【采矿课件】第四章矿井通风动力

1第四章矿井通风动力空气在井巷中流动需要克服通风阻力，必须提供通风动力以克服空气阻力，才能促使空气在井巷中流动，实现矿井通风。矿井通风动力有由自然条件形成的自然风压和由通风机提供的机械风压两种。本章将研究这两种通风动力的影响因素和特性及其对矿井通风的作用。第一节自然风压一、自然风压的形成及特性如图4-1所示为一个没有通风机工作的矿井。（图4-1简化矿井通风系统）风流从气温较低的井筒进入矿井，从气温较高的井筒流出。不仅如此，在正在开凿的立井井筒中，冬季风流会沿井筒中心一带进入井下，而沿井壁流出井外；夏季风流方向正好相反。这是由于空气温度与井筒围岩温度存在差异，空气与围岩进行热交换，造成进风井筒与回风井筒、井筒中心一带与井壁附近空气存在温度差，气温低处的空气密度比气温高处的空气密度大，使得不同地方的相同高度空气柱重量不等，从而使风流发生流动，形成了自然通风现象。我们把这个空气柱的重量差称为自然风压H自。由上述可见，如果把地表大气视为一个断面无限大、风阻为零的假想风路，则可将通风系统视为一个有高差的闭合回路，由自然风压的形成原因，可得到其计算公式：H自=201gdz－532gdz，Pa（4-1）式中Z——矿井最高点到最低点间的距离，m；g——重力加速度，m/s2；ρ1、ρ2——分别为0-1-2和5-4-3井巷中dz段空气密度，kg3/m3。由于空气密度ρ与高度Z有着复杂的函数关系，因此用式（4-1）计算自然风压比较困难。为了简化计算，一般先测算出0-1-2和5-4-3井巷中空气密度的平均值ρ均进、ρ均回，分别代替式（4-1）中的ρ1和ρ2，则式（4-1）可写为：Ｈ自＝（ρ均进－ρ均回）gＺ，Pa（4-2）例4-1如图4-1所示的自然通风矿井，测得ρ0=1.3，ρ1=1.26，ρ2=1.16，ρ3=1.14，ρ4=1.15，ρ5=1.3kg/m3，Z01=45m，Z12=100m，Z34=65m，Z45=80m，试求该矿井的自然风压，并判断其风流方向。解：假设风流方向由0-1-2井筒进入，由3-4-5井筒排出。计算各测段的空气平均空气密度：0128.1226.13.1210kg/m321.1216.126.122112kg/m32145.1215.114.124334kg/m3225.123.115.125445kg/m3计算进、出风井两侧空气柱的平均密度：23.11004521.110028.145120112120101ZZZZ均进kg/m3189.18065225.180145.165453445453434ZZZZ均回kg/m3则H自32.5814581.9189.123.1(）（）均回均进gZPa求得的H自为正值，说明风流方向与假设方向一致，从0-1-2井筒进入，由3-4-5井筒流出。自然风压具有如下几种性质：1.形成矿井自然风压的主要原因是矿井进、出风井两侧的空气柱重量差。不论有无机械通风，只要矿井进、出风井两侧存在空气柱重量差，就一定存在自然风压。2.矿井自然风压的大小和方向，取决于矿井进、出风两侧空气柱的重量差的大小和方向。这个重量差，又受进、出风井两侧的空气柱的密度和高度影响，而空气柱的密度取决于大气压力、空气温度和湿度。由于自然风压受上述因素的影响，所以自然风压的大小和方向会随季节变化，甚至昼夜之间也可能发生变化，单独用自然风压通风是不可靠的。因此《规程》规定，每一个生产矿井必须采用机械通风。3.矿井自然风压与井深成正比；矿井自然风压与空气柱的密度成正比，因而与矿井空气大气压力成正比，与温度成反比。地面气温对自然风压的影响比较显著。地面气温与矿区地形、开拓方式、井深以及是否机械通风有关。一般来说，由于矿井出风侧气温常年变化不大，而浅井进风侧气温受地面气温变化影响较大，深井进风流气温受地面气温变化的影响较小，所以矿井进、出风井井口的标高差越大，矿井越浅，矿井自然风压受地面气温变化的影响也越大，一年之内不但大小会变化，甚至方向也会发生变化；反之，深井自然风压一年之内大小虽有变化，但一般没有方向上的变化。4.主要通风机工作对自然风压的大小和方向也有一定的影响。因为矿井主通风机的工作决定了矿井风流的主要流向，风流长期与围岩进行热交换，在进风井周围形成了冷却带，此时即使风机停转或通风系统改变，进、回风井筒之间仍然会存在气温差，从而仍在一段时间之内有自然风压起作用，有时甚至会干扰主要通风机的正常工作，这在建井时期表现尤为明显，需要引起注意。二、自然风压的控制和利用自然通风作用在矿井中普遍存在，它在一定程度上会影响矿井主要通风机的工况。要3想很好地利用自然通风来改善矿井通风状况和降低矿井通风阻力，就必须根据自然风压的产生原因及影响因素，采取有效措施对自然风压进行控制和利用。1.对自然风压的控制在深井中自然风压一般常年都帮助主要通风机通风，只是在季节改变时其大小会发生变化，可能影响矿井风量。但在某些深度不大的矿井中，夏季自然风压可能阻碍主要通风机的通风，甚至会使小风压风机通风的矿井局部地点风流反向。这在矿井通风管理工作中应予重视，尤其在山区多井筒通风的高瓦斯矿井中应特别注意，以免造成风量不足或局部井巷风流反向酿成事故。为防止自然风压对矿井通风的不利影响，应对矿井自然通风情况作充分的调查研究和实际测量工作，掌握通风系统及各水平自然风压的变化规律，这是采取有效措施控制自然风压的基础。在掌握矿井自然风压特性的基础上，可根据情况采取安装高风压风机的方法来对自然风压加以控制，也可适时调整主要通风机的工况点，使其既能满足矿井通风需要，又可节约电能。2.设计和建立合理的矿井通风系统由于矿区地形、开拓方式和矿井深度的不同，地面气温变化对自然风压的影响程度也不同。在山区和丘陵地带，应尽可能利用进出风井口的标高差，将进风井布置在较低处，出风井布置在较高处。如果采用平硐开拓，有条件时应将平硐作为进风井，并将井口尽量迎向常年风向，或者在平硐口外设置适当的导风墙，出风平硐口设置挡风墙。进出风井口标高差较小时，可在出风井口修筑风塔，风塔高度以不低于10m为宜，以增加自然风压。3.人工调节进、出风侧的气温差在条件允许时，可在进风井巷内设置水幕或借井巷淋水冷却空气，以增加空气密度，同时可起到净化风流的作用。在出风井底处利用地面锅炉余热等措施来提高回风流气温，减小回风井空气密度。4.降低井巷风阻尽量缩短通风路线或采用平行巷道通风；当各采区距离地表较近时，可用分区式通风；各井巷应有足够的通风断面，且应保持井巷内无杂物堆积，防止漏风。5.消灭独井通风在建井时期可能会出现独井通风现象，此时可根据条件用风幛将井筒隔成一侧进风另一侧出风；或用风筒导风，使较冷的空气由井筒进入，较热的空气从导风筒排出。也可利用钻孔构成通风回路，形成自然风压。6.注意自然风压在非常时期对矿井通风的作用在制定《矿井灾害预防和处理计划》时，要考虑到万一主要通风机因故停转，如何采取措施利用自然风压进行通风以及此时自然风压对通风系统可能造成的不利影响，制订预防措施，防患于未然。三、自然风压的测定生产矿井自然风压的测定方法有两种：直接测定法和间接测定法。1.直接测定法（图4-2用通风机房中的压差计测自然风压）矿井在无通风机工作或通风机停止运转时，在总风流的适当地点设置临时隔断风流的4密闭，将矿井风流严密遮断，而后用压差计测出密闭两侧的静压差，该静压差便是矿井的自然风压值。或将风硐中的闸门完全放下，然后由风机房水柱计直接读出矿井自然风压值（如图4-2所示）。2.间接测定法以抽出式通风矿井为例。（图4-3自然风压的间接测定法）如图4-3所示的抽出式通风矿井，因风硐中通风机入口风流的相对全压h全与自然风压H自的代数和等于矿井的通风阻力，即h全+H自=RQ2（4-3）式中R——矿井总风阻，Ns2/m8；Q——矿井总风量，m3/s。所以首先在通风机正常运转时，测出矿井总风量Q及通风机入风口处风流的相对全压h全，而后停止主要通风机的运转，若有自然风流，立即测出自然风流的风速v自，计算出自然通风的风量Q自=S×v自，S是测v自处的风硐的断面积，可得下式：H自=RQ自2（4-4）解式（4-3）和（4-4）的联立方程组，得矿井自然风压：H自=h全222自自QQQ，Pa（4-5）第二节矿井主要通风机及其附属装置矿井通风动力中自然风压较小，且不稳定，不能保证矿井通风的要求，因此，《规程》规定，每一个矿井都必须采用机械通风。我国煤矿已普遍使用机械通风。在全国统配煤矿中，主要通风机的平均电能消耗量占全矿电能消耗的比重较大，据统计，国有煤矿主要通风机平均电耗约占矿井电耗的20%~30%，个别矿井通风设备的耗电量可达50%。因此，合理选择和使用主要通风机，不但能使矿井安全得到根本的保证，同时对改善井下的工作条件，提高煤矿的主要技术经济指标也有重要作用。矿用通风机按照其服务范围和所起的作用分为三种：1.主要通风机。担负整个矿井或矿井的一翼、或一个较大区域通风的通风机，称为矿井的主要通风机。2.辅助通风机。用来帮助矿井主要通风机对一翼或一个较大区域克服通风阻力，增加风量的通风机，称为主要通风机的辅助通风机。3.局部通风机。供井下某一局部地点通风使用的通风机，称为局部通风机。一般服务于井巷掘进通风。矿用通风机按照构造和工作原理不同，又可分为离心式通风机和轴流式通风机。一、离心式通风机图4-4是离心式通风机的构造及其在矿井通风井口作抽出式通风的示意图。5（图4-4离心式通风机的构造）1—工作轮；2—蜗壳体；3—扩散器；4—主轴；5—止推轴承；6—径向轴承；7—前导器；8—机架；9—联轴器；10—制动器；11—机座；12—吸风口；13、通风机房；14—电动机；15—风硐离心式通风机主要由工作轮、蜗壳体、主轴和电动机等部件构成。工作轮是由固定在机轴上的轮毂以及安装在轮毂上的一定数量的机翼形叶片构成。风流沿叶片间的流道流动。叶片按其在流道出口处安装角β2的不同，可分为前倾式（β2＜90。）、径向式（β2＝90。）、后倾式（β2＞90。）三种。因为后倾叶片的通风机当风量变化时风压变化较小，且效率较高，所以矿用离心式通风机多为后倾式。（图4-5工作轮叶片的构造角度）w2—工作轮出风口叶片的切线速度；u2—工作轮圆周速度空气进入风机的形式，有单侧吸入和双侧吸入两种。其他条件相同时，双吸风口风机的动轮宽度和风量是单吸风口风机的2倍。在吸风口与工作轮之间还装有前导器，使进入叶轮的气流发生预旋绕，以达到调节风压的目的。当电动机传动装置带动工作轮在机壳中旋转时，叶片流道间的空气随叶片的旋转而旋转，获得离心力，经叶端被抛出工作轮，流到螺旋状机壳里。在机壳内空气流速逐渐减小，压力升高，然后经扩散器排出。与此同时，在叶片的入口即叶根处形成较低的压力，使吸风口处的空气自叶根流入叶道，从叶端流出，如此源源不断形成连续流动。现我国生产的离心式通风机较多，适用煤矿作主要通风机的有：4-72-11型、G4-73-11型、K4-73-01型等。型号参数的含义以K4-73-01№32型为例说明如下：K4-73-01№32K—矿用；4—效率最高点压力系数的10倍，取整数；73—效率最高点比转速，取整数；0—通风机进风口为双面吸入；1—第一次设计；№32—通风机机号，为叶轮直径，dm。K4-73-01型和G4-73-11型离心式通风机的特性曲线如附录四所示。二、轴流式通风机如图4-6所示。（图4-6轴流式通风机的构造）1—集风器；2—流线体；3—前导器；4—第一级工作轮；5—中间整流器；6—第二级工作轮；7—后整流器；8—环形或水泥扩散器；9—机架；10—电动机；11—通风机房；12—风硐；13—导流板；14—基础；15—径向轴承；16—止推轴承；17—制动器；18—齿轮联轴节；19—扩散塔轴流式通风机主要由进风口、工作轮、整流器、主体风筒、扩散器和传动轴等部件组成。进风口是由集风器和疏流罩构成的断面逐渐缩小的环行通道，使