矿井通风与安全04

第四章通风动力本章重点与难点1、自然风压的产生、计算、利用与控制2、轴流式和离心式主要通风机特性3、主要通风机的联合运转4、主要通风机的合理工作范围欲使空气在矿井中源源不断地流动，就必须克服空气沿井巷流动时所受到的阻力。这种克服通风阻力的能量或压力叫通风动力。由第二章可知，通风机风压和自然风压均是矿井通风的动力。本章将对这两种压力对矿井通风的作用、影响因素、特性进行分析研究，以便合理地使用通风动力，从而使矿井通风达到技术先进、经济合理，安全可靠。第一节自然风压一、自然风压及其形成和计算自然风压与自然通风图4-1-1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。图4—1—1简化矿井通风系统由上述例子可见，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。根据自然风压定义，图4—1—1所012345dzρ1dzρ2z示系统的自然风压HN可用下式计算：gdZgdZHN5322014-1-1式中：Z—矿井最高点至最低水平间的距离，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，kg/m3。由于空气密度受多种因素影响，与高度Z成复杂的函数关系。因此利用式4-2-1计算自然风压较为困难。为了简化计算，一般采用测算出0-1-2和5-4-3井巷中空气密度的平均值ρm1和ρm2，用其分别代替式4—1—1中的ρ1和ρ2，则(4-1-1)可写为：HZgNmm()124-1-2二、自然风压的影响因素及变化规律自然风压影响因素由式4-1-1可见，自然风压的影响因素可用下式表示：HN=f(ρZ）=f[ρ(T,P,R，φ)Z]4-1-3影响自然风压的决定性因素是两侧空气柱的密度差，而影响空气密度又由温度T、大气压力P、气体常数R和相对湿度φ等因素影响。1.矿井某一回路中两侧空气柱的温差是影响HN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。大陆性气候的山区浅井，自然风压大小和方向受地面气温影响较为明显；一年四季，甚至昼夜之间都有明显变化。由于风流与围岩的热交换作用使机械通风的回风井中一年四季中气温变化不大，而地面进风井中气温则随季节变化，两者综合作用的结果，导致一年中自然风压发生周期性的变化。图4-1-2曲线1所示为某机械通风浅井自然风压变化规律示意图。对于深井，其自然风压受围岩热交换影响比浅井显著，一处四季的变化较小，有的可能不会出现负的自然风压，如图4-1-2曲线2所示。图4-1-22.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。10121234567891112月份HN3.井深。由式4-1-2可见，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（水平）间的高差Z成正比。4.主要通风机工作对自然风压的大小和方向也有一定影响。因为矿井主要通风机工作决定了主风流的方向，加之风流与围岩的热交换，使冬季回风井气温高于进风井，在进风井周围形成了冷却带以后，即使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有一定的气温差，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，这在建井时期表现尤其明显。如淮南潘一矿及浙江长广一号井在建井期间改变通风系统时都曾遇到这个问题。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。图4-1-3a是四川某矿因自然风压使风流反向示意图。该矿为抽出式通风，风机型号为BY-2-№28，冬季AB平硐和BD立井进风，QAB=2000m3/min，夏季平硐自然风压作用方向与主要通风机相反，平硐风流反向，出风量Q‘=300m3/min，反向风流把平硐某处涌出的瓦斯带至硐口的给煤机附近，因电火花引起瓦斯爆炸。下面就此例分析平硐AB风流反向的条件及其预防措施。如图4-1-3b所示，对出风井来说夏季存在两个系统自然风压。图4—1—3自然风压使风流反向示意图ABB’CEFA系统的自然风压为HZgNACBAF()'DBB’CED系统的自然风压为HZgNDCBBE()'式中：CB’、、AF和BE分别为CB’、AF和BE空气柱的平均密度，kg/m3.自然风压与主要通风机作用方向相反，相当于在平硐口A和进风立井口D各安装一台抽风机（向外）。设AB风流停滞，对回路ABDEFA和ABB’CEFA可分别列出压力平衡方程：22QRHHQRHHCNASDNDNA4-1-6式中：HS—风机静压，Pa；Q—DBB’C风路风量，m3/S;RD、RC—分别为DB和BB’C分支风阻，N·S2/m8。方程组4-1-6中两式相除，得HHHHRRNANDSNADC4-1-7此即AB段风流停滞条件式。当上式变为：HHHHRRNANDSNADC4-1-8则AB段风流反向。根据式4-1-8，可采用下列措施防止AB段风流反向：（1）加大RD；（2）增大HS；（3）在A点安装风机向巷道压风。为了防止风流反向，必须做好调查研究和现场实测工作，掌握矿井通风系统和abcdabcdefb’RDRCZ各回路的自然风压和风阻，以便在适当的时候采取相应的措施。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。第二节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”。其日夜不停地运转，加之其功率大，因此其能耗很大。据统计，全国部属煤矿主要通机平均电耗约占矿井电耗的16%。所以合理地选择和使用通风机，不仅关系到矿井的安全生产和职工的身体健康，而且对矿井的主要技术经济指标也有一定影响。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。一、离心式通风机的构造和工作原理风机构造。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。图4-2-1是G4-73-11型离心式通风机的构造。工作轮是对空气做功的部件，由呈双曲线型的前盘、呈平板状的后盘和夹在两者之间的轮毂以及固定在轮毂上的叶片组成。风流沿叶片间流道流动，在流道出口处，风流相对速度W2的方向与圆周速度u2的反方向夹角称为叶片出口构造角，以β2表示。根据出口构造角β2的大小，离心式通风机可分为前倾式（β290º)、径向式（β2=90º)和后倾式（β290º)三种，如图4-2-2。β2不同，通风机的性能也不同。矿用离心式通风机多为后倾式。图4-2-1离心式通风机图4-2-2叶片出口构造角与风流速度图进风口有单吸和双吸两种。在相同的条件下双吸风机叶（动）轮宽度是单吸风机的两倍。在进风口与叶（动）轮之间装有前导器（有些通风机无前导器），使进入叶（动）轮的气流发生预旋绕，以达到调节性能之目的。工作原理。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。常用型号。目前我国煤矿使用的离心式通风机主要有G4-73、4-73型和K4-73型等。这些品种通风机具有规格齐全、效率高和噪声低等特点。型号参数的含义举例说明如下：G4—73—11№25D代表通风机的用途，K表示表示传动方式矿用通风机，G代表鼓风机通风机叶轮直径（25dm)表示通风机在最高效率点时全压系数10倍化整设计序号(1表示第一次设计）表示通风机比转速(ns)化整表示进风口数,1为单吸,0为双吸说明：（1）比转数ns是反映通风机Q、H和n等之间关系的综合特性参数。nnSQH1234//()。式中Q、H分别表示全压效率最高时的流量和压力。相似通风机的比转数相同。（2）离心式通风机的传动方式有六种：A表示无轴承电机直联传动；B表示悬臂支承皮带轮在中间；C表示悬臂支承皮带轮在轴承外侧；D表示悬臂支承联轴器传动；E表示双支承皮带轮在外侧；F表示双支承联轴器传动。二、轴流式通风机的构造和工作原理如图4-2-3，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。图4-2-3轴流式通风机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。工作原理。在轴流式通风机中，风流流动的特点是，当叶（动）轮转动时，气流沿等半径的圆柱面旋绕流出。用与机轴同心、半径为R的圆柱面切割叶（动）轮叶片，并将此切割面展开成平面，就得到了由翼剖面排列而成的翼栅。如图4-2-4。在叶片迎风侧作一外切线称为弦线。弦线与叶(动)轮旋转方向（u)的夹角称为叶片安装角，以θ表示。叶(动)轮上叶片的安装角可根据需要在规定范围内调整，但必需保持一致。当叶（动）轮旋转时，翼栅即以圆周速度u移动。处于叶片迎面的气流受挤压，静压增加；与此同时，叶片背的气体静压降低，翼栅受压差作用，但受轴承限制，不能向前运动，于是叶片迎面的高压气流由叶道出口流出，翼背的低压区“吸引”叶道入口侧的气体流入，形成穿过翼栅的连续气流。常用型号。我国煤矿在用的轴流式通风机有1K58、2K58、GAF和BD或BDK（对旋式）等系列轴流式通风机。在用的60年代产品70B2。轴流式通风机型号的一般含义是：1K—58—4№25表示表示叶轮级数,1表示通风机叶轮直径（25dm)单级，2表示双级表示设计序号表示用途，K表示矿用，T表示通用表示通风机轮毂比,0.58化整uθBDK658№24防爆型叶轮直径（24dm)对旋结构电机为8极（740r/min）表示用途，K为矿用轮毂比