掘进通风方法矿井总风压通风局部通风机通风水利或压气引射器通风局部通风机通风是掘进巷道的主要通风方法。66局部通风机通风的方式通风方式：压入式通风、抽出式通风混合式通风三种方式压入式局部通风示意图67抽出式局部通风示意图68压入式通风与抽出式通风比较

有效吸程

Le

Ls有效射程压入式通风抽出式通风安全性（污风通过风机）有效射程与有效吸程掘进巷道涌出瓦斯井巷空气清新程度风筒运送方便程度及成本当以排除瓦斯为主的煤巷、半煤岩巷掘进时应采用压入式通风；而当以排除粉尘为主的井筒掘进时，宜采用抽出式通风。69混合式局部通风示意图混合式通风的主要缺点是降低了压入式与抽出式两列风筒重叠段巷道的风量，当掘进巷道断面大时，风速就更小，则此段巷道顶板附近易形成瓦斯层状积聚。因此，两台风机之间的风量要合理匹配，以免发生循环风，并使风筒重叠段的风速大于最低风速。多用于大断面长距离岩巷掘进。70掘进通风局部通风机风量的有关规定确定局部通风机风量所遵循的原则满足人员呼吸、冲淡有毒有害气体、炮烟、温度的要求全风压供给该处的风量必须大于局部通风机的吸入风量，局部通风机安装地点到回风口间的巷道中的最低风速必须符合本规程第一百零一条的有关规定。防止出现循环风。71第一百二十八条

安装和使用局部通风机和风筒应遵守下列规定：

(一)局部通风机必须由指定人员负责管理，保证正常运转。

(二)压入式局部通风机和启动装置，必须安装在进风巷道中，距掘进巷道回风口不得小于l0m；全风压供给该处的风量必须大于局部通风机的吸人风量，局部通风机安装地点到回风口间的巷道中的最低风速必须符合本规程第一百零一条的有关规定。

(三)必须采用抗静电、阻燃风筒。风筒口到掘进工作面的距离以及混合式通风的局部通风机和风筒的安设，应在作业规程中明确规定。

(四)低瓦斯矿井掘进工作面的局部通风机，可采用装有选择性漏电保护装置的供电线路供电，或与采煤工作面分开供电。

(五)瓦斯喷出区域、高瓦斯矿井、煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出矿井中，掘进工作面的局部通风机应采用三专(专用变压器、专用开关、专用线路)供电；也可采用装有选择性漏电保护装置的供电线路供电，但每天应有专人检查1次，保证局部通风机可靠运转。

(六)严禁使用3台以上(含3台)的局部通风机同时向1个掘进工作面供风。不得使用1台局部通风机同时向2个作业的掘进工作面供风。722.7硐室通风第一百三十条井下爆炸材料库必须有独立的通风系统，回风必须直接引入矿井的总回风巷或主要回风巷中。新建矿井采用对角式通风系统时，投产初期可利用岩石上山或用不燃性材料支护和不燃性背板背严的煤层上山爆炸材料库的回风巷，必须保证爆炸材料库每小时能有其总容积4倍的风量。73

第一百三十一条井下充电室必须有独立的通风系统，回风风流应引入回风巷。井下充电室在同一时间内，5t及其以下的电机车充电电池的数量不得超过3组，5t以上的电机车充电电池的数量不得超过1组时。可不采用独立的风流通风，但必须在新鲜风流中。井下