矿井通风动力

第六节矿井通风动力一、自然风压(一)、自然风压及其形成和计算图1—6—1简化矿井通风系图1-6-1为一个简化的矿井通风系统，2-3为水平巷道，0-5为通过系统最高点的水平线。如果把地表大气视为断面无限大，风阻为零的假想风路，则通风系统可视为一个闭合的回路。在冬季，由于空气柱0-1-2比5-4-3的平均温度较低，平均空气密度较大，导致两空气柱作用在2-3水平面上的重力不等。其重力之差就是该系统的自然风压。它使空气源源不断地从井口1流入，从井口5流出。在夏季时，若空气柱5-4-3比0-1-2温度低，平均密度大，则系统产生的自然风压方向与冬季相反。地面空气从井口5流入，从井口1流出。这种由自然因素作用而形成的通风叫自然通风。由上述例子可见，在一个有高差的闭合回路中，只要两侧有高差巷道中空气的温度或密度不等，则该回路就会产生自然风压。p为井口的大气压，Pa；Z为井深，m；0-1-2和5-4-3井巷中空气密度的平均值ρm1和ρm2，kg/m3，则自然风压为：HZgNmm()12(1-6-1)(二)、自然风压的影响因素及变化规律1、自然风压变化规律自然风压的大小和方向，主要受地面空气温度变化的影响。如图1-6-2、图1-6-3所示分别为浅井和我国北部地区深井的自然风压随季节变化的情形。由图012345dzρ1dzρ2z可以看出，对于浅井，夏季的自然风压出现负值；而对于我国北部地区的一些深井，全年的自然风压都为正值。图1-6-2浅井自然风压随季节变化图图1-6-3深井自然风压随季节变化图2、自然风压影响因素（1）两侧空气柱的温度差矿井某一回路中两侧空气柱的温差是影响的主要因素。影响气温差的主要因素是地面入风气温和风流与围岩的热交换。其影响程度随矿井的开拓方式、采深、地形和地理位置的不同而有所不同。（2）矿井深度当两侧空气柱温差一定时，自然风压与矿井或回路最高与最低点间的高差Z成正比。深1000m的矿井，“自然通风能”占总通风能量的30%。（3）主要通风机工作对自然风压的大小和方向也有一定影响。由于风流与围岩的热交换，冬季回风井气温高于进风井，风机停转或通风系统改变，这两个井筒之间在一定时期内仍存在温差，从而仍有一定的自然风压起作用。有时甚至会干扰通风系统改变后的正常通风工作。（4）地面大气压、空气成分和湿度影响空气的密度，因而对自然风压也有一定影响，但影响较小。（三）、自然风压的控制和利用自然风压既是矿井通风的动力，也可能是事故的肇因。因此，研究自然风压的控制和利用具有重要意义。1、新设计矿井在选择开拓方案、拟定通风系统时，应充分考虑利用地形和当地气候特点，使在全年大部分时间内自然风压作用的方向与机械通风风压的方向一致，以便利用自然风压。例如，在山区要尽量增大进、回风井井口的高差；进风井井口布置在背阳处等。2、根据自然风压的变化规律，应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。例如在冬季自然风压帮助机械通风时，可采用减小叶片角度或转速方法降低机械风压。3、在多井口通风的山区，尤其在高瓦斯矿井，要掌握自然风压的变化规律，防止因自然风压作用造成某些巷道无风或反向而发生事故。4、在建井时期，要注意因地制宜和因时制宜利用自然风压通风，如在表土施工阶段可利用自然通风；在主副井与风井贯通之后，有时也可利用自然通风；有条件时还可利用钻孔构成回路，形成自然风压，解决局部地区通风问题。5、利用自然风压做好非常时期通风。一旦主要通风机因故遭受破坏时，便可利用自然风压进行通风。这在矿井制定事故预防和处理计划时应予以考虑。二、通风机的类型及构造矿井通风的主要动力是通风机,通风机是矿井的“肺脏”,是矿井安全的有力保证，因此，矿井必须使用机械通风，严禁使用自然通风。矿用通风机按其服务范围可分为三种：1、主要通风机，服务于全矿或矿井的某一翼（部分）；2、辅助通风机，服务于矿井网络的某一分支（采区或工作面），帮助主要通风机通风，以保证该分支风量；3、局部通风机，服务于独头掘进井巷道等局部地区。按通风机的构造和工作原理可分为离心式通风机和轴流式通风机两种。1、离心式通风机离心式通风机一般由进风口、工作轮（叶轮）、螺形机壳和前导器等部分组成。当电机通过传动装置带动叶轮旋转时，叶片流道间的空气随叶片旋转而旋转，获得离心力。经叶端被抛出叶轮，进入机壳。在机壳内速度逐渐减小，压力升高，然后经扩散器排出。与此同时，在叶片入口（叶根）形成较低的压力（低于进风口压力），于是，进风口的风流便在此压差的作用下流入叶道，自叶根流入，在叶端流出，如此源源不断，形成连续的流动。2、轴流式通风机轴流式通风机主要由进风口、叶轮、整流器、风筒、扩散（芯筒）器和传动部件等部分组成。进风口是由集流器与疏流罩构成断面逐渐缩小的进风通道，使进入叶轮的风流均匀，以减小阻力，提高效率。叶轮是由固定在轴上的轮毂和以一定角度安装其上的叶片组成。叶片的形状为中空梯形，横断面为翼形。沿高度方向可做成扭曲形，以消除和减小径向流动。叶轮的作用是增加空气的全压。叶轮有一级和二级两种。二级叶轮产生的风压是一级两倍。整流器安装在每级叶轮之后，为固定轮。其作用是整直由叶片流出的旋转气流，减小动能和涡流损失。环形扩散（芯筒）器是使从整流器流出的气流逐渐扩大到全断面，部分动压转化为静压。三、通风机附属装置矿山使用的通风机，除了主机之外尚有一些附属装置。主机和附属装置总称为通风机装置。附属装置的设计和施工质量，对通风机工作风阻、外部漏风以其工作效率均有一定影响。因此，附属装置的设计和施工质量应予以充分重视。（一）、风硐风硐是连接风机和井筒的一段巷道。由于其通过风量大、内外压差较大，应尽量降低其风阻，并减少漏风。在风硐的设计和施工中应注意下列问题：断面适当增大，使其风速≤10m/s，最大不超过15m/s；转弯平缓，应成圆弧形；风井与风硐的连接处应精心设计，风硐的长度应尽量缩短，并减少局部阻力；风硐直线部分要有一定的坡度，以利流水；风硐应安装测定风流压力的测压管。施工时应使其壁面光滑，各类风门要严密，使漏风量小。（二）、扩散器(扩散塔)无论是抽出式还是压入式通风，无论是离心式通风机还是轴流式通风机，在风机的出口都外接一定长度、断面逐渐扩大的构筑物──扩散器。其作用是降低出口速压以提高风机静压。小型离心式通风机的扩散器由金属板焊接而成，扩散器的扩散角(敞角)α不宜过大，以阻止脱流，一般为8～10°；出口处断面与入口处断面之比约为3～4。扩散器四面张角的大小应视风流从叶片出口的绝对速度方向而定。大型的离心式通风机和大中型的轴流式通风机的外接扩散器，一般用砖和混凝土砌筑。其各部分尺寸应根据风机类型、结构、尺寸和空气动学特性等具体情况而定，总的原则是，扩散器的阻力小，出口动压小并无回流。(可参考有关标准设计。)（三）、防爆门(防爆井盖)出风井的上口，必须安装防爆设施，在斜井井口安设防爆门，在立井井口安设防爆井盖。其作用是，当井下一旦发生瓦斯或煤尘爆炸时，受高压气浪的冲击作用，自动打开，以保护主要通风机免受毁坏；在正常情况下它是气密的，以防止风流短路。图1-6-4所示为不提升的通风立井井口的钟形防爆井盖。井盖１用钢板焊接而成，其下端放入凹槽２中，槽中盛油密封(不结冰地区用水封)，槽深与负压相适应；在其四周用四条钢丝绳绕过滑轮３用重锤４配重；井口壁四周还应装设一定数量的压脚５，在反风时用以压住井盖，防止掀起造成风流短路。装有提升设备的井筒设井盖门，一般为铁木结构。与门框接合处要加严密的胶皮垫层。图1—6—4立井井口防爆盖示意图1.防爆井盖2.密封液槽3.滑轮4.平衡重锤5.压角6.风硐防爆门(井盖)应设计合理，结构严密、维护良好、动作可靠。（四）、反风装置和功能反风装置是用来使井下风流反向的一种设施，以防止进风系统发生火灾时产生的有害气体进入作业区；有时为了适应救护工作也需要进行反风。反风方法因风机的类型和结构不同而异。目前的反风方法主要有：设专用反风道反风；利用备用风机作反风道反风；风机反转反风和调节动叶安装角反风。⒈设专用反风道反风图1-6-5为轴流式通风机作抽出式通风时利用反风道反风的示意图。反风时，风门１、5、7打开，新鲜风流由风门１经反风门７进入风硐２，由通风机３排出，然后经反风门５进入反风绕道６，再返回风硐送入井下。正常通通风时，风门１、７、５均处于水平位置，井下的污浊风流经风硐直接进入通风机，然后经扩散器４排到大气中。图1—6—5轴流式通风机作抽出式通风时利用专用反风道反风示意图图1-6-6为离心式通风机作抽出式通风时利用反风道反风的示意图。通风机正常工作时反风门１和２在实线位置。反风时，风门１提起，风门２放下，风流自反风门２进入通风机，再从反风门１进入反风道３，经风井流入井下。图1—6—6离心式通风机作抽出式通风时利用反风道反风示意图2轴流式通风机反转反风调换电动机电源的任意两项接线，使电动机改变转向，从而改变通风机叶（动）轮的旋转方向，使井下风流反向。此种方法基建费较小，反风方便。但反风量较小。3利用备用风机的风道反风(无地道反风)。当两台轴流式通风机并排布置时，工作风机(正转)可利用另一台备用风机的风道作为“反风道”进行反风。⒋调整动叶片安装角进行反风。对于动叶可同时转动的轴流式通风机，只要把所有叶片同时偏转一定角度(大约120°)，不必改变叶（动）轮转向就可以实现矿井风流反向，反风装置应满足下列要求：定期进行检修，确保反风装置处于良好状态；动作灵敏可靠，能在10min内改变巷道中风流方向；结构要严密，漏风少；反风量不应小于正常风量的40%；每年至少进行一次反风演习。四、通风机的实际特性曲线（一）、通风机的工作参数表示通风机性能的主要参数是风压H、风量Q、风机轴功率N、效率和转速n等。1、风机(实际)流量Q风机的实际流量一般是指实际时间内通过风机入口空气的体积，亦称体积流量（无特殊说明时均指在标准状态下），单位为hm/3,min/3m或sm/3。2、风机(实际)全压Hf与静压Hs通风机的全压Ht是通风机对空气作功，消耗于每1m3空气的能量（N·m/m3或Pa），其值为风机出口风流的全压与入口风流全压之差。在忽略自然风压时，Ht用以克服通风管网阻力hR和风机出口动能损失hv，即Ht=hR+hV,1—6—1克服管网通风阻力的风压称为通风机的静压HS，PaHS=hR=RQ21-6-2因此Ht=HS+hV1-6-33、通风机的功率通风机的输出功率（又称空气功率）以全压计算时称全压功率Nt，用下式计算：Nt=HtQ×10-31—6—4用风机静压计算输出功率，称为静压功率NS，即NS=HSQ×10-31-6-5因此，风机的轴功率，即通风机的输入功率N（kW）,1—6—6或1-6-7式中t、S分别为风机折全压和静压效率。设电动机的效率为m,传动效率为tr时，电动机的输入功率为Nm,则1-6-8（二）、通风系统主要参数关系和风机房水柱计（压差计）示值含义掌握矿井主要通风机与通风系统参数之间关系，对于矿井通风的科学管理至关重要。图1—6—7为了指示主要通风机运转以及通风系统的状况，在风硐中靠近风机入口、风流稳定断面上安装测静压探头，通过胶管与风机房中水柱计或压差计（仪）相连接，测得所在断面上风流的相对静压h。离心式通风机测压探头应安装在立闸门的外侧。水柱计或压差计的示值与通风机压力和矿井阻力之间存在什么关系？它对于通风管理有什么实际意义？下面就此进行讨论。1抽出式通风1）水柱（压差）计示值与矿井通风阻力和风机静压之间关系如图1-6-7，水柱计示值为4断面相对静压h4，h4（负压）=P4-P04(P4为4断面绝对压力，P04为与4断面同标高的大气压力）。沿风流方向，对1、4两断面列伯努力方程tttNN1000QHtsssNN1000QHSz12356h44,1000trmtttrmmQHNNhR14=(P1+hv1+ρm12gZ12)-(P4+hv4+ρm34gZ34)式中hR14—1至4断面通风阻力，Pa;P1、P4—分别为1、4断面压力，Pa；hv1、hv4—分