金属非金属矿山通风安全技术的设计计算

金属非金属矿山通风安全技术的设计计算金属非金属矿山通风安全技术的设计计算是保障井下作业环境、预防中毒窒息事故的核心技术环节。通风系统设计的科学性直接决定矿山安全生产水平，其计算过程需综合考虑地质条件、开采规模、作业面分布及有害气体涌出规律等多重因素。一、通风系统设计基础参数确定通风设计首要任务是准确获取基础参数，这些参数构成后续所有计算的基石。基础参数采集必须遵循《金属非金属矿山安全规程》相关规定，确保数据真实可靠。①矿井通风方式选择。根据矿体赋存条件与开拓方式，通风方式分为中央式、对角式、混合式三类。中央式适用于矿体集中、走向短的中小型矿山，其进风井与回风井布置在矿体中央附近，系统简单但风流线路较长。对角式适用于矿体走向长、开采范围广的大型矿山，进风井与回风井分别布置在矿体两翼，风流线路短且分布均匀。混合式则结合两者特点，适用于复杂开采条件。选择时需评估矿井设计生产能力、同时作业中段数量、采场分布范围三个核心指标，通常设计生产能力超过每日2000吨的矿山优先考虑对角式。②有害气体涌出量测定。井下主要有害气体包括一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫及粉尘。测定应在生产中段典型采场、掘进面设置监测点，连续监测不少于72小时，记录数据间隔不超过2小时。根据《矿山通风技术规范》要求，一氧化碳允许浓度不得超过0.0024%，粉尘浓度不得超过2毫克每立方米。涌出量计算需考虑爆破作业、柴油设备运行、矿石氧化等因素，柴油设备废气排放量按每千瓦每小时0.8立方米计算，爆破毒气按每千克炸药产生一氧化碳0.04立方米计算。③需风量初步估算。按井下同时作业最多人数计算，每人每分钟供风量不少于4立方米。按炸药消耗量计算，每千克炸药需风量不少于每分钟25立方米。按柴油设备功率计算，每千瓦需风量不少于每分钟3立方米。最终需风量取三者最大值，并附加15%至20%的备用系数。对于深度超过800米的深井，还需考虑地热因素，每下降100米温度升高约1至3摄氏度，需额外增加10%风量用于降温。二、风量计算与分配方法精确的风量计算是通风设计的核心环节，需建立从总风量到各作业面的逐级分配体系，确保每个用风点获得充足新鲜空气。①总风量计算模型。采用公式Q总=k×(Q人员+Q爆破+Q设备)，其中k为备用系数取1.15至1.20，Q人员为人员需风量，Q爆破为爆破作业需风量，Q设备为柴油设备需风量。例如某矿山同时作业人员120人，每班炸药消耗量300千克，柴油设备总功率500千瓦，则Q人员=120×4=480立方米每分钟，Q爆破=300×25=7500立方米每分钟，Q设备=500×3=1500立方米每分钟，Q总=1.2×(480+7500+1500)=10776立方米每分钟，设计总风量取11000立方米每分钟。②风量分配原则。遵循"由主到次、由近及远、按需分配"原则。主风流线路指从进风井到回风井的主干道，应保证断面风速在3至6米每秒之间。采场风量分配按作业面数量均分，每个采场进风量不少于每分钟200立方米。掘进工作面按独头巷道长度计算，长度小于500米的巷道风量不少于每分钟150立方米，500至1000米的不少于每分钟200立方米，超过1000米的不少于每分钟250立方米。风量分配需绘制通风网络图，标注各分支设计风量，确保总进风量等于总回风量，误差不超过5%。③风速校核计算。井巷风速需满足最低排尘风速与最高经济风速双重约束。运输巷道风速不得低于0.25米每秒，采场进风巷风速不得低于0.15米每秒，否则粉尘无法有效排出。同时井筒风速不宜超过8米每秒，主要运输巷道风速不宜超过6米每秒，否则通风阻力急剧增加。风速计算公式v=Q/S，其中Q为风量，S为巷道净断面积。例如某巷道设计风量300立方米每分钟，即5立方米每秒，巷道断面积8平方米，则风速v=5/8=0.625米每秒，符合要求。三、通风网络设计与阻力计算通风网络设计决定风流路径与阻力分布，合理的网络结构能显著降低能耗并提高通风效率。①网络拓扑结构构建。通风网络由节点和分支组成，节点包括进风井口、回风井口、风流交汇点，分支代表井巷。设计时应尽量减少网络复杂度，分支数量控制在合理范围内。对于多中段开采矿山，应设置专用回风天井，避免各中段风流串联。网络中应设置调节风窗、风门等控制设施，数量不少于总分支数的10%，用于风量微调。网络设计需进行风量平衡校核，确保每个闭合回路的风压代数和为零，误差控制在5帕斯卡以内。②通风阻力计算。采用达西-魏斯巴赫公式h=λ×(L/d)×(ρv²/2)，其中h为阻力，λ为摩擦阻力系数，L为巷道长度，d为巷道当量直径，ρ为空气密度取1.2千克每立方米，v为风速。摩擦阻力系数λ与巷道支护方式相关，混凝土支护取0.02至0.03，锚喷支护取0.025至0.035，木支护取0.04至0.05。局部阻力按沿程阻力的10%至15%附加。总阻力为所有串联分支阻力之和，并联分支按阻力平方根法则合成。例如某通风路线包含三段巷道，阻力分别为120帕斯卡、200帕斯卡、150帕斯卡，则总阻力h总=120+200+150=470帕斯卡。③等积孔计算与评价。等积孔A是评价矿井通风难易程度的综合指标，计算公式A=1.19Q/√h，其中Q为总风量，h为总阻力。等积孔大于2平方米为通风容易矿井，1至2平方米为中等，小于1平方米为困难。对于困难矿井，应采取降阻措施，包括扩大巷道断面、改善支护质量、减少风流弯曲等。每扩大巷道断面积1平方米，等积孔约增加0.3平方米。降阻改造后需重新计算阻力，确保总阻力不超过通风机额定风压的80%。四、通风设备选型与配置通风设备是通风系统的动力源，选型需匹配网络特性并满足安全冗余要求。①主通风机选型。根据计算的总风量与总阻力选择风机类型。离心式风机适用于风量稳定、阻力变化大的系统，其风压特性曲线较陡。轴流式风机适用于风量大、阻力中等的系统，效率较高但风压较低。选型步骤为：第一步，确定工况点，风量取设计值的1.1倍，风压取计算阻力的1.2倍。第二步，在风机性能曲线上查找工况点，要求工况点位于高效区，效率不低于70%。第三步，校核电机功率，N=Q×h/(1000×η)，其中η为风机效率，电机功率储备系数取1.1至1.15。例如某矿总风量11000立方米每分钟，总阻力470帕斯卡，则工况点风量12100立方米每分钟，风压564帕斯卡，选用轴流式风机，效率75%，则电机功率N=(12100/60)×564/(1000×0.75)=151千瓦，选配160千瓦电机。②局部通风机配置。独头巷道掘进需配置局部通风机，风量应满足巷道排尘要求，风压应克服风筒阻力。风筒直径按风速5至10米每秒选择，每节长度不超过10米，接头漏风率不超过3%。局部通风机应安装在新鲜风流中，距回风口不少于10米，实现风电闭锁，即停风自动切断电源。对于长度超过500米的独头巷道，应采用双风机双电源配置，备用风机切换时间不超过30秒。③通风构筑物设置。风门应设置在运输不频繁的巷道中，每处至少两道，间距不小于运输工具长度加5米。风窗用于风量调节，开口面积可调节，调节精度控制在5%以内。密闭墙用于封闭废弃巷道，厚度不小于0.5米，混凝土强度等级不低于C20，墙面抹灰严密不漏风。所有通风构筑物应编号管理，每周检查一次完好性，记录检查数据。五、通风系统安全技术要求通风系统必须符合强制性安全标准，确保在事故状态下仍能维持基本通风功能。①反风设施配置。根据《金属非金属矿山安全规程》第6.4.2条规定，主通风机应能在10分钟内实现反风，反风量不少于正常风量的40%。反风方式包括风机反转、专用反风道等。每季度至少进行一次反风试验，记录反风时间、反风量、电机电流等参数，试验结果存档备查。反风设施应独立控制，与正常通风系统电气联锁，防止误操作。②备用通风机设置。每台主通风机应配备相同型号的备用机，备用机应处于完好状态，能在5分钟内启动投入运行。备用机与主机每周轮换运行一次，确保两台设备工况一致。备用机电源应来自不同母线段，实现双回路供电。当主机因故障停机时，备用机应自动启动，启动时间不超过30秒，期间井下人员应立即撤离至安全区域。③通风监测监控系统。在总进风巷、总回风巷、主要作业面设置风速、风量、温度、气体浓度传感器，数据实时传输至地面监控中心。风速传感器量程0至15米每秒，精度±0.3米每秒。气体传感器应能检测一氧化碳、二氧化氮、氧气，一氧化碳量程0至50ppm，精度±2ppm。监控系统应实现超限报警，当风速低于设计值20%或有害气体浓度超标时，声光报警并自动记录。监测数据保存不少于2年，每月生成分析报告。④应急通风预案。制定通风系统事故应急预案，明确主机故障、火灾、爆破毒气泄漏等场景的处置流程。预案应包括应急组织机构、通讯联络方式、人员撤离路线、救援设备清单。每年至少组织一次应急演练，演练后评估预案有效性并修订。应急通风设备包括移动式风机、风筒、自救器等，应存放在专用仓库，每月检查维护。六、特殊工况通风设计针对矿山特殊开采条件与灾害风险，需设计专项通风方案。①高温热害矿井通风。当井下温度超过28摄氏度时，需采取降温措施。加大风量是最经济方式，每降低1摄氏度温度需增加风量约15%。采用压入式通风，将地面冷空气直接送至作业面，风筒应隔热处理，减少沿途温升。对于深度超过1000米的矿井，应设置制冷站，采用压缩制冷或冰冷却技术，制冷量按每千瓦电机功率配0.3千瓦制冷量计算。制冷管道应保温，冷损不超过5%。②高海拔矿山通风。海拔超过2000米的矿山，空气密度降低，风机性能下降。海拔每升高1000米，空气密度约降低10%，风机风压下降约10%。设计时应按当地空气密度修正风机参数，电机功率增加10%至15%。同时，人员需氧量增加，每人每分钟供风量应提高至5至6立方米。高海拔地区冬季寒冷，进风井应设置空气预热装置，将进风温度提升至不低于2摄氏度，防止井筒结冰。③火灾时期通风。矿井火灾会产生大量有毒烟气，通风系统应能控制烟气蔓延。主要进风巷应设置防火门，火灾时自动关闭。回风系统应具备排烟能力，排烟风速不低于2米每秒。火灾应急预案中应明确风流短路、区域反风、全矿反风等控制措施。火灾期间，人员应佩戴自救器沿新鲜风流方向撤离，撤离路线应避开回风巷道。每年应对防火设施进行检查，防火门关闭时间不超过30秒，密封性良好。七、通风效果监测与评估通风系统投入运行后，需持续监测评估其有效性，及时发现并解决问题。①通风阻力测定。每年进行一次全矿通风阻力测定，采用精密气压计测量各点绝对压力，计算各段阻力。测定路线应覆盖所有主要通风巷道，测点间距不超过50米。测定结果与原始设计对比，阻力增加超过20%的巷道应安排降阻维修。降阻措施包括清理巷道堆积物、修复支护、扩大局部断面等。维修后重新测定，确认阻力降至设计范围。②作业面环境检测。每班对采场、掘进面进行环境检测，检测项目包括风速、粉尘浓度、有害气体浓度。风速检测使用风速仪，在巷道断面均匀布置5个测点取平均值。粉尘检测采用滤膜称重法，每班次至少检测2次。气体检测使用便携式检测仪，一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫浓度不得超过标准限值。检测数据记录在专用台账，发现超标立即停止作业，采取增加风量、洒水降尘等措施。③通风效率评价。计算矿井有效风量率与风机装置效率。有效风量率=各用风点实测风量之和/主风机风量×100%，应不低于60%。风机装置效率=风机有效功率/电机输入功率×100%，应不低于70%。效率偏低时，应检查风门密闭性、风筒漏风情况、风机运行工况。漏风率超过10%时，应查找漏风点并封堵。风机工况点偏离高效区时，应调整叶片角度或更换风机。④定期系统优化。每三年对全