第七章 礦井通風係統與通風設計
本章主要內容
1、礦井通風係統----類型、適應條件、主要通風機工作方式 、安裝地點、通風係統的選擇
2、采區通風----基本要求、進回風上山選擇、采煤工作麵通風係統
3、通風構築物及漏風----風門、風橋、密閉、導風板；礦井漏風、漏風率、有效風量率、減少漏風措施
4、礦井通風設計----內容與要求、優選通風係統、礦井風量計算、阻力計算、通風設備選擇
5、可控循環通風
第七章 礦井通風係統與通風設計
第一節 礦井通風係統
礦井通風係統是向礦井各作業地點供給新鮮空氣、排出汙濁空氣的通風網路、通風動力和通風控製設施的總稱。
一、礦井通風係統的類型及其適用條件
按進、回井在井田內的位置不同，通風係統可分為中央式、對角式、區域式及混合式。
1、中央式
進、回風井均位於井田走向中央。根據進、回風井的相對位置，又分為中央並列式和中央邊界式（中央分列式）。
2、對角式
1）兩翼對角式
進風井大致位於井田走向的中央，兩個回風井位於井田邊界的兩翼（沿傾斜方向的淺部），稱為兩翼對角式，如果隻有一個回風井，且進、回風分別位於井田的兩翼稱為單翼對角式。
2）分區對角式
進風井位於井田走向的中央，在各采區開掘一個不深的小回風井，無總回風巷。
3、區域式
在井田的每一個生產區域開鑿進、回風井，分別構成獨立的通風係統。如圖。
4、混合式
由上述諸種方式混合組成。例如，中央分列與兩翼對角混合式，中央並列與兩翼對角混合式等等。
二、主要通風機的工作方式與安裝地點
主要通風機的工作方式有三種：抽出式、壓入式、壓抽混合式。
1、 抽出式
主要通風機安裝在回風井口，在抽出式主要通風機的作用下，整個礦井通風係統處在低於當地大氣壓力的負壓狀態。當主要通風機因故停止運轉時，井下風流的壓力提高，比較安全。
2、壓入式
主要通風機安設在入風井口，在壓入式主要通風機作用下，整個礦井通風係統處在高於當地大氣壓的正壓狀態。在冒落裂隙通達地麵時，壓入式通風礦井采區的有害氣體通過塌陷區向外漏出。當主要通風機因故停止運轉時，井下風流的壓力降低。
3、壓抽混合式
在入風井口設一風機作壓入式工作，回風井口設一風機作抽出式工作。通風係統的進風部分處於正壓，回風部分處於負壓，工作麵大致處於中間，其正壓或負壓均不大，采空區通連地表的漏風因而較小。其缺點是使用的通風機設備多，管理複雜。
三、礦井通風係統的選擇
根據礦井設計生產能力、煤層賦存條件、表土層厚度、井田麵積、地溫、礦井瓦斯湧出量、煤層自燃傾向性等條件，在確保礦井安全、兼顧中、後期生產需要的前提下，通過對多種個可行的礦井通風係統方案進行技術經濟比較後確定。
中央式通風係統具有井巷工程量少、初期投資省的優點。因此，礦井初期宜優先采用。
有煤與瓦斯突出危險的礦井、高瓦斯礦井、煤層易自燃的礦井及有熱害的礦井，應采用對角式或分區對角式通風；
當井田麵積較大時，初期可采用中央通風，逐步過渡為對角式或分區對角式。
礦井通風方法一般采用抽出式。當地形複雜、露頭發育老窯多、采用多風井通風有利時，可采用壓入式通風。
第二節 采區通風係統
采區通風係統是礦井通風係統的主要組成單元, 包括：采區進風、回風和工作麵進、回風巷道組成的風路連接形式及采區內的風流控製設施。
一、采區通風係統的基本要求
1、每一個采區， 都必須布置回風道，實行分區通風。
2、采煤和掘進工作麵應獨立通風係統。有特殊困難必須串聯通風時應符合有關規定。
3、煤層傾角大於12°的采煤工作麵采用下行通風時，報礦總工程師批準，
4、采煤和掘進工作麵的進風和回風，都不得經過采空區或冒落區。
二、采區進風上山與回風上山的選擇
上（下）山至少要有兩條；對生產能力大的采區可有3條或4條上山。
1、軌道上山進風，運輸機上山回風
2、運輸機上山進風、軌道上山回風
比較：軌道上山進風，新鮮風流不受煤炭釋放的瓦斯、煤塵汙染及放熱影響，輸送機上山進風，運輸過程中所釋放的瓦斯，可使進風流的瓦斯和煤塵濃度增大，影響工作麵的安全衛生條件。
三、采煤工作麵上行風與下行風
上行風與下行風是指進風流方向與采煤工作麵的關係而言。當采煤工作麵進風巷道水平低於回風巷時，采煤工作麵的風流沿傾斜向上流動，稱上行通風，否則是下行通風。
優缺點：
１、下行風的方向與瓦斯自然流向相反，二者易於混合且不易出現瓦斯分層流動和局部積存的現象。
２、上行風比下行風工作麵的氣溫要高。
３、下行風比上行風所需要的機械風壓要大；
４、下行風在起火地點瓦斯爆炸的可能性比上行風要大。
四、工作麵通風係統
1、U型與Z型通風係統
2、Y型、W型及雙Z型通風係統
3、H型通風係統
第三節 通風構築物及漏風
礦井通風係統網路中適當位置安設的隔斷、引導和控製風流的設施和裝置，以保證風流按生產需要流動。這些設施和裝置，統稱為通風構築物。
一、通風構築物
分為兩大類：一類是通過風流的通風構築物，如主要通風機風硐、反風裝置、風橋、導風板和調節風窗；另一類是隔斷風流的通風構築物，如井口密閉、擋風牆、風簾和風門等 。
1、風門 按設地點：在通風係統中既要隔斷風流又要行人或通車的地方應設立風門。在行人或通車不多的地方，可構築普通風門。而在行人通車比較頻繁的主要運輸道上，則應構築自動風門。
設置風門的要求：
（1）每組風門不少於兩道，通車風門間距不小於一列車長度，行人風門間距不小於5m。入排風巷道之間要需設風門處同時設反向風門，其數量不少於兩道；
（2）風門能自動關閉；通車風門實現自動化，礦井總回風和采區回風係統的風門要裝有閉鎖裝置；風門不能同時敞開（包括反風門）；
（3）門框要包邊沿口，有墊襯，四周接觸嚴密，門扇平整不漏風，門扇與門框不歪扭。門軸與門框要向關門方向傾斜80°至85°；
（4）風門牆垛要用不燃材料建築，厚度不小於0.5m，嚴密不漏風；
牆垛周邊要掏槽，見硬頂、硬幫與煤岩接實。牆垛平整，無裂縫、重縫和空縫；
（5）風門水溝要設反水池或擋風簾，通車風門要設底坎，電管路孔要堵嚴；風門前後各5m內巷道支護良好，無雜物、積水、淤泥。
2、風橋
當通風係統中進風道與回風道需水平交叉時，為使進風與回風互相隔開需要構築風橋。按其結構不同可分為三種。
1）繞道式風橋 開鑿在岩石裏，最堅固耐用，漏風少。
2）混凝土風橋 結構緊湊，比較堅固。
3）鐵筒風橋 可在次要風路中使用。
3、密閉
密閉是隔斷風流的構築物。設置在需隔斷風流、也不需要通車行人的巷道中。密閉的結構隨服務年限的不同而分為兩類：
1）臨時密閉，常用木板、木段等修築，並用黃泥、石灰抹麵。
2）永久密閉，常用料石、磚、水泥等不燃性材料修築。
4、導風板
應用以下幾種導風板。
1）引風導風板 ；
2）降阻導風板；
3）彙流導風板
二、漏風及有效風量
1、礦井漏風及其危害性
有效風量：礦井中流至各用風地點，起到通風作用的風量。
漏風：未經用風地點而經過采空區、地表塌陷區、通風構築物和煤柱裂隙等通道直接流（滲）入回風道或排出地表的風量。
漏風的危害：使工作麵和用風地點的有效風量減少，氣候和衛生條件惡化，增加無益的電能消耗，並可導致煤炭自燃等事故。減少漏風、提高有效風量是通風管理部門的基本任務。
2、漏風的分類及原因
1）漏風的分類
礦井漏風按其地點可分為：（1）外部漏風（或稱井口漏風）泛指地表附近如箕鬥井井口，地麵主通風機附近的井口、防爆蓋、反風門、調節閘門等處的漏風。（2）內部漏風（或稱井下漏風）是指井下各種通風構築物的漏風、采空區以及碎裂的煤柱的漏風。
2）漏風的原因
當有漏風通路存在，並在其兩端有壓差時，就可產生漏風。漏風風流通過孔隙的流態，視孔隙情況和漏風大小而異。
3、礦井漏風率及有效風量率
1）礦井有效風量Qe 是指風流通過井下各工作地點實際風量總和。
2）礦井有效風量率： 礦井有效風量率是礦井有效風量Qe與各台主要通風機風量總和之比。礦井有效風量率應不低於85%。
3）礦井外部漏風量
指直接由主要通風機裝置及其風井附近地表漏失的風量總和。可用各台主要通風機風量的總和減去礦井總回（或進）風量。
4）礦井外部漏風率
指礦井外部漏風量QL與各台主要通風機風量總和之比。
礦井主要通風機裝置外部漏風率無提升設備時不得超過5％，有提升設備時不得超過15％。
4、減少漏風、提高有效風量
漏風風量與漏風通道兩端的壓差成正比，和漏風風阻的大小成反比。應增加地麵主要通風機的風硐、反風道及附近的風門的氣密性，以減少漏風。
第四節 礦井通風設計
一、礦井通風設計的內容與要求
１、礦井通風設計的內容
確定礦井通風係統；
礦井風量計算和風量分配；
礦井通風阻力計算；
選擇通風設備；
概算礦井通風費用。
２、礦井通風設計的要求
將足夠的新鮮空氣有效地送到井下工作場所，保證生產和良好的勞動條件；
通風係統簡單，風流穩定，易於管理，具有抗災能力；
發生事故時，風流易於控製，人員便於撤出；
有符合規定的井下環境及安全監測係統或檢測措施；
通風係統的基建投資省，營運費用低、綜合經濟效益好。
二、優選礦井通風係統
1、礦井通風係統的要求
1)每一礦井必須有完整的獨立通風係統。
2)進風井囗應按全年風向頻率，必須布置在不受粉塵、煤塵、灰塵、有害氣體和高溫氣體侵入的地方。
3)箕鬥提升井或裝有膠帶輸送機的井筒不應兼作進風井，如果兼作回風井使用，必須采取措施，滿足安全的要求。
4)多風機通風係統，在滿足風量按需分配的前提下，各主要通風機的工作風壓應接近。
5)每一個生產水平和每一采區，必須布置回風巷，實行分區通風。
6)井下爆破材料庫必須有單獨的新鮮風流，回風風流必須直接引入礦井的總回風巷或主要回風巷中。
7)井下充電室必須單獨的新鮮風流通風，回風風流應引入回風巷。
２、確定礦井通風係統
根據礦井瓦斯湧出量、礦井設計生產能力、煤層賦存條件、表土層厚度、井田麵積、地溫、煤層自燃傾向性及兼顧中後期生產需要等條件，提出多個技術上可行的方案，通過優化或技術經濟比較後確定礦井通風係統。
三、礦井風量計算
（一）、礦井風量計算原則
礦井需風量，按下列要求分別計算，並必須采取其中最大值。
（１）按井下同時工作最多人數計算，每人每分鍾供給風量不得少於4m3；
（２）按采煤、掘進、硐室及其他實際需要風量的總和進行計算。
(二）礦井需風量的計算
1、采煤工作麵需風量的計算
采煤工作麵的風量應該按下列因素分別計算，取其最大值。
(1)按瓦斯湧出量計算：
式中：Qwi——第i個采煤工作麵需要風量，m3/min
Qgwi——第 i個采煤工作麵瓦斯絕對湧出量，m3/min
kgwi——第i個采煤工作麵因瓦斯湧出不均勻的備用風量係數，通常機采工作麵取kgwi=1.2~1.6 炮采工作麵取kgwi=1.4~2.0,水采工作麵取kgwi=2.0~3.0
（2）按工作麵進風流溫度計算：
采煤工作麵應有良好的氣候條件。其進風流溫度可根據風流溫度預測方法進行計算。其氣溫與風速應符合表中的要求：
采煤工作麵的需要風量按下式計算：
式中 vwi—第i個采煤工作麵的風速，按其進風流溫度從表中取；m/s,
Swi—第i個采煤工作麵有效通風斷麵，取最大和最小控頂時有效斷麵的平均值，m2 ；
kwi——第i 個工作麵的長度係數。
3）按使用炸藥量計算：
式中 25——每使用1kg炸藥的供風量，m3/min；
——第i個采煤工作麵一次爆破使用的最大炸藥量，kg。
4） 按工作人員數量計算：
式中 4——每人每分鍾應供給的最低風量，m3/min
nwi——第i 個采煤工作麵同時工作的最多人數,個。
5)按風速進行驗算
按最低風速驗算各個采煤工作麵的最小風量：
按最高風速驗算各個采煤工作麵的最大風量：
２、掘進工作麵需風量的計算：
煤巷、半煤岩和岩巷掘進工作麵的風量，應按下列因素分別計算，取其最大值。
（１）按瓦斯湧出量計算：
式中 Qhi——第i個掘進工作麵的需風量，m3/min
Qghi——第i個掘進工作麵的絕對瓦斯湧出量；m3/min
kghi——第i個掘進工作麵的瓦斯湧出不均勻和備用風量係數。一般可取1.5~2.0。
（2）按炸藥量計算
式中 25——使用1kg炸藥的供風量，m3/min;
Ahi——第i個掘進工作麵一次爆破所用的最大炸藥量，kg
（3）按局部通風機吸風量計算
式中 ——第i個掘進工件麵同時運轉的局部通風機額定風量的和。
khfi——為防止局部通風機吸循環風的風量備用係數，一般取1.2~1.3；進風巷道中無瓦斯湧出時取1.2，有瓦斯湧出時取1.3
（４）按工作人員數量計算
式中 nhi——第i個掘進工作麵同時工作的最多人數，人。
（５）按風速進行驗算
按最小風速驗算，岩巷掘進麵最小風量：
各個煤巷或半煤岩巷掘進麵的最小風量；
按最高風速驗算，掘進麵的最大風量：
式中 shi——第i個掘進工作麵巷道的淨斷麵積，m2
３、硐室需風量計算
獨立通風硐室的供風量，應根據不同類型的硐室分別進行計算：
（１）機電硐室
發熱量大的機電硐室，按硐室中運行的機電設備發熱量進行計算：
式中 Qri——第個機電硐室的需風量，m3/min
——機電硐室中運轉的電動機（變壓器）總功率，KW
θ——機電硐室的發熱係數，
ρ——空氣密度，一般取1.25kg/m3
cp——空氣的定壓比熱，一般可取1KJ/kgk
Δt——機電硐室進、回風流的溫度差，℃
采區變電所及變電硐室，可按經驗值確定需風量
m3/min
（2）爆破材料庫
式中 v——庫房空積，m3
（3）充電硐室
按其回風流中氫氣濃度小於0.5%計算
式中 qrhi——第個充電硐室在充電時產生的氫氣量，m3/min
5、礦井總風量計算
礦井的總進風量，應按采煤、掘進、硐室及其他地點實際需要風量的總和:
式中∑Qwl——采煤工作麵和備用工作麵所需風量之和，m3/min；
∑Qhl——掘進工作麵所需風量之和，m3/min；
∑Qrl——硐室所需風量之和，m3/min；
km——礦井通風係統（包括礦井內部漏風和配風不均勻等因素）備用係數，宜取1.15~1.25。
四、礦井通風總阻力計算
(一) 礦井通風總阻力計算原則
1、礦井通風設的總阻力，不應超過2940Pa。
2、礦井井巷的局部阻力，新建礦井按井巷摩擦阻力的10%計算，擴建礦井宜按井巷摩擦阻力的15%計算。
（二）礦井通風總阻力計算
礦井通風總阻力：風流由進風井口起，到回風井口止，沿一條通路（風流路線）各個分支的摩擦阻力和局部阻力的總和，簡稱礦井總阻力，用hm表示。
對於礦井有兩台或多台風主要通風機工作，礦井通風阻力按每台主要通風機所服務的係統分別計算。
礦井通風係統總阻力最小時稱通風容易時期。通風係統總阻力最大時亦稱為通風困難時期。
對於通風困難和容易時期，要分別畫出通風係統圖。按照采掘工作麵及硐室的需要分配風量，再由各段風路的阻力計算礦井總阻力。
計算方法：
沿著風流總阻力最大路線，依次計算各段摩擦阻力 hf，然後分別累計得出容易和困難時期的總摩擦阻力 hf1 和 hf2。
通風容易時期總阻力 ：
通風困難時期總阻力：
hf 按下式計算：
式中
五、礦井通風設備的選擇
礦井通風設備是指主要通風機和電動機。
（一）礦井通風設備的要求：
1、礦井必須裝設兩套同等能力的主通風設備，其中一套作備用。
2、選擇通風設備應滿足第一開采水平各個時期工況變化，並使通風設備長期高效率運行。
3、風機能力應留有一定的餘量。
4、進、出風井井口的高差在150m以上，或進、出風井井口標高相同，但井深400m以上時，宜計算礦井的自然風壓。
（二）主要通風機的選擇
1、計算通風機風量Qf
式中 Qf—主要通風機的工作風量，m3/s; Qm—礦井需風量，m3/s；
k——漏風損失係數，風井不提升用時取1.1；箕鬥井兼作 回硯用時取1.15；回風回升降人員時取1.2。
2、計算通風機風壓
離心式通風機（提供的大多是全壓曲線）：
容易時期
困難時期
軸流式通風機（提供的大多是靜壓曲線）：
容易時期
困難時期
hm－－通風係統的總阻力；
hd－－通風機附屬裝置（風硐和擴散器）的阻力；
hvd －－擴散器出口動能損失；
ＨN－－自然風壓，當自然風壓與通風機風壓作用相同時取“+”；自然風壓與通風機負壓作用反向時取“-”。
3、初選通風機
根據計算的礦井通風容易時期通風機的Qf、Hsdmin(或Htdmin)和礦井通風困難通風機的Qf、Hsdmax(或Htdmax)在通風機特性曲線上，選出滿足礦井通風要求的通風機。
4、求通風機的實際工況點
因為根據Qf、Hsdmin(或Htdmin)和Qf、Hsdmax(或Htdmax)確定的工況點，但設計工況點不一定恰好在所選擇通風機的特性曲線上，必須根據通風機的工作阻力，確定其實際工況點。步驟：
1）計算通風機的工作風阻
用靜壓特性曲線時：
用全壓特性曲線時：
2）確定通風機的實際工況點
在通風機特性曲線上作通風機工作風阻曲線，與風壓曲線的交點即為實際工況點。
5、確定通風的型號和轉速
根據通風機的工況參數（Qf 、Hsd 、η、N）對初選的通風機進行技術、經濟和安全性比較，最後確定通風機的型號和轉速。
6、電動機選擇
（１）通風機的輸入功率按通風容易和困難時期，分別計算風所需的輸入功率Nmin ，Ｎmax 。
或
（２）、電動機的台數及種類
當Nmin≥0.6Nmax時，可選一台電動機，電動機功率為：
當Nmin＜0.6Nmax時，選二台電動機，其功率分別為：
初期：
後期按選一台電機公式計算。ηe ：電機效率，ηtr：傳動效率。
六、概算礦井通風費用
噸煤通風成本是通風設計和管理的重要經濟指標。
噸煤通風成本主要包括下列費用：
1、電費（W1）
噸煤的通風電費為主要通風機年耗電費及井下輔助通風機、局部通風機電費之和除以年產量，可用如下公式計算：
E——主要通風機年耗電量， D——電價，元/KWh；
T——礦井年產量，噸； ηv——變壓器效率，可取0.95；
EA——局部通風機和輔助通風機的年耗電量；ηw——電纜輸電效率
2、設備折舊費
3、材料消耗費用
4、通風工作人員工資費用
5、專為通風服務的井巷工程折舊費和維護費折算至噸煤的費用。
6、采每噸煤的通風儀表的購置費和維修費用。
第五節 可控循環通風概述
可控循環通風是由英國學者S.J.LEACH和A.SLACK研究提出，七十年初在英國開始應用。之後，包括中國在內的許多國家也相繼對可控循環通風進行了研究和應用。
定義：在低瓦斯礦中，當采掘工作麵位於礦井的邊遠地區，原有通風係統不能保證按需供風，而該地區的回風的風質又比較好時，可以在局部通風係統的進、回風之間安置通風設備、設施和監控設備，對回風進行合理循環控製加以再利用，以增加用風地點的實際風量。此種通風方法稱為可控循環風。
循環率：
第七章作業
7-1,7-2,7-3,7-4,7-5
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